Вычислительный комплекс
Концепция построения реконфигурируемого вычислителя.
Наиболее перспективный подход при разработке компактных высокопроизводительных вычислительных комплексов основывается на концепции построения реконфигурируемых многопроцессорных вычислительных систем. Суть этой концепции заключается в том, что архитектура вычислительной системы должна иметь возможность адаптироваться под структуру решаемой задачи. Фактически это означает, что пользователю должна быть предоставлена возможность программировать проблемно-ориентированные многопроцессорные вычислительные системы, структура которых адекватна решаемой ими задаче. При этом достигается высокая реальная производительность вычислительной системы на широком классе задач, а также почти линейный рост производительности при увеличении числа процессоров.
В отличие от многопроцессорных вычислительных систем с «жесткой» архитектурой, в частности, кластерных суперЭВМ, архитектура реконфигурируемых систем может изменяться в процессе ее функционирования.
Область применения:
Отличительные особенности вычислительного комплекса:
Состав вычислительного комплекса
Вычислительный комплекс состоит из совокупности УВМ и модулей периферийных устройств, объединенных между собой высокоскоростной коммуникационной сетью. В основе построения системы лежит принцип модульного наращивания. Наращивание вычислительной мощности осуществляется за счет добавления УВМ. Основными элементами УВМ являются кристаллы с большой степенью интеграции. Это программируемая логическая интегральная схема, ПЛИС с аппаратными процессорными ядрами PowerPC и Цифровые Сигнальные Процессоры (DSP).
В состав УВМ включены ПЛИС последних поколений. Они содержат встроенные аппаратные процессорные ядра PowerPC и специализированные арифметические и DSP-блоки. Этот современный подход, называется «Система на кристалле». Активное применение процессорных ядер позволяет создавать мощные вычислительные системы, и при этом существенно сократить сроки проектирования за счёт использования уже отлаженных алгоритмов, написанных на традиционных языках программирования. Кроме того, процессорные ядра поддерживают возможность загрузки операционных систем реального времени. Операционная система может выполнять функции управления, мониторинга и решать ряд вычислительных задач. Вспомогательные функции операционной системы могут при необходимости использоваться любым модулем или узлом, размещённым непосредственно в ПЛИС. Многие операционные системы имеют стандартные механизмы взаимодействия с другими процессорными ядрами системы. Это позволяет организовывать микрокластерные структуры с расширяемой вычислительной средой.
К преимуществам цифрового процессора относятся: быстрая конвейерная обработка потоковой информации, быстрое вычисление стандартных математических операций (например, преобразования Фурье для обработки радиолокационного сигнала, полученного от радара), ориентированность на работу с числами с плавающей точкой. Но в отличие от ПЛИС, процессор, в зависимости от выполняемой задачи, задействует только часть своих компонентов (регистров, АЛУ, схем ввода/вывода). При смене задачи задействуются другие компоненты и в другом составе, но всегда загруженность процессора будет составлять лишь часть от его потенциальных возможностей.
Важная характеристика любого модуля вычислителя – организация оперативной памяти, с которой работают вычислительные узлы. Оперативная память может быть: разделяемой для всех узлов; распределенной — доступной только для процессоров своего узла; распределенной разделяемой — доступной для процессоров своего узла и из других узлов.
Вычислительный комплекс:
Универсальный вычислительный модуль.
УВМ, имеет три варианта построения:
Аппаратный. (к оглавлению)
В состав аппаратного УВМ входят четыре микросхемы ПЛИС, реализующих алгоритм функционирования вычислителя с помощью системы аппаратных процессоров согласно общего графа состояния задачи. Система связей объединяет все ПЛИС на основе топологии каждый с каждым с помощью 50 каналов LVDS (максимальная скорость передачи по одному каналу LVDS – 1 Гигабит в секунду) и последовательного интерфейса RapidIO (максимальная скорость передачи 6.25 Гигабит в секунду). Каждая ПЛИС соединена с модулем памяти общим объемом 1Гб. Общая емкость памяти УВМ 4Гб. Каждая ПЛИС имеет отдельный канал Ethernet для обеспечения мониторинга и диагностики вычислительного процесса.
