Суперкомпьютеры

Муниципальное общеобразовательное учреждение-

Средняя общеобразовательная школа №204

«Суперкомпьютеры - вчера, сегодня, завтра.

Функции, особенности, роль в современной жизни,

принципы архитектура»

Исполнитель: Карлушин Никита Сергеевич,

11 класс

Руководитель: Данилина Ирина Исаковна

Екатеринбург,

2003

Оглавление:

1. Введение. История развития персональных ЭВМ.

2. Краткие описания процессоров:

2.1. 8088

2.2. 80286

2.3. 80386

2.4. 80486

2.5. Линейка процессоров Pentium

3. СуперЭВМ:

3.1. Что такое суперкомпьютеры?

3.2. Для чего они необходимы?

3.3. Принципы обработки данных:

3.3.1. Параллельная обработка.

3.3.2. Конвейерная обработка.

3.4. Современные суперкомпьютеры

3.4.1. Векторно-конвейерные компьютеры

3.4.2. Массивно-параллельные компьютеры с распределённой памятью

3.4.3. Параллельные компьютеры с общей памятью

3.4.4. Кластерные компьютеры

3.4.5. Виртуальная многопроцессорность

3.5. СуперЭВМ в России

3.6. СуперЭВМ за рубежом

4. Заключение.

Введение

На сегодняшний день информационные технологии и электронно-вычислительная техника играют очень большую роль в нашей жизни. Но потребности общества растут практически с каждым днем, и, соответственно, уровень производительности компьютеров возрастает также быстро. За какие-то 50 лет производительность компьютеров возросла в несколько раз, да и это еще мягко сказано.

Какие-то 35 лет назад пределом технического совершенства был простейший калькулятор, и переход компании с арифмометра на «электронно-вычислительную технику» очень поднимал престиж организации. И никому и в голову не могло придти, что произойдет через пару десятилетий. Что через пару десятков лет компьютер, хотя и очень простой, будет стоять не только в каждой уважающей себя фирме, компании, офисе, предприятии, но и во многих квартирах. Что его можно будет использовать не только для решения сложнейших задач, но и для обучения, общения и развлечений. И тем более никто и не мог подумать о развитии электронно-вычислительной техники до того уровня, на котором она находится сегодня.

Хотя, в принципе, такая ситуация существует и сейчас. Несколько лет назад мои знакомые обратились к нескольким программистам с просьбой написать программу, составляющую расписание занятий для общеобразовательного учреждения. Им ответили, что такую программу создать невозможно, так как в ней будет задействовано столь огромное количество переменных, что процессор просто не сможет выполнить задачу. Сегодня программами, составляющими расписание, торгуют многие компании по созданию программного обеспечения, причем за сравнительно низкую плату, и это уже никого не удивляет. Излишне говорить, что сегодняшние персональные компьютеры отлично справляются с задачей, поставленной программистами.

Если рассматривать более глобальные проблемы, можно вспомнить о, например, прогнозировании погоды. Лет 25-30 назад, все данные рассчитывались метеорологами вручную, соответственно, и погрешность в измерениях была столь высокой, что «прогнозы погоды» на деле оказывались лишь предсказаниями. Сегодня же ученые в состоянии не только точно прогнозировать климат в отдельном регионе, но и составлять общемировую сводку погоды, как ото делается, например, при расчете траектории движения торнадо в США.

В 1969 году в корпорацию Intel поступил заказ на специализированные микросхемы для бухгалтерских калькуляторов, появившихся после «технической революции» - создания микропроцессора, над которым трудились все инженеры этой, только что созданной, компании. Тогда, в рамках данного заказа Гордоном Муром и Робертом Нойсом был создан однокристальный микропроцессор, предназначенный для применения в калькуляторах, получивший название 4004 (4-разрядная шина данных и 16-контактный корпус). Для того времени это было величайшим изобретением компьютерщиков.

Краткие технические описания различных процессоров

Процессор 8088, родоначальник большинства процессоров для персональных компьютеров, состоял из 29 тысяч транзисторов, производился по 3-микронной технологии и имел общую площадь подложки 33 кв.мм. Для сравнения, современный процессор Pentium 4 состоит из 42 млн. транзисторов, производится по 0,18-микронному техпроцессу и имеет площадь, равную 217 кв.мм.

После этого началось, можно сказать, стремительное развитие ЭВМ. Теперь они, вместо здания, подвала или комнаты, занимали лишь часть помещения, а то и умещались на столе (начиная с компьютеров на базе процессора 80286). Единственным недостатком было отсутствие возможности постоянного хранения информации, но и эта проблема была решена американскими учеными, в году разработавшими проект под кодовым названием «винчестер».

