Суперкомпьютеры

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ                                                                                                3

1 ОСНОВНЫЕ ВИДЫ АРХИТЕКТУРЫ                                                  4

1.1 Архитектура SMP                                                                       4

1.2 Архитектура MPP                                                                       4

2 СУПЕРКОМПЬЮТЕРЫ КОМПАНИИ nCube                                       4

2.1 Основные принципы архитектуры                                             5

a) Распределенная память                                                      5

б) Межпроцессорная сеть                                                      5

в) Высокий уровень интеграции                                            6

2.2 Суперкомпьютер nCube 2                                                          7

2.3 Архитектура процессора nCube                                                 8

а) Система ввода/вывода nCube 2                                          9

2.4 Программное обеспечение                                                         10

2.5 Надежность системы nCube 2                                                    10

3 СЕТЬ КАК СУПЕРКОМПЬЮТЕР                                                         11

3.1 Параллельные программы - главный тормоз                            11

3.2 MPI                                                                                             11

3.3 Реализации MPI                                                                          12

3.4 Средства программирования высокого уровня                        13

3.5 Попытка прогноза                                                                      14

4 ПИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУПЕРКОМПЬЮЮТЕРОВ                14

4.1 Моделирование построение белка                                             14

4.2 Виртуальная башня                                                                     14

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА                                                           16

ВВЕДЕНИЕ

С момента появления первых компьютеров одной из основных проблем, стоящих перед разработчиками, была производительность вычислительной системы. За время развития компьютерной индустрии производительность процессора стремительно возрастала, однако появление все более изощренного программного обеспечения, рост числа пользователей и расширение сферы приложения вычислительных систем предъявляют новые требования к мощности используемой техники, что и привело к появлению суперкомпьютеров. Что же такое суперкомпьютеры, и зачем они нужны?

В принципе, суперкомпьютер это обычная вычислительная система, позволяющая производить сложные расчеты за более короткие промежутки времени. О чем собственно и говорит приставка «Супер» (Super в переводе с английского означает: сверх, над). Любая компьютерная система состоит из трех основных компонентов - центрального процессора, то есть счетного устройства, блока памяти и вторичной системы хранения информации (к примеру, в виде дисков или лент). Ключевое значение имеют не только технические параметры каждого из этих элементов, но и пропускная способность каналов, связывающих их друг с другом и с терминалами потребителей. Одна из заповедей «Крей рисерч» гласит: «Быстродействие всей системы не превышает скорости самой медленнодействующей ее части». Важным показателем производительности компьютера является степень его быстродействия. Она измеряется так называемыми флопсами - от английского сокращения, обозначающего количество операций с числами, представленными в форме с плавающей запятой, в секунду. То есть за основу берется подсчет - сколько наиболее сложных расчетов машина может выполнить за один миг.

А зачем вообще нужны суперкомпьютеры? На этот вопрос дает ответ представитель компании «Крей рисерч» Вито Бонджорно: Раздвижение границ человеческого знания всегда опиралось на два краеугольных камня, которые не могут, существовать друг без друга, - теорию и опыт. Однако теперь ученые сталкиваются с тем, что многие испытания стали практически невозможными - в некоторых случаях из-за своих масштабов, в других - дороговизны или опасности для здоровья и жизни людей. Тут-то и приходят на помощь мощные компьютеры. Позволяя экспериментировать с электронными моделями реальной действительности, они становятся «третьей опорой» современной науки и производства.

Прошло время, когда создатели суперкомпьютеров стремились обеспечить максимальную производительность любой ценой. Специальные процессоры, дорогостоящая сверхбыстрая память, нестандартное периферийное оборудование - все это обходилось заказчикам в круглую сумму. Приобретали суперкомпьютеры либо предприятия ВПК, либо крупные университеты. И те, и другие делали это, как правило, за государственный счет. Окончание "холодной войны" и последовавшее за ним сокращение ассигнований на военные и околовоенные нужды нанесли серьезный удар по производителям суперкомпьютеров. Большинство из них были поглощены изготовителями менее производительной, но более доступной и ходовой вычислительной техники. Впрочем, у этих слияний были и технологические предпосылки - быстродействие серийно выпускаемых микропроцессоров постоянно росло, и производители суперкомпьютеров быстро переориентировались на них, что позволило существенно сократить общую стоимость разработки. Основной упор стал делаться на увеличение числа процессоров и повышение степени параллелизма программ.

1 ОСНОВНЫЕ ВИДЫ АРХИТЕКТУРЫ

Известно, что сегодня существуют две основные архитектуры параллельных компьютеров: симметричные мультипроцессорные системы с общей памятью (SMP) и мультипроцессорные системы с распределенной памятью (MPP).