Все ПЛИС входящие в состав УВМ имеют выход на общий разъем PCI Express, который является внешним периферийным разъемом УВМ. Вычислительный ресурс представляет собой распределенную систему аппаратных процессоров, работа которых определена общим графом состояния системы. Реальный граф состояния системы строится на основе конкретного алгоритма функционирования устройства, с помощью специальных САПР. Для ПЛИС фирмы Altera такой САПР является QUARTUS, в составе которой находится инструмент построения графов состояния конечных автоматов. Это средство разработки позволяет строить состояния конечного автомата графическим и текстовым способом, вводить графы состояния центрального процессора и подграфы состояния связанных с центральным процессором устройств (блоков).
Аппаратно-программный. (к оглавлению)
УВМ имеющий аппаратно-программный вариант построения имеет аналогичную архитектуру, но вместо ПЛИС имеющих только аппаратные ресурсы, устанавливаются ПЛИС содержащие в своей архитектуре один или несколько встроенных аппаратных RISC процессоров и аппаратные вычислительные ресурсы. На основе операционной системы реального времени все аппаратные RISC процессоры объединяются в программный мини кластер. Используются стандартные средства разработки программного обеспечения.
Программный. (к оглавлению)
Архитектура программного УВМ, отличается тем, что вместо ПЛИС устанавливается DSP процессор. Программный УВМ целесообразно использовать в проектах использующих большой объем вычислений с плавающей точкой. Максимальная производительность одного модуля состоящего из четырех DSP процессоров 14.4 GFLOPS. DSP объединены между собой с помощью высокоскоростных последовательных каналов и составляют единый вычислительный ресурс, который представляет собой мини кластер под управлением операционной системы реального времени. DSP связаны с внешними УВМ и периферийными устройствами последовательным каналом PCI Express.
Возможен вариант комплексного использования УВМ.
Модуль периферийных устройств (к оглавлению).
Модуль периферийных устройств вычислителя предназначен для обеспечения ввода-вывода данных. В основу модуля заложен высокоскоростной последовательный интерфейс PCI Express. Преобразование PCI Express в другой вид интерфейса осуществляется с помощью специальных микросхем PCI Express мостов.
Кросс плата на основе PCI Express. PICMG EXP.0 R1.0 (к оглавлению).
Кросс плата представляет собой последовательный коммутатор структуры связей и предназначена для объединения всех модулей расположенных в вычислителе по спецификации PCI Express. PICMG EXP.0 R1.0 (специально разработана для жестких условий эксплуатации). Имеет в своем составе мост PCI Express-PCI для подключения стандартных периферийных модулей формата PCI PICMG 2.0. Топология объединения модулей задается с помощью PCI Express SWITCH.
Вычислительные комплексы и сети
Обработка информации при помощи ЭВМ развивается по двум направлениям:
· с использованием вычислительных комплексов;
· с использованием вычислительных сетей.
Вычислительные комплексы служат для повышения производительности и надежности обработки информации. Они объединяют несколько ЭВМ, территориально расположенных в одном месте, и делятся на два типа:
· многомашинные комплексы (несколько самостоятельных ЭВМ, в том числе и резервных, объединенных общим управлением);
· многопроцессорные комплексы (несколько процессоров, работающих с одной общей памятью с различными возможными типами доступа к ней).
Использование вычислительных комплексов позволяет разделить поставленную задачу на несколько подзадач (если это позволяет сама задача) и решать их параллельно.
Вычислительная или компьютерная сеть (КС)– это совокупность ПО и компьютеров, соединенных с помощью каналов связи и специального сетевого оборудования (см. далее) в единую систему для распределённой обработки данных.
Компьютерные сети могут классифицироваться по разным критериям. Например, по территориальному признаку, т.е. по масштабу охвата территории, сети делят на локальные (LAN – Local Area NetWork), региональные (MAN – Metropolia Area NetWork) и глобальные (WAN – Wide Area NetWork):
— локальные сети, как правило, размещаются в одном здании или на территории одного предприятия (примером локальной сети является локальная сеть в учебном классе);
— региональные сети объединяют несколько предприятий или город (примером сетей такого типа является сеть кабельного телевидения);
— глобальные сети охватывают значительную территорию, часто целую страну или континент, и представляют собой объединение сетей меньшего размера (примером глобальной сети является сеть Интернет).
