Суперкомпьютеры и особенности их архитектуры

К суперкомпьютерам относятся мощные многопроцессорные вычислительные маши­ны с быстродействием сотни миллионов — десятки миллиардов операций в секунду. Типовая модель суперкомпьютера 2001 года:

-высокопараллельная многопроцессорная вычислительная система с быстродей­ствием порядка 100 000 MFloPS;

-емкость; оперативной памяти 10 Гбайт, дисковой памяти 1-10 Тбайт (1 Тбайт -- 1000 Гбайт);

- разрядность 64-128 бит.

В декабре 1996 года фирма Intel объявила о создания суперкомпьютера Sand in, впервые в мире преодолевшего терафлопный барьер быстродействия. За 1 час 40 минут компьютер выполнил 6,4 квадриллиона вычислений с плавающей Запя­той. Конфигурация, достигшая производительности 1060 MFLoPS по тесту МР Unpack, представляла собой 57 шкафов, содержащих более 7000 процессоров Pen­tium Pro с тактовой частотой 200 МГц и оперативную память 454 Гбайт. Окон­чательный вариант суперкомпьютера имеет производительность 1,4 TFLoPS. Oil состоит из 86 шкафов общей площадью 160 кв. м. В этих шкафах размещается 573 Гбайт оперативной и 2250 Гбайт дисковой памяти. Масса компьютера состав­ляет около 45 тонн, а пиковое потребление энергии — 850 кВт. В 1998 году японская фирма NEC Corporation сообщила о создании суперкомпью­теров SX-5, выполняющих 4 триллиона FLoPS, содержащих 512 процессоре!» и обеспечивающих общую скорость передачи данных 32 Тбайт/с. Наконец, недавно фирма IBM объявила о разработке нового суперкомпьютера, который будет содержать более миллиона микропроцессоров Pentium III и иметь быстродействие порядка 10¹⁵ операций/с.

Создать такие высокопроизводительные компьютеры на одном микропроцессоре (МП) не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленного конечным значением скорости распространения электромагнитных ноли (300 000 км/с), ибо время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 млрд. операций/с становится соиз­меримым со временем выполнения одной операции. Поэтому суперкомпьютеры создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных сис­тем (МПВС).

Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей.

1. Магистральные (конвейерные) МПВС, у которых процессор одновременно выполняет разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных. По принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или MISD - Multiple Instruction Single Data).

2. Векторные МПВС, у которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными — однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD — Single Instruction Multiple Data).

Принцип SIMD используется и для повышения производительности микропроцессо­ров — суперскалярные (векторные) МП Pentium III, Pentium 4, Power PC и т. д.

3. Матричные МПВС, у которых микропроцессор одновременно выполняет разные операции над последовательными потоками обрабатываемых данных многократный лоток команд с многократным потоком данных (МКМД и MIMD - Multiple Instruction Multiple Data).

Условные структуры однопроцессорной (SISD) и названных многопроцессорных ВС показаны на рис. 12.

В суперкомпьютере используются все три варианта архитектуры МПВС:

1. Структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпьютере BSP фирмы Burrought);

2. Параллельно-конвейерная модификация, иначе MMISD, то есть многопроцессор­ная (Multiple) MISD-архитектура (например, в суперкомпьютерах «Эльбрус 3,4»);

3. Параллельно-векторная модификация, иначе MSIMD, то есть многопроцессор­ная SIMD-архитектура (например, в суперкомпьютере Cray 2).

Наибольшую эффективность показала MIMD-архитектура, поэтому в современ­ных суперкомпьютерах чаще всего используется именно она (суперкомпьютеры фирм Cray, Fujistu, NEC, Hitachi и т. д.). Первый суперкомпьютер была задуман в 1960 и создан в 1972 году (машина ILLIAC IV с производительностью 20 M'FloPS), а начиная с 1974 года лидерство в разработке суперкомпьютеров захватила фирма Cray Research, выпустившая Cray 1 производительностью 160 MFloPS и объемом оперативной памяти 64 Мбайт, а в 1984 году — Cray 2, в полной мере реализовав­ший архитектуру MSIMD и ознаменовавший появление нового поколения супер­компьютеров. Производительность Cray 2 — 2000 MFloPS, объем оперативной памяти -2 Гбайт. Классическое соотношение, ибо критерий сбалансированной ресурсов компьютера — «каждому MFloPS производительности процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайт оперативной памяти.

Рис. 12.

Условные структуры МПВС: а — структура SISD — однопроцессорной суперЭВМ; 6 — структура MISD — конвейерной (магистральной] суперЭВМ; в — структура SIMD — векторной суперЭВМ; г —структура MIMD — матричной суперЭВМ

В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперкомпьютеров, начиная от простых офисных Cray EL до мощных Cray 3, Cray 4, Cray Y-MP C90 фирмы Cray Research, Cyber 205 фирмы Control Data, SX-3 и SX-X фирмы NEC, VP 2000 фирмы Fujitsu (обе фирмы японские), VPP 500 фирмы Siemens (ФРГ) и т. д., производительностью несколько десятков тысяч MFloPS.

Среди лучших суперкомпьютеров можно отметить и отечественные суперкомпью­теры. В сфере производства суперкомпьютеров Россия, пожалуй, впервые, пред­ставила собственные оригинальные модели компьютеров (все остальные, вклю­чая и ПЭВМ, и малые ЭВМ, и универсальные компьютеры за редким исключением, например, ЭВМ «Рута 110», копировали зарубежные разработки и, в первую оче­редь, разработки фирм США).

В СССР, а позднее в России была разработана и реализуется (сейчас правда, почти заморожена) государственная программа разработки суперкомпьютеров. В рамках этой программы были разработаны и выпущены такие суперкомпьютеры, как по­вторяющая архитектуру Cray: «Электроника СС БИС»; оригинальные разработ­ки: ЕС 1191, ЕС 1195, ЕС 1191.01, ЕС 1191.10, «Эльбрус 1, 2,3».

Разработка ЕС 1191 с производительностью 1200 MFloPS из-за нехватки средств заморожена; офисные варианты ЕС 1195, ЕС 1191.01 имеют производительность соответственно 50 MFloPS и 500 MFloPS; практически заморожена и разработка ЕС 1191.10 с производительностью 2000 MFloPS.

Рис. 13.

На Рис. 13 приведена структура суперкомпьютера «Эльбрус-3».

Характеристики суперкомпьютера «Эльбрус-3»:

- производительность 10 000 MFloPS;

- разрядность 64 бит (можно работать и с 128-разрядными словами);

- 16 магистральных процессоров по 7 арифметико-логических устройств и 16 Мбайт оперативной памяти в каждом (итого - 256 Мбайт);

-общая оперативная память - 8 блоков по 256 Мбайт (итого 2048 Мбайт);

-суммарная емкость оперативной памяти 16 ■ 16 + 8 ■ 256= 2304 (Мбайт);

-8 процессоров ввода-вывода, каждый из которых имеет:

• медленный канал;

• быстрый капал;

• дисковый канал для обмена данными, соответственно, с внешними устрой­ствами, модульными комплексами телеобработки и накопителями на магнитных дисках, часто с дисковыми массивами типа RAID.

Используются операционные системы «Эльбрус» и UNIX, поддерживающие боль­шое число языков программирования: Эль, Фортран, Паскаль, Кобол, Пролог и т, д, Суперкомпьютер «Эльбрус ЗБ» медленно, но продолжает разрабатываться, ожи­даемая его производительность - 20 000 MFloPS.

Для суперкомпьютера «Эльбрус» разработан один из первых в мире микропро­цессор «Эль2К», имеющий VLIW-архитектуру.