Суперкомпьютеры К суперкомпьютерам относятся мощные многопроцессорные вычисли- тельные машины с быстродействием сотни миллионов — десятки миллиардов операций в секунду. Создать такие высокопроизводительные компьютеры на одном микропро- цессоре (МП) не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленно- го конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/с), поскольку время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 милли- ардов операций в секунду становится соизмеримым со временем выполнения одной операции. Поэтому суперкомпьютеры создаются в виде высокопарал- лельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС). Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей. 1. Магистральные (конвейерные) МПВС, у которых процессор одновре- менно выполняет разные операции над последовательным потоком обрабаты- ваемых данных. По принятой классификации такие МПВС относятся к систе- мам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или MISD — Multiple Instruction Single Data). 2. Векторные МПВС, у которых все процессоры одновременно выпол- няют одну команду над различными данными — однократный поток команд с45 многократным потоком данных (ОКМД или SIMD – Single Instruction Multiple Data). 3. Матричные МПВС, у которых микропроцессор одновременно выпол- няет разные операции над последовательными потоками обрабатываемых дан- ных – многократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД или MIMD – Multiple Instruction Multiple Data). Условные структуры однопроцессорной (SISD) и названных многопроцес- сорных ВС показаны на рис. 6.7. В суперкомпьютере используются все три варианта архитектуры МПВС: □ структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпь- ютере BSP фирмы Burrought); □ параллельно-конвейерная модификация, иначе MMISD, то есть много- процессорная (Multiple) MISD архитектура (например в суперкомпьютере «Эльбрус 3»); □ параллельно-векторная модификация, иначе MSIMD, то есть многопро- цессорная SIMD архитектура (например в суперкомпьютере Cray 2). 46 Наибольшую эффективность показала MSIMD архитектура, поэтому в со- временных суперкомпьютерах чаще всего находит применение именно она (су- перкомпьютеры фирм Cray, Fujitsu, NEC, Hitachi и т. д.)- Первый суперкомпью- тер был задуман в 1960 и создан в 1972 году (машина ILLIAC IV с производи- тельностью 20 MFLOPS), а начиная с 1975 года лидерство в разработке супер- компьютеров захватила фирма Cray Research, выпустившая Cray 1 с производи- тельностью 160 MFLOPS и объемом оперативной памяти 8 Мбайт, а в 1984 го- ду — Cray 2, в полной мере реализовавший архитектуру MSIMD и ознамено- вавший появление нового поколения суперкомпьютеров. Производительность Cray 2 — 2000 MFLOPS, объем оперативной памяти — 2 Гбайт (классическое соотношение, ибо критерий сбалансированности ресурсов компьютера — «ка- ждому MFLOPS производительности процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайт оперативной памяти»). В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперкомпью- теров, начиная от простых офисных Cray EL до мощных Cray 3, Cray 4, Cray YMP C90 фирмы Cray Research, Cyber 205 фирмы Control Data, SX-3 и SX-X компании NEC, VP 2000 компании Fujitsu (обе фирмы японскиеХ VPP 500 ком- пании Fujitsu Siemens (немецко-японская) и т. д., производительностью не- сколько десятков тысяч MFLOPS. Среди лучших суперкомпьютеров можно отметить и отечественные супер- компьютеры. В сфере производства суперкомпьютеров Россия, пожалуй, впер- вые, представила собственные оригинальные модели компьютеров (все осталь- ные, включая и ПЭВМ, и малые ЭВМ, и универсальные компьютеры за редким исключением, например ЭВМ «Рута НО», копировали зарубежные решения, и, в первую очередь, разработки фирм США). В СССР, а позднее в России была разработана и реализуется (сейчас, прав- да, почти заморожена) государственная программа разработки суперкомпьюте- ров. В рамках этой программы были спроектированы и выпущены такие супер- компьютеры, как повторяющая Cray-архитектуру модель «Электроника СС БИС», оригинальные разработки: ЕС 1191, ЕС 1195, ЕС 1191.01, ЕС 1191.10, «Эльбрус». Кластерные суперкомпьютеры В настоящее время развивается технология построения больших и супер- компьютеров на базе кластерных решений. По мнению многих специалистов, на смену отдельным, независимым суперкомпьютерам должны прийти группы высокопроизводительных серверов, объединяемых в кластер. Удобство построения кластерных ВС заключается в том, что можно гибко регулировать необходимую производительность системы, подключая к класте- ру с помощью специальных аппаратных и программных интерфейсов обычные серийные серверы до тех пор, пока не будет получен суперкомпьютер требуе- мой мощности. Кластеризация позволяет манипулировать группой серверов как одной системой, упрощая управление и повышая надежность. 47 Важной особенностью кластеров является обеспечение доступа любого сервера к любому блоку как оперативной, так и дисковой памяти. Эта проблема успешно решается, например, объединением систем SMP-архитектуры на базе автономных серверов для организации общего поля оперативной памяти и ис- пользованием дисковых систем RAID для памяти внешней (SMP — Shared Memory multiprocessing, технология мультипроцессирования с разделением па- мяти). Программное обеспечение для кластерных систем уже выпускается. При- мером может служить компонент Cluster Server операционной системы MS Windows NT/2000 Enterprise. Этот компонент, более известный под кодовым названием Wolfpack, обеспечивает как функции управления кластером, так и функции диагностирования сбоев и восстановления (Wolfpack определяет сбой программы или отказ сервера и автоматически переключает поток вычислений на другие работоспособные серверы). Все фирмы отмечают существенное снижение стоимости кластерных сис- тем по сравнению с локальными суперкомпьютерами, обеспечивающими ту же производительность. Основные достоинства кластерных суперкомпьютерных систем: □ высокая суммарная производительность; □ высокая надежность работы системы; □ наилучшее соотношение производительность—стоимость; □ возможность динамического перераспределения нагрузок между серве- рами; □ легкая масштабируемость, то есть наращивание вычислительной мощ- ности путем подключения дополнительных серверов; □ удобство управления и контроля работы системы.