Информация в сети передаётся по каналам связи, которые могут быть:
· кабельными каналами (телефонный кабель, витая пара, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель);
· модемы (при подключении через телефонную сеть);
· сетевые адаптеры (при подключении к одному каналу);
· мультиплексоры (при подключении к нескольким каналам),
Компьютерные сети используются в следующих целях:
· совместного использования ресурсов (данных, оборудования, программ);
· обеспечения надёжного хранения данных (в разных местах);
· для передачи данных между удалёнными друг от друга пользователями.
Взаимодействие в КС происходит по определенным правилам – протоколам, которые обеспечивают подключение к сети разнотипных ЭВМ с различными ОС.
Основные характеристики компьютерных сетей:
· скорость передачи (Мбит/с);
· достоверность передачи информации (ошибок/знак);
· надёжность (среднее время безотказной работы в сетях).
Компьютеры сети могут быть серверами и клиентами (рабочими станциями).
Сервер – компьютер, обеспечивающий пользователей сети ресурсами (оборудованием, данными и программами, выполняющими задания пользователей). Серверы могут быть файловыми (предназначены для хранения и обработки большого объема данных для всех пользователей), выделенными (на них устанавливается общая сетевая ОС и общие внешние устройства – принтеры, модемы, винчестеры т.п.), а также – одновременно файловыми и выделенными.
Клиент – компьютер, через который пользователь получает доступ к сети.
Компьютеры, объединенные в локальную сеть, физически могут располагаться различным образом. Однако порядок их подсоединения к сети определяется топологией – усредненной геометрической схемой соединений узлов сети.
Наиболее распространенными топологиями локальных сетей, в которых передающей средой является кабель, являются кольцо, шина, звезда (рисунки 14, 15 и 16).
Топология кольцо предусматривает соединение узлов сети замкнутым контуром и используется для построения сетей, занимающих чаще всего сравнительно небольшое пространство. Выход одного узла сети соединяется с входом другого. Информация по кольцу передаются от узла к узлу в одном направлении. Каждый промежуточный узел ретранслирует посланное сообщение. Принимающий узел распознает и получает только адресованное ему послание.
Последовательная организация обслуживания узлов сети снижает ее быстродействие, а выход из строя одного из узлов может привести к нарушению функционирования кольца (при отсутствии дополнительного контура).
Данная топология значительно упрощает взаимодействие узлов сети друг с другом, но в то же время работоспособность локальной вычислительной сети зависит от надежности работы центрального узла.
При построении реальных вычислительных сетей используются эти топологии, а так же их сочетания.
Сеть Интернет
Протоколы Интернета можно разделить на два типа:
1) базовые (обеспечивают физическую передачу сообщений между узлами в сети – протоколы нижнего уровня):
2) прикладные (обеспечивают функционирование служб сети Интернет – протоколы высокого уровня):
· протокол HTTP – служит для передачи гипертекстовых документов;
· протокол FTP – используется для передачи файлов;
· протокол SMTP – используется для передачи электронной почты.
Каждому компьютеру, подключенному к сети Интернет (даже временно), присваивается числовой адрес, называемый IP-адресом. IP-адрес содержит информацию, необходимую для идентификации узла в сети. Он состоит из четырех чисел, разделенных точками.
IP-адрес трудно запоминаем пользователем, поэтому некоторые узлы в сети Интернет имеют символьные DNS-адреса (Domain Name System – система доменных имен), например, www.site.net. В сети Интернет существуют специальные DNS-серверы, которые по DNS-адресу выдают его IP-адрес. DNS-адрес может иметь произвольную длину, образуется как символьный адрес в локальной сети и включает в себя несколько уровней доменов. Уровни доменов разделяются точками. Самый правый домен – домен верхнего уровня. Чем левее домен, тем ниже его уровень.
