Курсовая ЭВМ и суперкомпьютеры
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-25Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Министерство образования РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого
Кафедра " ПОВТ "
Курсовая работа
По дисциплине “Информатика”
Персональные компьютеры и суперкомпьютеры: общее и отличия
Выполнил:
Проверил:
Преподаватель Архипова С.В.
Великий Новгород
Содержание
1.Введение………………………………………………………………-3-
2. Суперкомпьютеры…………………………………………………...-5-
2.1. Архитектура современных СуперЭВМ…………………….....-6-
2.2. Сферы применения суперкомпьютеров……………………...-11-
2.3. Суперкомпьютеры в Росси…………………………………....-13-
3. Персональные компьютеры………………………………………..-15-
3.1. Архитектура современных персональных компьютеров … .-15-
3.2. Сферы применения персональных компьютеров……………-20-
4. Заключение…………………………………………………………..-22-
Используемая литература……………………………………………...-23-
Введение
В настоящее время большое место в нашей жизни отведено различным устройствам, предназначенным для создания комфорта в быту, облегчения выполнения работы и т.д. Одним из таких устройств является компьютер.
Слово "компьютер" означает "вычислитель", т.е. устройство для вычислений. Это связано с тем, что первые компьютеры создавались как устройства для вычислений, грубо говоря, как усовершенствованные, автоматические арифмометры. Принципиальное отличие компьютеров от арифмометров и других счетных устройств состояло в том, что арифмометры могли выполнять лишь отдельные вычислительные операции (сложение, вычитание, деление, умножение), а компьютеры позволяют проводить без участия человека сложные последовательности вычислительных операций по заранее заданной инструкции - программе. Кроме того, для хранения данных, промежуточных и итоговых результатов вычислений компьютеры содержат память.
Хотя компьютеры создавались для численных расчетов, скоро оказалось, что они могут обрабатывать и другие виды информации. Для обработки различной информации на компьютере надо иметь средства для преобразования нужного вида информации в числовую форму и обратно. Сейчас с помощью компьютеров не только проводятся числовые расчеты, но и подготавливаются к печати книги, создаются рисунки, кинофильмы, музыка, осуществляется управление заводами и космическими кораблями и т.д. Компьютеры превратились в универсальные средства обработки информации.
Диалектическая спираль развития компьютерных технологий совершила свой очередной виток - опять, как и десять лет назад, в соответствии с требованиями жизни, в моду входят суперкомпьютерные архитектуры. Безусловно, это уже не те монстры, которые помнят ветераны - новые технологии и требовательный рынок коммерческих применений существенно изменили облик современного суперкомпьютера, Теперь это не огромные шкафы с уникальной аппаратурой, вокруг которой колдуют шаманы от информатики, а вполне эргономичные системы с унифицированным программным обеспечением, совместимые со своими младшими собратьями. Рассмотрим основные области применения суперЭВМ и проанализируем особенности различных типов архитектур, характерных для современных суперкомпьютеров.
Корректно перечислить основные признаки, характеризующие суперЭВМ, среди которых кроме высокой производительности следует отметить:
· самый современный технологический уровень (например, GaAs-технология);
· специфические архитектурные решения, направленные на повышение быстродействия (например, наличие операций над векторами);
· высокая цена (по некоторым оценкам, цена суперкомпьютера # 1 в мире NEC Earth Simulator составляет около 250--300 млн. долл).
Вместе с тем, существуют компьютеры, имеющие все перечисленные выше характеристики суперЭВМ, за исключением цены, которая для них составляет от нескольких сотен до 2 млн. долларов. Речь идет о мини-суперЭВМ, обладающим высокой производительностью, уступающей, однако, большим суперЭВМ. При этом у минисуперкомпьютеров, как правило, заметно лучше соотношение цена/производительность и существенно ниже эксплуатационные расходы: система охлаждения, электропитания, требования к площади помещения и др. Данные компьютеры ориентированы на менее крупные вычислительные центры - уровня факультета, а не всего университета или корпорации. Примеры таких ЭВМ - Cray J90, Convex C38XX и, возможно, C4/XA. К ним можно отнести, также и современные суперкомпьютерные системы на базе RISC-микропроцессоров, например, IBM SP2, SGI POWER CHALLENGE, DEC AlphaServer 8200/8400 и др.
С точки зрения архитектуры минисуперкомпьютеры не представляют собой некоторое особенное направление, поэтому в дальнейшем они отдельно не рассматриваются.
2. Суперкомпьютеры
Суперкомпьютеры и в самом деле имеют право на существование. Теперь нужно прояснить, по всей видимости, основной вертящийся на языке вопрос - почему они считают так быстро? Вариантов ответа может быть несколько, среди которых два имеют явное преимущество: развитие элементной базы и использование новых решений в архитектуре компьютеров.
Попробуем разобраться, какой из факторов является решающим в достижении современных фантастических показателей производительности. Для разрешения этого вопроса обратимся к историческим фактам. Известно, что на компьютере EDSAC (
Что же получается? Производительность компьютеров за этот период выросла в приблизительно в десять миллионов раз. Уменьшение времени такта является прямым способом увеличением производительности, однако эта составляющая (с 2мкс до 4нс) в общем объеме дает вклад лишь в 500 раз. Откуда же взялось остальное? Ответ очевиден - использование новых решений в архитектуре компьютеров, среди которых основное место занимает принцип параллельной обработки данных.
Данный принцип, воплощая идею одновременного выполнения нескольких действий, имеет две разновидности: конвейерность и собственно параллельность. Оба вида параллельной обработки интуитивно понятны, поэтому сделаем лишь небольшие пояснения.
Параллельная обработка. Если некое устройство выполняет одну операцию за единицу времени, то тысячу операций оно выполнит за тысячу единиц. Если предположить, что есть пять таких же независимых устройств, способных работать одновременно, то ту же тысячу операций система из пяти устройств может выполнить уже не за тысячу, а за двести единиц времени. Аналогично система из N устройств ту же работу выполнит за 1000/N единиц времени. Подобные аналогии можно найти и в жизни: если один солдат вскопает огород за 10 часов, то рота солдат из пятидесяти человек с такими же способностями, работая одновременно, справятся с той же работой за 12 минут - принцип параллельности в действии!
