3. Параллельные системы

3.1. Параллелизм вычислений. Основные подходы и способы организации

3.1.1. Необходимость создания параллельных систем

Вычислительная техника, развиваясь в направлении повышения быстродействия ЭВМ, приблизилась к физическим пределам. Время переключения электронных схем достигло долей наносекунды, а скорость распространения сигналов в линиях, связывающих элементы и узлы машины, ограничена значением 30 см/нс (скорость света). Поэтому дальнейшее уменьшение времени переключения электронных схем не позволит существенно повысить производительность ЭВМ. В этих условиях требования практики по дальнейшему повышению быстродействия ЭВМ могут быть удовлетворены только путем распространения принципа параллелизма на сами устройства обработки информации.

Важнейшей характеристикой вычислительных систем (ВС) является надежность. Повышение надежности основано на принципе предотвращения неисправностей путем снижения интенсивности отказов и сбоев за счет применения электронных схем и компонентов с высокой и сверхвысокой степенью интеграции, снижения уровня помех, облегченных режимов работы схем, обеспечения тепловых режимов их работы, а также за счет совершенствования методов сборки аппаратуры.

Отказоустойчивость - это такое свойство вычислительной системы, которое обеспечивает ей как логической машине возможность продолжения действий, заданных программой, после возникновения неисправностей. Введение отказоустойчивости требует избыточного аппаратного и программного обеспечения. Направления, связанные с предотвращением неисправностей и с отказоустойчивостью, – основные в проблеме надежности.

Концепции параллельности и отказоустойчивости вычислительных систем естественным образом связаны между собой, поскольку в обоих случаях требуются дополнительные функциональные компоненты. Поэтому на параллельных вычислительных системах достигается как наиболее высокая производительность, так и во многих случаях очень высокая надежность. Имеющиеся ресурсы избыточности в параллельных системах могут гибко использоваться как для повышения производительности, так и для повышения надежности.

Масштабируемость представляет собой возможность наращивания числа и мощности процессоров, объемов оперативной и внешней памяти и других ресурсов вычислительной системы. Масштабируемость должна обеспечиваться архитектурой и конструкцией компьютера, а также соответствующими средствами программного обеспечения.

3.1.2. Многомашинные и многопроцессорные вс

Повышение быстродействия и надежности ЭВМ обеспечивается путем создания многомашинных и многопроцессорных вычислительных систем. Такие системы позволяют производить распараллеливание во времени выполнения программы или осуществлять многозадачность.

Параллельная обработка – метод увеличения скорости обработки, позволяющий одновременное выполнение нескольких команд.

Многозадачность – возможность выполнения нескольких программ вместе.

В системах с последовательной обработкой многозадачность может быть реализована только в режиме разделения времени.

Последовательная обработка – действия по обработке данных, которые осуществляются в порядке очередности их поступления.

Режим разделения времени – использование компьютера (процессора) несколькими пользователями (программами), обычно при помощи системы квантования времени.

Работа в системах обработки данных и управления, особенно при работе в режиме реального времени, требует высокой надежности и готовности, что решается на основе принципа избыточности, и ориентирует на построение такого рода комплексов.

Многомашинные и многопроцессорные ВС

Многомашинная вычислительная система (ММС) содержит несколько ЭВМ, каждая их которых имеет свою оперативную память (ОП) и работает под управлением своей операционной системы, а также средства обмена информацией между машинами. Реализация обмена информацией происходит в конечном итоге путем взаимодействия операционных систем разных машин между собой. Это ухудшает динамические характеристики процессов межмашинного обмена данными.

Применение многомашинных систем позволяет повысить надежность вычислительных комплексов. При отказе в одной машине обработку данных может продолжать другая машина комплекса. Однако можно заметить, что при этом оборудование комплекса недостаточно эффективно используется для этой цели. Достаточно в этой системе в каждой из машин выйти из строя хотя бы по одному устройству, как вся система становится неработоспособной.

Этих недостатков лишены многопроцессорные системы (МПС). В них процессоры обретают статус рядовых агрегатов вычислительной системы, которые подобно другим агрегатам, таким как модули памяти, каналы, ПУ, включаются в состав системы в нужном количестве. Многопроцессорная система содержит несколько процессоров, работающих с общей ОП, и управляется одной общей операционной системой.

В МПС по сравнению с ММС достигается более быстрый обмен информацией между процессорами через общую ОП, и поэтому может быть получена более высокая производительность, более быстрая реакция на ситуации, возникающие внутри системы и в ее внешней среде, и более высокая надежность и живучесть, так как система сохраняет работоспособность пока работоспособны хотя бы по одному модулю каждого типа устройства.

Однако построение ММС из стандартно выпускаемых ЭВМ с их стандартными операционными системами значительно проще, чем построение МПС, требующих преодоления определенных трудностей, возникающих при реализации общего поля ОП, и, главное, трудоемкой разработки специальной операционной системы.

Примером реализации МПС из стандартно выпускаемых процессоров Pentium является плата, построенная на чипсете фирмы INTEL PR440FX (второе название Providence) и операционной системы Windows NT (New Technology).

Важной структурной особенностью ВС является способ организации связи между устройствами (модулями) системы. Он непосредственно влияет на быстроту обмена информацией между модулями системы, а следовательно, и на производительность, быстроту реакции на поступающие запросы, приспособленность к изменению конфигурации, и, наконец, на размеры аппаратурных затрат на осуществление межмодульных связей. В частности, от организации межмодульных связей зависит частота возникновения конфликтов при обращении процессора к одним и тем же ресурсам и потери производительности из-за конфликтов. Используются следующие способы организации межмодульных связей:

• многоуровневые связи, соответствующие иерархии интерфейсов ЭВМ;

• общая шина;

• регулярные связи между модулями;

• коммутатор межмодульных связей.

Принципы организации МПС и ММС существенно отличаются в зависимости от их предназначения. Поэтому целесообразно различать:

1. ВС, ориентированные на достижение сверхвысокой производительности.

2. ВС, ориентированные на повышение надежности и живучести.