Для доступа к ресурсам расположенных в сети компьютеров используется унифицированный указатель ресурса – URL (Uniform Resource Locator). Адрес URL является сетевым расширением понятия полного имени ресурса, например, файла или приложения и пути к нему в ОС. В адресе URL, кроме имени файла и директории, где он находится, указывается сетевое имя компьютера, на котором этот ресурс расположен, и протокол доступа к ресурсу, который можно использовать для обращения к нему. Ресурсы предоставляются только для чтения и копирования.
Основные популярные сервисы сети Интернет:
· почтовая служба (e-mail);
· информационный сервис (www);
· служба передачи файлов (ftp).
Web-сайт широкой тематики, содержащий сотни тысяч страниц и различные дополнительные сервисы (новости, почта, обсуждение, голосование и др.) – портал.
Сайт, содержащий самостоятельно обновляемую пользователем информацию личного характера – блог.
Сайт, на котором можно общаться (и не только в реальном времени) по определённой тематике – форум.
Средство общения в реальном времени – чат.
FTP-сервис используется для удобной передачи файлов большого размера (программ, изображений, видеофайлов). Хранятся такие файлы на специальных ftp-серверах, для доступа к которым используются специальные программы, пересылающие файлы по ftp-протоколу (file transfer protocol – протокол передачи файлов).
Лекция 7.
Базы данных
Данные – информация, зафиксированная в определённой форме, пригодной для обработки, хранения, передачи.
База данных (БД) – совокупность определенным образом связанных данных, описывающая некоторую предметную область (часть реального мира, представляющую интерес для исследования и использования). База данных – современная форма хранения и доступа к информации. Базы данных предназначены для централизованного накопления и коллективного многоцелевого использования информации. Их использование позволяет ускорить процесс поиска и обработки информации, существенно уменьшить документооборот.
Основные требования, предъявляемые к базам данных:
3) отсутствие дублирования;
4) актуальность информации;
5) защищённость от разрушения;
6) возможность быстрого и полного восстановления.
Данные хранятся в БД в соответствии с моделью данных. Существуют различные типы моделей данных, например: сетевая, иерархическая, реляционная. Наибольшее распространение получила реляционная модель, в которой данные хранятся в виде двумерных таблиц.
Что такое вычислительные комплексы
Электронные облака
Лекции
Рабочие материалы
Тесты по темам
Template tips
Задачи
Логика вычислительной техники и программирования
Лекция «Вычислительные системы»
Понятие вычислительной системы
В связи с кризисом классической структуры ЭВМ дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и (или) ЭВМ. Здесь появляются огромные возможности совершенствования средств вычислительной техники. Но следует отметить, что при несомненных практических достижениях в области параллельных вычислений, до настоящего времени отсутствует их единая теоретическая база.
Под вычислительной системой (ВС) понимают совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации.
Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.
Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет операционная система ВС.
Классификация вычислительных систем
Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы.
Взаимодействие на уровне оперативной памяти (ОП) сводится к программной реализации общего поля оперативной памяти, что несколько проще, но также требует существенной модификации ОС. Под общим полем имеется в виду равнодоступность модулей памяти: все модули памяти доступны всем процессорам и каналам связи.
На уровне каналов связи взаимодействие организуется наиболее просто и может быть достигнуто внешними по отношению к ОС программами-драйверами, обеспечивающими доступ от каналов связи одной машины к внешним устройствам других (формируется общее поле внешней памяти и общий доступ к устройствам ввода-вывода).
Все вышесказанное иллюстрируется схемой взаимодействия компьютеров в двухмашинной ВС, представленной на рис. 1.
Рис. 1. Схема взаимодействия компьютеров в двухмашинной ВС
Ввиду сложности организации информационного взаимодействия на 1-м и 2-м уровнях в большинстве многомашинных ВС используется 3-й уровень, хотя и динамические характеристики (в первую очередь быстродействие), и показатели надежности таких систем существенно ниже.