Конвейерная обработка. Что необходимо для сложения двух вещественных чисел, представленных в форме с плавающей запятой? Целое множество мелких операций таких, как сравнение порядков, выравнивание порядков, сложение мантисс, нормализация и т.п. Процессоры первых компьютеров выполняли все эти "микрооперации" для каждой пары аргументов последовательно одна за одной до тех пор, пока не доходили до окончательного результата, и лишь после этого переходили к обработке следующей пары слагаемых.
Идея конвейерной обработки заключается в выделении отдельных этапов выполнения общей операции, причем каждый этап, выполнив свою работу, передавал бы результат следующему, одновременно принимая новую порцию входных данных. Получаем очевидный выигрыш в скорости обработки за счет совмещения прежде разнесенных во времени операций. Предположим, что в операции можно выделить пять микроопераций, каждая из которых выполняется за одну единицу времени. Если есть одно неделимое последовательное устройство, то 100 пар аргументов оно обработает за 500 единиц. Если каждую микрооперацию выделить в отдельный этап (или иначе говорят - ступень) конвейерного устройства, то на пятой единице времени на разной стадии обработки такого устройства будут находиться первые пять пар аргументов, а весь набор из ста пар будет обработан за 5+99=104 единицы времени - ускорение по сравнению с последовательным устройством почти в пять раз (по числу ступеней конвейера).
Казалось бы, конвейерную обработку можно с успехом заменить обычным параллелизмом, для чего продублировать основное устройство столько раз, сколько ступеней конвейера предполагается выделить. В самом деле, пять устройств предыдущего примера обработают 100 пар аргументов за 100 единиц времени, что быстрее времени работы конвейерного устройства! В чем же дело? Ответ прост, увеличив в пять раз число устройств, мы значительно увеличиваем как объем аппаратуры, так и ее стоимость. Представьте себе, что на автозаводе решили убрать конвейер, сохранив темпы выпуска автомобилей. Если раньше на конвейере одновременно находилась тысяча автомобилей, то действуя по аналогии с предыдущим примером надо набрать тысячу бригад, каждая из которых (1) в состоянии полностью собрать автомобиль от начала до конца, выполнив сотни разного рода операций, и (2) сделать это за то же время, что машина прежде находилась на конвейере. Сегодня параллелизмом в архитектуре компьютеров уже мало кого удивишь. Все современные микропроцессоры (Pentium IV) используют тот или иной вид параллельной обработки. На презентациях новых чипов и в пресс-релизах корпораций это преподносится как последнее слово техники и передовой край науки, и это действительно так, если рассматривать реализацию этих принципов именно в рамках одного кристалла.
Вместе с тем, сами эти идеи появились очень давно. Изначально они внедрялись в самых передовых, а потому единичных, компьютерах своего времени. Затем после должной отработки технологии и удешевления производства они спускались в компьютеры среднего класса, и, наконец, сегодня все это в полном объеме воплощается в рабочих станциях и персональных компьютерах.
2.1. Архитектура современных суперЭВМ
Рассмотрим типичные архитектуры суперЭВМ, широко распространенных сегодня, и приведем классическую систематику Флинна.
В соответствии с ней, все компьютеры делятся на четыре класса в зависимости от числа потоков команд и данных. К первому классу (последовательные компьютеры фон Неймана) принадлежат обычные скалярные однопроцессорные системы: одиночный поток команд - одиночный поток данных (SISD). Персональный компьютер имеет архитектуру SISD, причем не важно, используются ли в ПК конвейеры для ускорения выполнения операций.
Второй класс характеризуется наличием одиночного потока команд, но множественного потока данных (SIMD). К этому архитектурному классу принадлежат однопроцессорные векторные или, точнее говоря, векторно-конвейерные суперкомпьютеры. В этом случае мы имеем дело с одним потоком (векторных) команд, а потоков данных - много: каждый элемент вектора входит в отдельный поток данных. К этому же классу вычислительных систем относятся матричные процессоры. Они также имеют векторные команды и реализуют векторную обработку, но не посредством конвейеров, как в векторных суперкомпьютерах, а с помощью матриц процессоров.
К третьему классу - MIMD - относятся системы, имеющие множественный поток команд и множественный поток данных. К нему принадлежат не только многопроцессорные векторные суперЭВМ, но и вообще все многопроцессорные компьютеры. Подавляющее большинство современных суперЭВМ имеют архитектуру MIMD.
Четвертый класс в систематике Флинна, MISD, не представляет практического интереса, по крайней мере, для анализируемых нами компьютеров. В последнее время в литературе часто используется также термин SPMD (одна программа - множественные данные). Он относится не к архитектуре компьютеров, а к модели распараллеливания программ и не является расширением систематики Флинна. SPMD обычно относится к MPP (т.е. MIMD) - системам и означает, что несколько копий одной программы параллельно выполняются в разных процессорных узлах с разными данными.
Интересно также упомянуть о принципиально ином направлении в развитии компьютерных архитектур - машинах потоков данных. В середине 80-х годов многие исследователи полагали, что будущее высокопроизводительных ЭВМ связано именно с компьютерами, управляемыми потоками данных, в отличие от всех рассмотренных нами классов вычислительных систем, управляемых потоками команд. В машинах потоков данных могут одновременно выполняться сразу много команд, для которых готовы операнды. Хотя ЭВМ с такой архитектурой сегодня промышленно не выпускаются, некоторые элементы этого подхода нашли свое отражение в современных суперскалярных микропроцессорах, имеющих много параллельно работающих функциональных устройств и буфер команд, ожидающих готовности операндов.