Начиная с процессора 80286, в Intel Architecture появляется защищенный режим. В нем содержимое сегментных регистров используется в качестве указателей на таблицы дескрипторов, которые давали возможность 24-разрядной адресации, что составляло 16 мегабайт адресного пространства. К тому же, появилась возможность проверки границ сегментов, опций read и execute-only для сегментов и 4 уровня защиты кода операционной системы от приложений и защита приложений друг от друга.

А Intel 80386 стал первым 32-разрядным процессором. В архитектуру введены 32-разрядные регистры общего назначения, подходящие как для хранения адресов, так и для операндов. Нижняя и верхняя половина сохранили возможность работы в качестве самостоятельных регистров для обеспечения совместимости с предыдущими процессорами. Для обеспечения эффективного выполнения кода, созданного под ранние процессоры, на 32-разрядных процессорах, был введен виртуальный х86 режим. Имея 32-разрядную шину адреса, 80386 процессор поддерживал адресацию до 4 гигабайт памяти. При этом была возможность использования как сегментированной памяти, так и «плоской», при которой все сегментные регистры содержали указатель на один и тот же адрес, и в каждом сегменте доступно все 4-х гигабайтное адресное пространство.

Для виртуального управления памятью вводится страничный метод, при котором адресное пространство делится на фиксированные страницы размером по 4 килобайта, эффективность которого значительно превышала использование сегментов. 16-разрядные инструкции, доставшиеся в наследство от предыдущих процессоров, получили возможность работы с 32-разрядными операндами и адресами, а также был добавлен ряд новых 32-разрядных инструкций. В поисках новых технологий для увеличения быстродействия, в 80386 впервые реализована возможность параллельной работы нескольких блоков процессора.

Процессор же 80486, на мой взгляд, стал родоначальником современных суперкомпьютеров, так как в нем использовался принцип конвейерной обработки информации, блестяще реализованный в современных, наиболее мощных ЭВМ. В данной модели это был пяти-стадийный конвейер, в котором каждая стадия, по мере надобности, выполнятся параллельно с другими, исполняя до пяти команд на разных стадиях работы. Конвейерные микропроцессоры выполняют команды подобно сборочной линии: полная обработка каждой инструкции занимает несколько тактов, но, разбивая процесс на несколько этапов, и начиная выполнение следующей команды сразу вслед за тем, как предыдущая команда пройдет первый этап, можно быстро выдать несколько завершенных команд. При этом нельзя не отметить и такие технологические инновации, как 8-килобайтный кэш первого уровня в чипе для обеспечения полноценной загрузки конвейера, интегрированный х87 сопроцессор, а также расширения для поддержки внешнего кэша 2-го уровня и многопроцессорных систем. 486-й микропроцессор обладал достаточным для того времени быстродействием.

Чуть выше я несколько раз употребил термин «кэш», и мне хотелось бы расшифровать этот термин для тех, кто никогда не сталкивался в данным понятием. Кэш (от англ. cashe – сверхоперативная память) – очень быстрая и очень дорогая память, служащая буфером между процессором и оперативной памятью и используемая для хранения излишка информации.

Немного позже началось самое активное развитие персональных ЭВМ. Появились процессоры Pentium, Pentium Pro, Pentium II, Pentium III и, наконец, Pentium IV. Кроме тактовой частоты и количества кэш-памяти они не имели серьёзных различий, поэтому я не буду подробно останавливаться на каждом из них. Достаточно лишь сказать, что частота работы процессора изменилась с 75 MHz до современных значений – более 2 GHz, то есть, более чем в двадцать пять раз. Частота шины изменилась с 33 MHZ до 800 MHz, а вот количество кэш-памяти по большей части не изменилось – 512 Kb, хотя также выпускаются процессоры со 128 Kb кэша, стоящие в два раза дешевле; кроме того, на сегодняшний день, существует конкурирующая с Intel’ом и выпускающая два типа процесcоров – Athlon и Duron, но с ними наблюдается та же ситуация, что и с Intel’ом – процессорами Pentium и Celeron. Но одновременно с этим началось активное развитие и тех устройств, о которых я и хочу рассказать – суперкомпьютеров, или суперЭВМ.

Суперкомпьютеры

Что же вообще такое – суперкомпьютеры?

Считается, что супер-ЭВМ - это компьютеры с максимальной