Многопроцессорные системы (МПС) содержат несколько процессоров, информационно взаимодействующих между собой либо на уровне регистров процессорной памяти, либо на уровне ОП. Этот тип взаимодействия используется в большинстве случаев, ибо организуется значительно проще и сводится к созданию общего поля оперативной памяти для всех процессоров. Общий доступ к внешней памяти и устройствам ввода-вывода обеспечивается обычно через каналы ОП. Важным является и то, что многопроцессорная вычислительная система работает под управлением единой ОС, общей для всех процессоров. Это существенно улучшает динамические характеристики ВС, но требует наличия специальной, весьма сложной ОС.
Однако МПС имеют и существенные недостатки. Они, в первую очередь, связаны с использованием ресурсов общей оперативной памяти. При большом количестве объединяемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, в которых несколько процессоров обращаются с операциями типа ”чтение” и ”запись” к одним и тем же ячейкам памяти. Помимо процессоров к ОП подключаются все процессоры ввода-вывода, средства измерения времени и т.д. Поэтому вторым серьезным недостатком МПС является проблема коммутации и доступа абонентов к ОП. Процедуры взаимодействия очень сильно усложняют структуру ОС МПС. Опыт построения подобных систем показал, что они эффективны при небольшом числе объединяемых процессоров (от 2 до 10). Схема взаимодействия процессоров в ВС показана на схеме рис. 2. Типичным примером массовых многомашинных ВС могут служить компьютерные сети, примером многопроцессорных ВС — суперкомпьютеры.
Рис. 2. Схема взаимодействия процессоров в ВС
Неоднородная ВС включает в свой состав различные типы компьютеров или процессоров. При построении системы приходится учитывать их различные технические и функциональные характеристики, что существенно усложняет создание и обслуживание неоднородных систем.
В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет известную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и, в частности, сетей ЭВМ, интерес к децентрализованным системам постоянно растет.
В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса, исходя из сложившейся ситуации.
По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций. В зависимости от типа ВС следует решать задачи статического или динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования.
На рис. 3 представлена принципиальная схема классификации вычислительных систем.
Рис. 3. Принципиальная схема классификации вычислительных систем.
Суперкомпьютеры и особенности их архитектуры
К суперкомпьютерам относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов — десятки миллиардов операций в секунду. Создать такие высокопроизводительные компьютеры на одном микропроцессоре (МП) не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленного конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/с), т.к. 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).
Рис. 3. Условные структуры однопроцессорной (SISD) и названных многопроцессорных ВС
Кластерные суперкомпьютеры и особенности их архитектуры
Существует технология построения больших компьютеров и суперкомпьютеров 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 кластеру с помощью специальных аппаратных и программных интерфейсов обычные серийные серверы до тех пор, пока не будет получен суперкомпьютер требуемой мощности. Кластеризация позволяет манипулировать группой серверов как одной системой, упрощая управление и повышая надежность.
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 использованием дисковых систем RAID для памяти внешней (SMP — Shared Memory multiprocessing, технология мультипроцессирования с разделением памяти).
Для создания кластеров обычно используются либо простые однопроцессорные персональные компьютеры, либо двух- или четырех- процессорные SMP-серверы. При этом не накладывается никаких ограничений на состав и архитектуру узлов. Каждый из узлов может функционировать под управлением своей собственной операционной системы. Чаще всего используются стандартные ОС: Linux, FreeBSD, Solaris, Unix, Windows NT. В тех случаях, когда узлы кластера неоднородны, то говорят о гетерогенных кластерах.
1 пример из «жизни» систем
Blue Gene будет состоять из 130 тысяч процессоров, и его производительность будет составлять 360 терафлопс.
Чипы IBM используются в системе, неформально называемой Big Mac. PowerPC 970 состоит из 1100 двухпроцессорных компьютеров Apple G5, занимая в общем списке третью строчку, с производительностью в 10,3 триллионов операций в секунду.
Процессоры Opteron используются в 2816-процессорном кластере, и его производительность составляет 8 триллионов операций в секунду.
Интересен факт, что общая производительность 500 лучших систем растет экспоненциально, увеличиваясь в десять раз примерно каждые четыре года. Порог в 1000 терафлопов (триллионов операций в секунду) планируется достигнуть к 2005 году.