В соответствии с классификацией Флинна, рассмотрение архитектуры суперЭВМ следовало бы начать с класса SISD. Однако все векторно-конвейерные (в дальнейшем - просто векторные) суперЭВМ имеют архитектуру "не меньше" SIMD. Что касается суперкомпьютерных серверов, использующих современные высокопроизводительные микропроцессоры, таких как SGI POWER CHALLENGE на базе R8000 или DEC AlphaServer 8200/8400 на базе Alpha 21164, то их минимальные конфигурации бывают однопроцессорными. Однако, если не рассматривать собственно архитектуру этих микропроцессоров, то все особенности архитектуры собственно серверов следует анализировать в "естественной" мультипроцессорной конфигурации. Поэтому начнем анализ суперкомпьютерных архитектур сразу с класса SIMD.
Векторные суперкомпьютеры [SI
M
D]
Среди современных суперЭВМ эту архитектуру имеют однопроцессорные векторные суперкомпьютеры. Практически все они выпускаются также в мультипроцессорных конфигурациях, относящихся к классу MIMD. Однако многие особенности архитектуры векторных суперЭВМ можно понять, рассматривая даже однопроцессорные системы.
Типичная схема однопроцессорного векторного суперкомпьютера представлена на примере FACOM VP-200 японской фирмы Fujitsu . Похожую архитектуру имеют и другие векторные суперкомпьютеры, например, фирм Cray Research и Convex . Общим для всех векторных суперкомпьютеров является наличие в системе команд векторных операций, например, сложение векторов, допускающих работу с векторами определенной длины, допустим, 64 элемента по 8 байт. В таких компьютерах операции с векторами обычно выполняются над векторными регистрами, что, однако, совсем не является обязательным. Наличие регистров маски позволяет выполнять векторные команды не над всеми элементами векторов, а только над теми, на которые указывает маска.
Конечно, в конкретных реализациях векторной архитектуры в различных суперкомпьютерах имеются свои модификации этой общей схемы. Так, например, в вычислительных системах серии VP компании Fujitsu аппаратно реализована поддержка возможности реконфигурации файла векторных регистров - можно, например, увеличить длину векторных регистров с одновременным пропорциональным уменьшением их числа.
Что касается скалярной обработки, то соответствующая подсистема команд в японских суперкомпьютерах Fujitsu и Hitachi совместима с IBM/370, что имеет очевидные преимущества. При этом для буферизации скалярных данных используется традиционная кэш-память. Напротив, компания Cray Research, начиная с Сгау-1, отказалась от применения кэш-памяти. Вместо этого в ее компьютерах используются специальные программно-адресуемые буферные В- и Т-регистры. И лишь в последней серии, Cray T90, была введена промежуточная кэш-память для скалярных операций. Отметим, что на тракте оперативная память - векторные регистры промежуточная буферная память отсутствует, что вызывает необходимость иметь высокую пропускную способность подсистемы оперативной памяти: чтобы поддерживать высокую скорость вычислений, необходимо быстро загружать данные в векторные регистры и записывать результаты обратно в память.
Но некоторые векторные суперЭВМ, например, IBM ES/9000, работают с операндами-векторами, расположенными непосредственно в оперативной памяти. Скорее всего, такой подход является менее перспективным с точки зрения производительности, в частности, потому, что для поддержания высокого темпа вычислений для каждой векторной команды требуется быстрая выборка векторных операндов из памяти и запись результатов обратно.
Многопроцессорные векторные суперкомпьютеры (MIMD)
Все упомянутые векторные суперкомпьютеры выпускаются в многопроцессорных конфигурациях, которые относятся уже к классу MIMD.
В архитектуре многопроцессорных векторных компьютеров можно отметить две важнейшие характеристики: симметричность (равноправность) всех процессоров системы и разделение всеми процессорами общего поля оперативной памяти. Подобные компьютерные системы называются сильно связанными. Если в однопроцессорных векторных ЭВМ для создания эффективной программы ее надо векторизовать, то в многопроцессорных появляется задача распараллеливания программы для ее выполнения одновременно на нескольких процессорах.
Задача распараллеливания является, пожалуй, более сложной, поскольку в ней необходимо организовать синхронизацию параллельно выполняющихся процессов. Практика показала возможности эффективного распараллеливания большого числа алгоритмов для рассматриваемых сильно связанных систем. Соответствующий подход к распараллеливанию на таких компьютерах называется иногда моделью разделяемой общей памяти.
Многопроцессорные SMP-серверы на базе микропроцессоров RISC-архитектуры [MIMD]
Производительность некоторых современных микропроцессоров RISC-архитектуры стала сопоставимой с производительностью процессоров векторных компьютеров. Как следствие этого, появились использующие эти достижения суперЭВМ новой архитектуры, - сильно связанные компьютеры класса MIMD, представляющие собой симметричные многопроцессорные серверы с общим полем оперативной памяти. Этим перспективным системам имеет смысл уделить больше внимания, чем другим компьютерным архитектурам, поскольку соответствующий круг вопросов в отечественной компьютерной литературе обсуждался недостаточно полно.
Наиболее известные суперкомпьютерные серверы, имеющие подобную SMP-архитектуру - DEC AlphaServer 8200/8400 и SGI POWER CHALLENGE . Для них характерно применение высокопроизводительной системной шины, в слоты которой вставляются модули трех типов - процессорные, оперативной памяти и ввода-вывода. Обычные, более медленные шины ввода-вывода, например, PCI или VME64, подсоединяются уже к модулям ввода-вывода. Очевидно, что подобная конструкция обладает высокой степенью модульности и легко позволяет производить наращивание конфигурации, которое ограничивается только доступным числом слотов системной шины и ее производительностью.
В модулях памяти обычно используется технология DRAM, что позволяет достигнуть больших объемов памяти при относительно низкой цене. Однако скорость обмена данными между процессорами и памятью в таких серверах во много раз ниже, чем пропускная способность аналогичного тракта в векторных суперЭВМ, где оперативная память строится на более дорогой технологии ЯВАМ. В этом состоит одно из основных отличий в подходах к суперкомпьютерным вычислениям, применяемым для многопроцессорных векторных ЭВМ и SMP-серверов. Во первых обычно имеется относительно небольшое число векторных регистров, поэтому, как уже отмечалось, для поддержания высокой производительности необходимо быстро загружать в них данные или, наоборот, записывать из них информацию в оперативную память. Таким образом, требуется высокая производительность тракта процессор-память.