1.1 Архитектура SMP

Основное преимущество SMP - относительная простота программирования. В ситуации, когда все процессоры имеют одинаково быстрый доступ к общей памяти, вопрос о том, какой из процессоров какие вычисления будет выполнять, не столь принципиален, и значительная часть вычислительных алгоритмов, разработанных для последовательных компьютеров, может быть ускорена с помощью распараллеливающих и векторизирующих трансляторов. SMP-компьютеры - это наиболее распространенные сейчас параллельные вычислители, а 2-, 4-х процессорные ПК на основе Pentium и Pentium Pro стали уже массовым товаром. Однако общее число процессоров в SMP-системах, как правило, не превышает 16, а их дальнейшее увеличение не дает выигрыша из-за конфликтов при обращении к памяти. Применение технологий типа UPA, основанной на коммутации пакетов вместо общей шины и локальной кэш-памяти большого объема, способно частично решить проблему, подняв число процессоров до 32.

1.2 Архитектура MPP

Альтернатива SMP - архитектура MPP. Каждый процессор имеет доступ лишь к своей локальной памяти, а если программе нужно узнать значение переменной, расположенной в памяти другого процессора, то задействуется механизм передачи сообщений. Процессор, в памяти которого находятся нужные данные, посылает сообщение тому процессору, которому они требуются, а последний принимает его. Этот подход позволяет создавать компьютеры, включающие в себя тысячи процессоров. На нем основаны все машины, имеющие производительность в сотни миллиардов операций в секунду.

Познакомимся поближе с этой архитектурой и одним из представителей этой архитектуры, суперкомпьютером nCube.

2 СУПЕРКОМПЬЮТЕРЫ КОМПАНИИ nCube

Одним из пионеров в создании MPP-систем стала основанная в 1983 году компания nCube. В 1985 году появился первый ее MPP-компьютер, nCube 1. Система nCube 1, в основе которой, как и в основе всех последующих поколений компьютеров nCube, лежит гиперкубическая топология межпроцессорных соединений и высокий уровень интеграции на базе технологии VLSI, показала рекордные результаты по абсолютной производительности и в соотношении цена/производительность для научных вычислений.

В 1989 году компания nCube выпустила семейство суперкомпьютеров nCube 2. Большие вычислительные возможности, гибкая архитектура и мощное специализированное программное обеспечение позволяют применять системы nCube 2 в широком диапазоне областей - от сложнейших научных задач до управления информацией в бизнесе.

Семейство nCube 2 представляет собой масштабируемую серию систем, производительность которых может достигать 34 GigaFlops. Каждый суперкомпьютер этой серии содержит набор процессоров nCube, соединенных в гиперкубическую сеть. Наибольшую систему составляют 8192 процессора, и ее мощность более чем в 1000 раз превышает мощность наименьшей - с 8 процессорами. Возможности памяти и системы ввода/вывода возрастают вместе с ростом процессорной мощности.

Следующая цель компании nCube - разработка нового семейства Mpp-систем, суперкомпьютеров nCube 3. Новое поколение суперкомпьютеров nCube, следуя принципам высокой интегрируемости и масштабируемости, станет первой промышленно реализованной платформой с производительностью до нескольких TFlops, стопроцентно совместимой с предыдущими поколениями систем nCube.

2.1 Основные принципы архитектуры

 a) Распределенная память

В суперкомпьютерах nCube используется архитектура распределенной памяти, позволяющая оптимизировать доступ к оперативной памяти, вероятно, наиболее критичному ресурсу вычислительной системы.

Традиционные архитектуры с разделенной памятью удобны для систем с небольшим числом процессоров, однако, они плохо масштабируются по мере добавления процессоров и памяти. Когда в системе с разделением памяти увеличивается число процессоров, возрастает конкуренция в использовании ограниченной пропускной способности системной шины, что снижает производительность соединения процессор-память. Кроме того, добавление процессоров в такую систему требует увеличения количества логики для управления памятью, снижая тем самым производительность системы и увеличивая ее цену.

Эти недостатки отсутствуют в системах с распределенной памятью. В такой системе каждый процессор имеет свою собственную локальную память. Потенциальные узкие места, связанные с шиной процессор-память и необходимостью разрабатывать системы управления кэшем, полностью исключаются. С добавлением процессоров добавляется память, пропускная способность соединения процессор-память масштабируется вместе с вычислительной мощностью.

 б) Межпроцессорная сеть

Топология межпроцессорных соединений, обеспечивающая масштабирование до большого числа процессоров без снижения производительности коммуникаций или увеличения времени ожидания, является обязательной для MPP-систем. Суперкомпьютеры nCube используют сетевую топологию гиперкуба, которая отвечает этим требованиям. Соединения между процессорами nCube-системы образуют многомерный куб, называемый гиперкубом. По мере добавления процессоров увеличивается размерность гиперкуба. Соединение двух гиперкубов одинаковой размерности образует гиперкуб следующей размерности. N-мерный гиперкуб содержит 2?n процессоров. Двухмерный гиперкуб - это квадрат. Трехмерный гиперкуб образует обычный куб, а четырехмерный гиперкуб представляет собой куб в кубе. Для семейства суперкомпьютеров nCube 2 гиперкуб максимальной размерности 13 содержит 8192 процессора. В системе nCube 3 число процессоров может достигать 65536 (16-мерный гиперкуб).

