Архитектура современных суперЭВМ

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ

ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИЕРСИТЕТ)

Студентки группы.

1998 г.

Архитектура современных суперЭВМ

Диалектическая спираль развития компьютерных технологий совершила свой очередной виток - опять, как и десять лет назад, в соответстви и 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.

Что такое суперЭВМ? Компьютеры с производительностью свыше 10 000 млн. теоретических операций в сек. (MTOPS), согласно определению Госдепартамента США, считаются суперкомпьютерами.

Следует отметить и другие основные признаки, характеризующие суперЭВМ, сре-ди которых кроме высокой производительности:

• самый современный технологический уровень (например, GaAs-технология);

• специфические архитектурные решения, направленные на повышение быстродей- ствия (например, наличие операций над векторами);

• цена, обычно свыше 1-2 млн. долл.

Вместе с тем, существуют компьютеры, имеющие все перечисленные выше ха-рактеристики суперЭВМ, за исключением цены, которая для них составляет от не-скольких сотен до 2 млн. долларов. Речь идет о мини-суперЭВМ, обладающим вы-сокой производительностью, уступающей, однако, большим суперЭВМ. При этом у минисуперкомпьютеров, как правило, заметно лучше соотношение це-на/производительность и существенно ниже эксплуатационные расходы: система охлаждения, электропитания, требования к площади помещения и др. С точки зре-ния архитектуры минисуперкомпьютеры не представляют собой некоторое осо-бенное направление, поэтому в дальнейшем они отдельно не рассматриваются.

Сферы применения суперкомпьютеров

Для каких применений нужна столь дорогостоящая техника? Может показаться, что с ростом производительности настольных ПК и рабочих станций, а также сер-веров, сама потребность в суперЭВМ будет снижаться. Это не так. С одной сторо-ны, целый ряд приложений может теперь успешно выполняться на рабочих стан-циях, но с другой стороны, время показало, что устойчивой тенденцией является появление все новых приложений, для которых необходимо использовать супер-ЭВМ.

Прежде всего следует указать на процесс проникновения суперЭВМ в совер-шенно недоступную для них ранее коммерческую сферу. Речь идет не только ска-жем, 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 систе-мы поддержки принятия решений и организация информационных складов. Ко-нечно, можно сказать, что для работы с подобными приложениями в первую оче-редь необходимы высокая производительность ввода-вывода и быстродействие при выполнении целочисленных операций, а компьютерные системы, наиболее оптимальные для таких приложений, например, MPP-системы Himalaya компании Tandem, SMP-компьютеры SGI CHAL ENGE, AlphaServer 8400 от DEC - это не со-всем суперЭВМ. Но следует вспомнить, что такие требования возникают, в част-ности, со стороны ряда приложений ядерной физики, например, при обработке ре-зультатов экспериментов на ускорителях элементарных частиц. А ведь ядерная фи-зика - классическая область применения суперЭВМ со дня их возникновения.

Как бы то ни было, наметилась явная тенденция к сближению понятий "мэйн-фрейм", "многопроцессорный сервер" и "суперЭВМ". Нелишне заметить, что это происходит на фоне начавшегося во многих областях массированного перехода к централизации и укрупнению в противоположность процессу разукрупненияи де-централизации.

Традиционной сферой применения суперкомпьютеров всегда были научные ис-следования: физика плазмы и статистическая механика, физика конденсированных сред, молекулярная и атомная физика, теория элементарных частиц, газовая дина-мика и теория турбулентности, астрофизика. В химии - различные области вычис-лительной химии: квантовая химия (включая расчеты электронной структуры для целей конструирования новых материалов, например, катализаторов и сверхпро-водников), молекулярная динамика, химическая кинетика, теория поверхностных явлений и химия твердого тела,конструирование лекарств. Естественно, что ряд областей применения находится на стыках соответствующих наук, например, хи-мии и биологии, и перекрывается с техническими приложениями. Так, задачи ме-теорологии, изучение атмосферных явлений и, в первую очередь, задача долго-срочного 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, укажем на задачи аэрокосмической и автомобильной промыш-ленности, ядерной энергетики, предсказания и разработки месторождений полез-ных ископаемых, нефтедобывающей и газовой промышленности (в том числе про-блемы эффективной эксплуатации месторождений, особенно трехмерные задачи их исследования), и, наконец, конструирование новых микропроцессоров и ком-пьютеров, в первую очередь самих суперЭВМ.

Суперкомпьютеры традиционно применяются для военных целей. Кроме оче-видных задач разработки оружия массового уничтожения и конструирования са-молетов и ракет, можно упомянуть, например, конструирование бесшумных под-водных 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 достиг-нуть в каждом конкретном случае, например, долгосрочный прогноз погоды. Ко второму можно отнести задачи, для которых характерен быстрый рост вычисли-тельных затрат с увеличением размера исследуемого объекта. Например, в кванто-вой химии неэмпирические расчеты электронной структуры молекул требуют за-трат вычислительных ресурсов, пропорциональных N^4 или И^5, где N условно характеризует размер молекулы. Сейчас многие молекулярные системы вынужден-но исследуются в упрощенном модельном представлении. Имея в резерве еще бо-лее крупные молекулярные образования (биологические системы, кластеры и т.д.), квантовая химия дает пример приложения, являющегося "потенциально бесконеч-ным" 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 че-ловек просто не в состоянии обработать. Здесь во многих случаях необходимо об-ратиться к графической форме представления информации. В любом случае возни-кает задача транспортировки информации по компьютерной сети. Решению этого комплекса проблем в последнее время уделяется все большее внимание. В частно-сти, знаменитый Национальный центр суперкомпьютерных приложений США (NCSA) совместно с компанией Silicon Graphics ведет работы по программе "су-перкомпьютерного окружения будущего". В этом проекте предполагается интег-рировать возможности суперкомпьютеров POWER CHALLENGE и средств визуа-лизации компании SGI со средствами информационной супермагистрали.

Архитектура современных суперЭВМ

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 компью-теры фон Неймана) принадлежат обычные скалярные однопроцессорные системы: одиночный поток команд - одиночный поток данных (SISD). Персональный ком-пьютер имеет архитектуру SISD, причем не важно, используются ли в ПК конвейе-ры для ускорения выполнения операций.

Второй класс характеризуется наличием одиночного потока команд, но множе-ственного nomoka данных (SIMD). К этому архитектурному классу принадлежат однопроцессорные векторные или, точнее говоря, векторно-конвейерные супер-компьютеры, например, Cray-1. 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, например, знаменитый в свое время

ILLIAC-IV. Они также имеют векторные команды и реализуют векторную обра-ботку, но не посредством конвейеров, как в векторных суперкомпьютерах, а с по-мощью матриц процессоров.

К третьему классу - MIMD - относятся системы, имеющие множественный по-ток команд и множественный поток данных. К нему принадлежат не только мно-гопроцессорные векторные суперЭВМ, но и вообще все многопроцессорные