В SMP-серверах пропускная способность модулей памяти гораздо ниже, а общая скорость обмена данными с процессорными модулями ограничивается также (хотя и высокой) пропускной способностью шины. К тому же системная шина может быть занята передачей данных за счет работы модулей ввода-вывода. Поэтому в SMP-серверах разработчики стремятся уменьшить саму потребность в обменах данными. С этой целью вместо маленького по величине объема памяти векторных регистров (именно поэтому они требуют достаточно частой перезагрузки) микропроцессоры в суперкомпьютерных SMP-системах снабжаются кэш - памятью очень большого размера. В результате для очень широкого спектра приложений удается достичь поставленной цели.
Кластеры [MIMD]
Кластеры являются самым дешевым способом наращивания производительности уже инсталлированных компьютеров. Фактически кластер представляет собой набор из нескольких ЭВМ, соединенных через некоторую коммуникационную инфраструктуру. В качестве такой структуры может выступать обычная компьютерная сеть, однако из соображений повышения производительности желательно иметь высокоскоростные соединения (FDDI/ATM/HiPPI и т.п.). Кластеры могут быть образованы как из различных компьютеров, так и из одинаковых (гомогенные кластеры). Очевидно, что все такие системы относятся к классу MIMD. Кластеры являются классическим примером слабо связанных систем.
Преимуществом кластерного подхода по сравнению с SMP-серверами является улучшение возможностей масштабирования. В отличие от серверов SMP-архитектуры, где наращивание конфигурации ограничено пропускной способностью шины, добавление компьютеров в кластер позволяет увеличивать пропускную способность оперативной памяти и подсистем ввода-вывода.
В кластерных системах для организации взаимодействия между процессами, выполняющимися на разных компьютерах при решении одной задачи, применяются различные модели обмена сообщениями (PVM, MPI и т.п.). Однако задача распараллеливания в таких системах с распределенной между отдельными компьютерами памятью в рамках этих моделей является гораздо более сложной, чем в модели общего поля памяти, как например, в SMP-серверах. К этому следует добавить чисто аппаратные проблемы наличия задержек при обменах сообщениями и повышения скорости передачи данных. Поэтому спектр задач, которые могут эффективно решаться на кластерных системах, по сравнению с симметричными сильно связанными системами достаточно ограничен. Для параллельной обработки запросов к базам данных в подобных системах также имеются свои собственные подходы.
МРР-системы (MIMD)
Основным признаком, по которому систему относят к архитектуре MPP, является число процессоров (n). Строгой границы не существует, но обычно считается, что при n >= 128 - это уже МРР, а при n <= 32 - еще нет.
Вовсе не обязательно, чтобы MPP-система имела распределенную оперативную память, при которой каждый процессорный узел имеет свою локальную память. Так, например, компьютеры SPP1000/XA и SPP1200/XA - пример систем с массовым параллелизмом, память которых физически распределена между гиперузлами, но логически является общей для всей ЭВМ. Тем не менее, большинство MPP-компьютеров имеют как логически, так и физически распределенную память.
В любом случае MPP-системы принадлежат к классу MIMD. Если говорить об MPP-компьютерах с распределенной памятью и отвлечься от организации ввода-вывода, то эта архитектура является естественным расширением кластерной на большое число узлов. Поэтому для таких систем характерны все преимущества и недостатки кластеров. Причем в связи с повышенным числом процессорных узлов как плюсы, так и минусы становятся гораздо весомее
Благодаря масштабируемости, именно MPP-системы являются сегодня лидерами по достигнутой производительности компьютера. С другой стороны, проблемы распараллеливания в MPP-системах по сравнению с кластерами, содержащими немного процессоров, становятся еще более трудно разрешимыми. Кроме того, приращение производительности с ростом числа процессоров обычно вообще довольно быстро убывает. Легко нарастить теоретическую производительность ЭВМ, но гораздо труднее найти задачи, которые сумели бы эффективно загрузить процессорные узлы.
Сегодня не так уж много приложений могут эффективно выполняться на MPP-компьютере, кроме этого имеется еще проблема переносимости программ между MPP-системами, имеющими различную архитектуру. Предпринятая в последние годы попытка стандартизации моделей обмена сообщениями еще не снимает всех проблем. Эффективность распараллеливания во многих случаях сильно зависит от деталей архитектуры MPP-системы, например топологии соединения процессорных узлов.
Самой эффективной была бы топология, в которой любой узел мог бы напрямую связаться с любым другим узлом. Однако в MPP-системах это технически трудно реализуемо.
Время передачи информации от узла к узлу зависит от стартовой задержки и скорости передачи. В любом случае за время передачи процессорные узлы успевают выполнить много команд, и это соотношение быстродействия процессорных узлов и передающей системы, вероятно, будет сохраняться - прогресс в производительности процессоров гораздо больше, чем в пропускной способности каналов связи. Поэтому инфраструктура каналов связи является одного из главных компонентов MPP-компьютера.
Несмотря на все сложности, сфера применения MPP-компьютеров понемногу расширяется. Различные MPP-системы эксплуатируются во многих ведущих суперкомпьютерных центрах мира, что наглядно следует из списка ТОР500. Кроме уже упоминавшихся, следует особенно отметить компьютеры Cray T3D и Cray ТЗЕ, которые иллюстрируют тот факт, что мировой лидер производства векторных суперЭВМ, компания Cray Research, уже не ориентируется исключительно на векторные системы. Наконец, нельзя не вспомнить, что новейший суперкомпьютерный проект министерства энергетики США будет основан на MPP-системе на базе Pentium Pro.
