6. Структурные особенности векторной вычислительной сисстемы cray-1

Однопроцессорные векторно-конвейерные вычислительные системы

Основные отличительные черты:

один процессор с векторной архитектурой и векторно-конвейерной структурой;

один поток команд;

много потоков данных;

одна операционная система.

По мере освоения средств сверхпроизводительной обработки данных разрыв между совершенствованием методов векторизации программ, т.е. автоматического преобразования в процессе компиляции последовательных языковых конструкций в векторную форму, и чрезвычайной сложностью программирования коммутации и распределения данных между процессорными элементами привел к достаточно жесткой реакции пользователей в отношении матричных компьютеров - широкому кругу программистов требовалась более простая и "прозрачная" структура векторной обработки с возможностью использования стандартных языков высокого уровня типа FORTRAN.

Второй существенной особенностью векторно-конвейерной структуры является то, что конвейер операций имеет всего один вход, по которому поступают операнды, и один выход результата, тогда как в векторно-матричных системах существует множество входов по данным в процессорные элементы и множество выходов из них. Другими словами, в системах с векторно-конвейерной обработкой данные всех параллельно исполняемых операций выбираются и записываются в единую оперативную память, в связи с чем отпадает необходимость в коммутаторе процессорных элементов, ставшем камнем преткновения при проектировании матричных систем.

Нокаутирующий удар был нанесен в 1976 г. выпуском векторно-конвейерной вычислительной системы CRAY-1, ставшей эпохальным событием в мире вычислительной техники. Эта малогабаритная вычислительная система (ее высота немного превосходила средний человеческий рост, а занимаемая процессором площадь была чуть больше 2,5 кв.м), имела пиковую производительность 160 Mflops. После непродолжительной пробной эксплуатации в Лос-Аламосской лаборатории, где новинка получила самые высокие отзывы программистов и математиков, фирма Cray Research наладила серийный выпуск компьютеров CRAY-1, которые активно раскупались в США. Любопытно, что администрация США в должной степени оценила стратегическую ценность вычислительной системы CRAY-1 и контролировала ее поставки даже в дружественные государства. Появление вычислительной системы CRAY-1 вызвало интерес не только у пользователей, нуждающихся в средствах сверхпроизводительной обработки данных, но и у специалистов по архитектуре и структуре сверхпроизводительных компьютеров. Для многих неожиданным (а для разработчиков конкурирующей вычислительной системы CYBER-205 даже неприятным) стал тот факт, что с большинством задач меньшая вычислительная система CRAY-1 справлялась быстрее, чем значительно превосходящая ее по габаритам и пиковой производительности вычислительная система CYBER-205. Так, при тестировании на пакете LINPACK производительность вычислительной системы CRAY-1 находилась в пределах 12 - 23 Mflops в зависимости от способа программирования, тогда как вычислительная система CYBER-205 показала производительность лишь 8,4 Mflops. Объяснение нашлось, как только вспомнили о законе Амдала "Производительность вычислительной системы определяется самым медленным ее элементом". Применительно к векторно-конвейерным вычислительным системам парадокс Амдала преломляется следующим образом. Любая задача, выполняемая в векторно-конвейерной вычислительной системе, состоит из двух взаимосвязанных частей - векторных команд, сгенерированных компилятором при векторизации исходной программы, и скалярных команд, которые компилятор не сумел перевести в векторную форму. Если представить себе вычислительную систему, которая умеет одинаково быстро выполнять скалярные и векторные операции, то парадокс Амдала "не срабатывает" и такая система с равной скоростью будет выполнять задачи любой степени векторизации. Но само собой, что скалярная обработка занимает больше времени, плюс ко всему вычислительная система CRAY-1 при цикле 12,5 нс обладала большим быстродействием скалярной обработки по сравнению с вычислительной системой CYBER-205, у которой цикл был равен 20 нс.