Эффективность сетевой топологии измеряется, в частности, числом шагов для передачи данных между наиболее удаленными процессорами в системе. Для гиперкуба максимальное расстояние (число шагов) между процессорами совпадает с размерностью куба. Например, в наибольшем 13-мерном семейства nCube 2 сообщения между процессорами никогда не проходят более 13 шагов. Для сравнения, в 2-мерной конфигурации "mesh" (петля) с числом процессоров, вдвое меньшим числа процессоров в максимальной системе nCube 2, наибольшее расстояние между процессорами составляет 64 шага. Задержки коммуникаций в такой системе значительно увеличиваются. Таким образом, никакая другая топология соединения процессоров не может сравниться с гиперкубом по эффективности. Пользователь может удвоить число процессоров в системе, при этом увеличивая длину пути связи между наиболее удаленными процессорами только на один шаг.

Большое число соединений в гиперкубе создает высочайшую пропускную способность межпроцессорных соединений по сравнению с любой другой сетевой схемой. Большое количество путей передачи данных и компактный дизайн гиперкуба позволяют передавать данные с очень высокой скоростью. Кроме того, гиперкубическая схема характеризуется большой гибкостью, так как она позволяет эмулировать другие популярные топологии, включая деревья, кольца. Таким образом, пользователям nCube-систем гарантируется корректное выполнение приложений, зависящих от других топологий.

 в) Высокий уровень интеграции

Многие преимущества nCube-систем, и, прежде всего высочайшие показатели - надежности и производительности, являются результатом использования технологии VLSI (Very Large Scale Integration - сверхвысокая степень интеграции). В большей степени, чем какие-либо другие факторы, на надежность компьютера влияет число используемых компонентов. Большее число компонентов неминуемо увеличивает вероятность сбоя системы. По этой причине nCube интегрирует все функции процессорного узла на одно VLSI-устройство. VLSI-интеграция также сокращает требуемое число соединений, которые могут оказывать решающее влияние на целостность всей системы.

Высокий уровень интеграции сокращает пути передачи данных, повышая тем самым производительность системы. Интеграция процессорного узла на один чип оставляет свободными для контроля только простые соединения с памятью и сетевые интерфейсы вместо сложных сигналов синхронизации, арбитража и управления. Эти простые соединения тестируются и корректируются с помощью методов контроля четности и ЕСС (Error Correction Code - код коррекции ошибок), упрощая процесс определения и изоляции ошибок.

2.2 Суперкомпьютер nCube 2

Суперкомпьютер nCube 2 масштабируется от 8-процессорных моделей до моделей с 8192 процессорами. Архитектура nCube 2 уравновешивает процессорную мощность, пропускную способность памяти и пропускную способность системы ввода/вывода. Добавление процессоров в систему не влечет за собой появление узких мест в пропускной способности памяти или системы ввода/вывода.

Семейство nCube 2 включает в себя две серии суперкомпьютеров:

— Серия nCube 2S базируется на процессоре nCube 2S с тактовой частотой 25 MHz; предельная производительность 33 MFLOPS - 34 GFLOPS; размер оперативной памяти 32 Мб - 32 Гб;

— Серия nCube 2 базируется на процессоре nCube 2 с тактовой частотой 20 MHz; предельная производительность 26 MFLOPS - 27 GFLOPS; размер оперативной памяти 32 Мб - 32 Гб.

Архитектура суперкомпьютера семейства nCube 2 базируется на гиперкубической сети VLSI - чипов, спаренных с независимыми друг от друга устройствами памяти. Чип, или процессор nCube 2, включает в себя:

- 64-разрядный центральный процессор;

- 64-разрядный модуль вычислений с плавающей точкой;

- удовлетворяющий стандарту IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers - Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике) интерфейс управления памятью с 39-разрядным путем данных 14 двунаправленных каналов DMA (Direct Memory Access - прямой доступ к памяти)

При тактовой частоте 25 МГц процессор имеет скорость 4.1 MFLOPS для вычислений с плавающей точкой одинарной и 3.0 MFLOPS двойной точности.

Каждый процессор nCube 2 конфигурируется с устройством динамической памяти емкостью от 4 до 64 МБайт.

Распределенная архитектура памяти фактически не налагает никаких ограничений на скорость операций с памятью. Процессоры не конкурируют в использовании пропускной способности соединения с памятью и не должны ждать подкачки данных. Добавление процессоров в систему увенчивает пропускную способность памяти и тем самым повышает производительность.

Каждый суперкомпьютер nCube 2 содержит компактную сеть процессоров. На одну процессорную плату nCube 2 может монтироваться до 64 процессоров. Процессорная стойка может содержать 16 плат с общим числом процессоров до 1024. Для построения систем большего размера стойки комбинируются. Использование недорогих строительных блоков обеспечивает низкую цену полной компьютерной системы в сочетании с феноменально высокой производительностью, достигнутой за счет комбинированной мощности процессорной сети.

1	2	3