2.2. Сферы применения суперкомпьютеров
Для каких применений нужна столь дорогостоящая техника? Может показаться, что с ростом производительности настольных ПК и рабочих станций, а также серверов, сама потребность в суперЭВМ будет снижаться. Это не так. С одной стороны, целый ряд приложений может теперь успешно выполняться на рабочих станциях, но с другой стороны, время показало, что устойчивой тенденцией является появление все новых приложений, для которых необходимо использовать суперЭВМ.
Прежде всего следует указать на процесс проникновения суперЭВМ в совершенно недоступную для них ранее коммерческую сферу. Речь идет не только скажем, о графических приложениях для кино и телевидения, где требуется все та же высокая производительность на операциях с плавающей запятой, а прежде всего о задачах, предполагающих интенсивную (в том числе, и оперативную) обработку транзакций для сверхбольших БД. В этот класс задач можно отнести также системы поддержки принятия решений и организация информационных складов. Конечно, можно сказать, что для работы с подобными приложениями в первую очередь необходимы высокая производительность ввода-вывода и быстродействие при выполнении целочисленных операций, а компьютерные системы, наиболее оптимальные для таких приложений, - это не совсем суперЭВМ. Но следует вспомнить, что такие требования возникают, в частности, со стороны ряда приложений ядерной физики, например, при обработке результатов экспериментов на ускорителях элементарных частиц. А ведь ядерная физика - классическая область применения суперЭВМ со дня их возникновения.
Как бы то ни было, наметилась явная тенденция к сближению понятий "мэйнфрейм", "многопроцессорный сервер" и "суперЭВМ". Нелишне заметить, что это происходит на фоне начавшегося во многих областях массированного перехода к централизации и укрупнению в противоположность процессу разукрупнения и децентрализации.
Традиционной сферой применения суперкомпьютеров всегда были научные исследования: физика плазмы и статистическая механика, физика конденсированных сред, молекулярная и атомная физика, теория элементарных частиц, газовая динамика и теория турбулентности, астрофизика. В химии - различные области вычислительной химии: квантовая химия (включая расчеты электронной структуры для целей конструирования новых материалов, например, катализаторов и сверхпроводников), молекулярная динамика, химическая кинетика, теория поверхностных явлений и химия твердого тела, конструирование лекарств. Естественно, что ряд областей применения находится на стыках соответствующих наук, например, химии и биологии, и перекрывается с техническими приложениями. Так, задачи метеорологии, изучение атмосферных явлений и, в первую очередь, задача долгосрочного прогноза погоды, для решения которой постоянно не хватает мощностей современных суперЭВМ, тесно связаны с решением ряда перечисленных выше проблем физики. Среди технических проблем, для решения которых используются суперкомпьютеры, задачи аэрокосмической и автомобильной промышленности, ядерной энергетики, предсказания и разработки месторождений полезных ископаемых, нефтедобывающей и газовой промышленности (в том числе проблемы эффективной эксплуатации месторождений, особенно трехмерные задачи их исследования), и, наконец, конструирование новых микропроцессоров и компьютеров, в первую очередь самих суперЭВМ.
Суперкомпьютеры традиционно применяются для военных целей. Кроме очевидных задач разработки оружия массового уничтожения и конструирования самолетов и ракет, можно упомянуть, например, конструирование бесшумных подводных лодок и др. Самый знаменитый пример - это американская программа СОИ. Уже упоминавшийся MPP-компьютер Министерства энергетики США будет применяться для моделирования ядерного оружия, что позволит вообще отменить ядерные испытания в этой стране.
Анализируя потенциальные потребности в суперЭВМ существующих сегодня приложений, можно условно разбить их на два класса. К первому можно отнести приложения, в которых известно, какой уровень производительности надо достигнуть в каждом конкретном случае, например, долгосрочный прогноз погоды. Ко второму можно отнести задачи, для которых характерен быстрый рост вычислительных затрат с увеличением размера исследуемого объекта. Например, в квантовой химии неэмпирические расчеты электронной структуры молекул требуют затрат вычислительных ресурсов, пропорциональных N^4 или N^5, где N условно характеризует размер молекулы. Сейчас многие молекулярные системы вынужденно исследуются в упрощенном модельном представлении. Имея в резерве еще более крупные молекулярные образования (биологические системы, кластеры и т.д.), квантовая химия дает пример приложения, являющегося "потенциально бесконечным" пользователем суперкомпьютерных ресурсов.
Есть еще одна проблема применения суперЭВМ, о которой необходимо сказать - это визуализация данных, полученных в результате выполнения расчетов. Часто, например, при решении дифференциальных уравнений методом сеток, приходится сталкиваться с гигантскими объемами результатов, которые в числовой форме человек просто не в состоянии обработать. Здесь во многих случаях необходимо обратиться к графической форме представления информации. В любом случае возникает задача транспортировки информации по компьютерной сети. Решению этого комплекса проблем в последнее время уделяется все большее внимание. В частности, знаменитый Национальный центр суперкомпьютерных приложений США (NCSA) совместно с компанией Silicon Graphics ведет работы по программе "суперкомпьютерного окружения будущего". В этом проекте предполагается интегрировать возможности суперкомпьютеров POWER CHALLENGE и средств визуализации компании SGI со средствами информационной супермагистрали.
2.3. Суперкомпьютеры в России
СуперЭВМ являются национальным достоянием, и их разработка и производство несомненно должны быть одним из приоритетов государственной технической политики стран, являющихся мировыми лидерами в области науки и техники. Блестящим примером глубокого понимания всего комплекса соответствующих проблем является статья известного нобелевского лауреата в области физики К. Вильсона. Опубликованная свыше десять лет назад, она и сейчас представляет интерес для российского читателя.
Практически единственными странами, разрабатывающими и производящими суперЭВМ в больших масштабах, являются США и Япония. Свои суперкомпьютеры были созданы в Индии и Китае. Большинство развитых стран, в том числе и ряд государств Восточной Европы, предпочитают использовать суперкомпьютеры, произведенные в США и Японии.
Во всемирный процесс активизации рынка высокопроизводительных вычислений (HPC) все активнее включается и Россия. В 2003 году компании Arbyte и Kraftway при поддержке корпорации Intel объявили о создании своих Центров компетенции на базе платформы Intel, деятельность которых, в том числе, будет направлена и на построение НРС-систем. Кроме того, компании Intel и IBM сообщили о том, что компания Paradigm, ведущий поставщик технологий для обработки геолого-геофизических данных и проектирования бурения для нефтегазовой отрасли, модернизировала свой расположенный в Москве центр обработки сейсмических данных, установив серверный кластер IBM из 34 двухпроцессорных серверов на базе процессоров Intel Xeon. Новая система ускорила работу ресурсоемких вычислительных приложений Paradigm за счет применения кластерных технологий на базе ОС Linux. Новые возможности проведения более точных расчетов, несомненно, увеличат конкурентоспособность российских нефтяных компаний на мировом рынке.
Следует также упомянуть российско-белорусскую компьютерную программу «СКИФ», в рамках которой в 2003 году был создан кластер «СКИФ К-500» с пиковой производительностью более 700 миллиардов операций в секунду. Кластер установлен в Объединенном институте проблем информатики Национальной академии наук Беларуси, который выполнил окончательную сборку и наладку системы. Кластер используется для высокопроизводительных вычислений в наукоемких отраслях промышленности, биологии, медицине, генетике, геологоразведке, для контроля за окружающей средой, прогнозирования погоды, решения транспортных и многих других задач. «СКИФ К-500» построен на основе 128 процессоров Intel Xeon, которые объединены в 64 двухпроцессорных вычислительных узла.
В июне
«Мы давно работаем с системами на базе 64-разрядной архитектуры Intel, и наши тесты показывают наилучшую производительность процессоров Intel Itanium 2 на вычислениях с плавающей точкой. На мой взгляд, «СКИФ» – это единственная государственная программа, в рамках которой предпринимаются серьезные шаги по решению проблем отечественной суперкомпьютерной отрасли. Поэтому мы надеемся, что, инвестируя наши разработки и средства в программу «СКИФ», мы вносим свой вклад в развитие отечественной экономики», – отметил директор компании «Т-Платформы» Всеволод Опанасенко.
3. Персональные компьютеры
3.1. Архитектура современных ПК
Основные
блоки
IBM PC
Обычно персональные компьютеры IBM PC состоят из трёх частей (блоков):
1. системного блока;
2. клавиатуры, позволяющей вводить символы в компьютер;
3. монитора (или дисплея) - для изображения текстовой и графической информации.
Компьютеры выпускаются и в портативном варианте - в "наколенном" (лэптоп) или "блокнотом" (ноутбук) исполнении. Здесь системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус: системный блок спрятан под клавиатурой, а монитор сделан как крышка к клавиатуре.
Хотя из этих частей компьютера системный блок выглядит наименее эффектно, именно он является в компьютере "главным". В нем располагаются все основные узлы компьютера:
v электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройства и т.д.);
v блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;
v накопители (или дисководы) для гибких магнитных дисков, используемые для чтения и записи на гибкие магнитные диски (дискеты);
v накопитель на жёстком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъёмный жёсткий магнитный диск (винчестер).
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ
УСТРОЙСТВА
К системному блоку компьютера IBM PC можно подключать различные устройства ввода-вывода информации, расширяя тем самым его функциональные возможности. Многие устройства подсоединяются через специальные гнезда (разъёмы), находящиеся обычно на задней стенке системного блока компьютера. Кроме монитора и клавиатуры, такими устройствами являются, например:
Ø принтер - для вывода на печать текстовой и графической информации;
Ø мышь - устройство, облегчающее ввод информации в компьютер;
Ø джойстик - манипулятор в виде укрепленной на шарнире ручки с кнопкой, употребляется в основном для компьютерных игр.
Ø плоттер - устройство, позволяющее представлять выводимые из компьютера данные в виде рисунка или графика на бумаге. Называют обычно графопостроителем, или плоттером.
Ø диджитайзер - координирующий преобразователь, который используется в основном для задач САПР. В состав диджитайзера помимо самого планшета входит специальный указатель с датчиком, напоминающий авиационный прицел второй мировой войны.
Некоторые устройства могут вставляться внутрь системного блока компьютера:
Ø модем - для обмена информацией с другими компьютерами через телефонную сеть;
Ø факс-модем - сочетает возможность модема и телефакса;
Ø стример - для хранения данных на магнитной ленте.
Некоторые устройства, например, многие разновидности сканеров (приборов для ввода рисунков и текстов в компьютер), используют смешанный способ подключения: в системный блок компьютера вставляется только электронная плата (контроллер), управляющая работой устройства, а само устройство подсоединяется к этой плате кабелем.
ЛОГИЧЕСКОЕ
УСТРОЙСТВО
КОМПЬЮТЕРА
1) МИКРОПРОЦЕССОР
Самым главным элементом в компьютере, его "мозгом", является микропроцессор - небольшая (в несколько сантиметров) электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации. Микропроцессор умеет производить сотни различных операций и делает это со скоростью в несколько десятков или даже сотен миллионов операций в секунду. В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel, а также совместимые с ними микропроцессоры других фирм (AMD, IBM и др.).
2) СОПРОЦЕССОР
В тех случаях, когда на компьютере приходится выполнять много математических вычислений (например, в инженерных расчетах), к основному микропроцессору добавляют математический сопроцессор. Он помогает основному микропроцессору выполнять математические операции над вещественными числами. Новейшие микропроцессоры фирмы Intel (80486 и Pentium) сами умеют выполнять операции над вещественными числами, так что для них сопроцессоры не требуются.
3) ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ
Следующим очень важным элементом компьютера является оперативная память. Именно из неё процессор и сопроцессор берут программы и исходные данные для обработки, в неё они записывают полученные результаты. Название "оперативная" эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Однако содержащиеся в ней данные сохраняются только пока компьютер включен, при выключении компьютера содержимое оперативной памяти стирается (за исключениями, о которых говорится ниже).
4) КОНТРОЛЛЕРЫ И ШИНА
Чтобы компьютер мог работать, необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные. А попадают они туда из различных устройств компьютера - клавиатуры, дисководов для магнитных дисков и т.д. Обычно эти устройства называют внешними, хотя некоторые из них могут находиться не снаружи компьютера, а встраиваться внутрь системного блока, как это описывалось выше. Результаты выполнения программ выводятся на внешние устройства - монитор, диски, принтер и т.д.
Таким образом, для работы компьютера необходим обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом-выводом. Но этот обмен не происходит непосредственно: между любым внешним устройством и оперативной памятью в компьютере имеются целых два промежуточных звена:
1.Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером. Некоторые контроллеры (например, контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами.
2.Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, которую в просторечии обычно называют шиной.
5) ЭЛЕКТРОННЫЕ ПЛАТЫ
Для упрощения подключения устройств электронные схемы IBM PC состоят из нескольких модулей - электронных плат. На основной плате компьютера - системной, или материнской, плате - обычно располагаются основной микропроцессор, сопроцессор, оперативная память и шина. Схемы, управляющие внешними устройствами компьютера (контроллеры или адаптеры), находятся на отдельных платах, вставляющихся в унифицированные разъёмы (слоты) на материнской плате. Через эти разъёмы контроллеры устройств подключаются непосредственно к системной магистрали передачи данных в компьютере - шине. Таким образом, наличие свободных разъёмов шины обеспечивает возможность добавления к компьютеру новых устройств. Чтобы заменить одно устройство другим (например, устаревший адаптер монитора на новый), надо просто вынуть соответствующую плату из разъёма и вставить вместо неё другую. Несколько сложнее осуществляется замена самой материнской платы.
6) БЛОК - СХЕМА
На блок-схеме контроллер клавиатуры обычно находится на системной плате, поскольку это упрощает изготовление компьютера. Иногда на системной плате размещаются и контроллеры других устройств.
7) КОНТРОЛЛЕРЫ ПОРТОВ ВВОДА - ВЫВОДА
Одним из контроллеров, которые присутствуют почти в каждом компьютере, является контроллер портов ввода-вывода. Эти порты бывают следующих типов:
1) параллельные (обозначаемые LPT1-LPT4), к ним обыкновенно подключаются принтеры;
2) асинхронные последовательные (обозначаемые СОМ1-СОМ3). Через них обычно подсоединяются мышь, модем и т.д.
3) игровой порт - для подключения джойстика.
Некоторые устройства могут подключаться и к параллельным, и к последовательным портам. Параллельные порты выполняют ввод и вывод с большей скоростью, чем последовательные (за счет использования большего числа проводов в кабеле).
II. МИКРОПРОЦЕССОР
Микропроцессор является "мозгом" компьютера. Он осуществляет выполнение программ, работающих на компьютере, и управляет работой остальных устройств компьютера. Скорость его работы во многом определяет быстродействие компьютера. В IBM PC используются микропроцессоры, разработанные фирмой Intel, а иногда - совместимые с ними микропроцессоры других фирм.
1) ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОПРОЦЕССОРОВ
Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя характеристиками: типом (моделью) и тактовой частотой. Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту — чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора.
2) ТАКТОВАЯ ЧАСТОТА указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц). Следует заметить, что разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции (например, сложение или умножение) за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем, как правило, меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.
4) ВЫБОР ТИПА МИКРОПРОЦЕССОРА
Быстродействие основного микропроцессора во многом определяет скорость работы всего компьютера и, тем самым, диапазон применения компьютера:
¨компьютеры на основе микропроцессоров Intel-8088 (или Intel-8086) работают очень медленно, они уже полностью устарели и почти полностью вышли из употребления;
¨компьютеры на основе микропроцессора Intel-80286 обеспечивают необходимое быстродействие для набора текстов, ввода исходных данных для бухгалтерских и аналогичных задач, многих компьютерных игр и т.д. Однако новые компьютеры такого класса уже не выпускаются (поскольку считаются морально устаревшими), а покупать их вряд ли целесообразно даже по бросовым ценам, так как для работы с большинством современных программ с графическим интерфейсом (например, с программами, выполняемыми в среде Windows) они практически не пригодны;
¨компьютеры на основе микропроцессоров Intel - 80386SX и DX, Intel-80486SX обеспечивают приемлемую вычислительную мощность для большинства рабочих мест под управлением как DOS, так и Windows: для программирования, работы с не очень большими базами данных, макетирования (верстки) несложных изданий и т.д. Однако для комфортной работы в среде Windows лучше приобрести более мощный компьютер;
¨микропроцессоры Intel-80486DX и DX2 применяются для тех задач, где требуется высокое быстродействие компьютера: для файл-серверов больших локальных сетей, для профессиональных издательских, графических или анимационных программ, для решения серьезных вычислительных задач и т. д. А для пользователей, постоянно работающих с компьютером, может быть целесообразно приобретение компьютера на основе Intel-80486DX или DX2 даже и в том случае, если они используют самые обычные программы типа Word for Windows 6.0, Excel 5.0 и т.д., поскольку эти микропроцессоры сейчас стоят не намного дороже Intel-80386 и 80486SX, а обеспечивают заметно большую производительность;
¨микропроцессоры Pentium и рассчитанные на его использование системные платы целесообразно применять для таких приложений, как воспроизведение видеоизображений в реальном времени, большие задачи трехмерного проектирования и моделирования, создания мощных файл-серверов и многопроцессорных систем.
III. Виды памяти
1) ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ
Эта память состоит из двух частей. Первые 640 Кбайт памяти могут использоваться прикладными программами и операционной системой. Остальные адреса памяти ("верхняя память") зарезервированы для служебных целей:
¨для хранения части операционной системы DOS, которая обеспечивает тестирование компьютера, начальную загрузку операционной системы, а также выполнение основных низкоуровневых услуг ввода-вывода;
¨для передачи изображения на экран;
¨для хранения различных расширений операционной системы, которые поставляются вместе с дополнительными устройствами компьютера.
Как правило, когда говорят об объёме оперативной памяти компьютера, то имеют в виду именно первую её часть, которая может использоваться прикладными программами и операционной системой. Мы тоже будем в дальнейшем поступать таким образом.
2) КЭШ - ПАМЯТЬ
Для достаточно быстрых компьютеров необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будет простаивать, и быстродействие компьютера уменьшится. Для этого такие компьютеры могут оснащаться кэш-памятью, т.е. "сверхоперативной" памятью относительно небольшого объема, в которой хранятся наиболее часто используемые участки оперативной памяти. Кэш-память располагается "между" микропроцессором и оперативной памятью, и при обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные содержаться в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается.
3.2. Сферы применения компьютеров.
В настоящее время широкую огласку получила всемирная компьютерная сеть InterNet.
InterNet это общемировая совокупность компьютерных сетей, связывающая между собой миллионы компьютеров. Зародышем ее была распределенная сеть ARPAnet, которая была создана по заказу Министерства обороны США для связи между собой компьютеров этого министерства.
Разработанные принципы организации этой сети оказались настолько удачными, что многие другие организации (особенно университеты и государственные учреждения) стали создавать собственные сети на тех же принципах.
Эти сети стали объединяться между собой, образуя единую сеть. Эта единая сеть и стала называться InterNet.
До середины 90-х годов InterNet. использовалась в основном для пересылки электронных писем и различной информации от одного пользователя к другому и др.
Пользоваться этими возможностями было непросто, поэтому до 1993-94 годов InterNet использовалась только в научной (прежде всего в университетской) среде.
В районе 1993-94 годов ситуация в InterNet в корне переменилась. Причиной этому стало появление в сети новой службы - World Wide Web, в буквальном переводе - всемирной паутины (сокращенно ее называют WWW или Web).Простота использования этой службы привела к тому, что в InterNet стали подключаться самый массовый пользователь - домохозяйки и бизнесмены, преподаватели и студенты и т.д.
Следующей сферой применения компьютеров стала промышленная индустрия. Создание высоконадежных систем управления позволило повсеместно автоматизировать процессы изготовления различных товаров, оборудования, линии сборки в автомобильной промышленности. Процессы автоматизации позволили сократить участие человека в процессе производства до минимума.
Одной из самых дорогих и трудоемких сфер использования компьютеров является военная сфера. Эта сфера с самого начала создания компьютерных систем шла
несколько иным путем. В ней компьютер всегда выступал как оружие или, по крайней мере, как средство управления оружием. В результате этого появились системы управления и наведения ракетными комплексами, наземными и подводными видами оружия. Появились системы обнаружения, отслеживания и поражения вероятного противника.
В быту на основе компьютерных технологий появились так называемые вещи с ограниченным интеллектом. Таким интеллектом обладает почти вся бытовая аппаратура последнего поколения: стиральные машины, телевизоры, видеомагнитофоны, аудиоаппаратура, микроволновые печи и т.д.
В самих компьютерах произошли значительные изменения. Добавились различные устройства позволяющие слышать музыку, просматривать видеофильмы и т.д. Одним из последних достижений в бытовых персональных компьютерах стало создание звукового редактора текста. Если раньше текст вводился в основном с клавиатуры, то после массового выпуска этого редактора, текст можно будет вводить голосом.
Благодаря быстродействию компьютеров появились электронные переводчики, обладающие к тому же памятью на десятки тысяч слов и выражений. Такой переводчик в течение нескольких секунд может переводить тексты и выражения, облегчая общение между людьми говорящими на разных языках.
В сфере правоохранительных органов компьютер значительно облегчил идентификацию и поиск преступников. Если раньше идентификация преступника по отпечаткам пальцев занимала от нескольких часов до нескольких недель, то сейчас, благодаря компьютеризации и созданию базы данных, эта операция занимает всего несколько секунд или минут.
В киноиндустрии компьютер позволил создавать такие эффекты о которых раньше и не задумывались. Знаменитый фильм "Парк юрского периода" на 80% состоит из компьютерной графики, то же самое можно сказать о многих фильмах и мультфильмах.
Заключение
Сегодня в суперкомпьютерном мире наблюдается новая волна, вызванная как успехами в области микропроцессорных технологий, так и появлением нового круга задач, выходящих за рамки традиционных научно-исследовательских лабораторий. Налицо быстрый прогресс в производительности микропроцессоров RISC-архитектуры, которая растет заметно быстрее, чем производительность векторных процессоров. Подтверждением этого стали результаты рейтинга ТОР500, где лидерами по числу инсталляций стали системы POWER CHALLENGE и SP2, опережающие модели ведущего производителя суперкомпьютеров - компании Cray Research.
Тем не менее, очевидна, будет продолжаться развитие векторных суперЭВМ, по крайней мере от Cray Research. Возможно, оно начинает сдерживаться из-за требований совместимости со старыми моделями. Так, не нашла потребителя система Cray-4 компании Cray Computer, имеющая характеристики конфигурации и производительность, близкие к новейшей системе Cray T90 от Cray Research при в 2 раза более низкой цене, но несовместимая с компьютерами Cray Research. В результате Cray Computer разорилась.
Успешно развиваются системы на базе MPP-архитектур, в том числе с распределенной памятью. Появление новых высокопроизводительных микропроцессоров, использующих дешевую КМОП-технологию, существенно повышает конкурентоспособность данных систем.
Используемая литература
1. Богданов В. ПК 2000 // Компьютер пресс 1999.- №6. – С.12-27.
2. Колесниченко О., Шишигин И. Аппаратные средства PC. 4-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ - Петербург, 2001.
3. Кузминьский М. Волков Д. Современные суперкомпьютеры: состояние и перспективы, СПб.: Питер, 2002.
4. Новиков Ю., Черепанов А. Персональные компьютеры: аппаратура, системы, Интернет: Учеб. курс. - СПб.: Питер, 2001.
