8

Лекция 12

§6.1 Техническое обеспечение САПР

ТО САПР - совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для выполнения АП.

Комплекс технических средств САПР состоит из:

• средства программной обработки данных (ЭВМ);

• устройств подготовки и ввода данных;

• устройств отображения и документирования данных;

• устройств передачи данных.

К ТО САПР предъявляются следующие основные требования:

• достаточность вычислительных ресурсов (производительности и емкости памяти) для решения всех основных задач;

• приближенность к рабочим местам проектировщиков, удобство общения человека с ЭВМ;

• обеспечение коллективного выполнения проектирования.

Удовлетворения этих требований обуславливает следующие особенности ТО САПР:

• основным компонентом ТО являются рабочие места (РМ) пользователей, объединяющие ЭВМ, периферийные устройства, необходимые на рабочем месте и программное обеспечение, ориентированное на определенное приложение;

• рабочие места объединяют в вычислительную сеть для обеспечения взаимодействия разработчиков и рационального использования общих аппаратных, программных и информационных ресурсов;

• в САПР крупных и средних предприятий для выполнения трудоемких вычислительных процедур включается высокопроизводительная или суперЭВМ (mainframe).

Структуру ТО САПР можно изобразить следующей схемой, в которой среда передачи данных осуществляет коммуникации между узлами сети - рабочими местами пользователя, серверами, высокопроизводительной ЭВМ и концентраторами оконечных систем, обслуживающими несколько периферийных устройств общего пользования (сканер, принтер, плоттер).

Для САПР относительно простых систем иногда оказывается достаточным использование одной рабочей станции с подключенными периферийными устройствами документирования и ввода данных. Иногда такие САПР называют одноуровневыми. Типичная структура ТС одноуровневой САПР:

В качестве ЭВМ в РМ могут использоваться WS и PC. Однако, в развитых САПР основным видом ЭВМ в РМ являются WS. К отличительным чертам WS относятся, во-первых, большее быстродействие, в том числе и за счет специальных аппаратных средств поддержки машинной графики, во-вторых, системная завершенность программного обеспечения, ориентированного на задачи проектирования в конкретных приложениях.

§6.2 Классификация и характеристики компьютеров.

В ТС САПР применяются компьютеры самых различных типов. В настоящее время ЭВМ принято классифицировать следующим образом:

• персональные компьютеры (PC - personal computer);

• рабочие станции (WS - workstation);

• ЭВМ большой производительности и суперЭВМ (MF - mainframe).

В основу архитектуры положена производительность, принцип построения (архитектура) и стоимость.

Мегафлоп (Mflops) - единица измерения максимальной производительности компьютера и равна 1 миллиону операций с плавающей точкой в секунду. Под операциями с плавающей точкой подразумеваются операции над десятичными числами.

Mips – миллион целочисленных операций в секунду.

Производительность компьютеров во многом зависит от архитектуры машины (см. ниже), поэтому для сравнения компьютеров различных типов применяют набор усредненных тестов, легко переносимых на любую платформу. (К таким тестам относятся, например тесты SPECint95 - для операций с фиксированной точкой и SPECfp95 - для операций с плавающей точкой).

К персональным компьютерам принято относить ЭВМ, построенные на такназываемых CISC-процессорах (Complex Instruction Set Computer - процессорах традиционной фон-неймановской структуры) фирмы Intel (X86, Pentium, PentiumII, PIII) и совместимыми с ним по командам процессорами фирм AMD (Advanced Micro Device), и др.

Небольшую долю рынка персональных компьютеров (около 5%) занимают компьютеры фирмы Apple, построенные на основе процессоров Motorola. Поскольку подавляющее большинство PC работают под управлением операционной системы Windows, то их обычно называют Wintel - системами.

Максимальная производительность процессоров старших моделей почти сравнялась с производительностью рабочих станций.

Рабочие станции основаны на RISC (Reduced Instruction Set Computers) процессорах фирм Compac (DEC) - Alpha, Silicon Graphics - (RXXX), Hewlett-Packard - PAXXX, Sun - SPARK, IBM - PowerPC.

Концептуальный принцип RISC архитектуры, отраженный в названии - минимизация аппаратных затрат на редко выполняемые действия процессора.

Система команд – аппаратные инструкции процессора, к которым в конечном итоге сводится любая программа.

Используется супер скалярная философия (распараллеливание выполнения команд процессора): - несколько параллельно работающих конвейеров с упреждающей выборкой команд, а также повышение разрядности арифметических операций (64-bit) и частоты работы процессора (Alpha > 600 Мгц). Увеличенная пропускная способность шин, связывающих процессор с кэш всех уровней и оперативной памятью.

Наиболее производительные RISС процессоры в настоящее время дают на тестах следующие результаты:

Процессор	SPECint95	SPECfp95
Alpha 21164, 400-600 МГц	12-19	18-29
Alpha 21264, 600-1000 МГц	50-70	70-100
UltraSPARKII, 167-250МГц (для 336 МГц нет данных)	6-12	11-16
R10000, 175-195 МГц	8-10	15-17
PA8000, 180-220 МГц	11-16	20-25
PentiumII, 300-450 МГц	9-18	7-14

Как видно из приведенной таблицы, наиболее быстрые процессоры персональных компьютеров приближаются по быстродействию (особенно на операциях с фиксированной точкой) к средним RISC процессорам. Это дает возможность конкурировать им за рынок рабочих станций малой мощности.

Габаритные размеры системного блока рабочих станций мало отличаются от персональных компьютеров. На рабочих станциях обычно применяется операционная система UNIX, поэтому их иногда называют RISС/UNIX - системами. Дополнительные отличия таких систем - увеличенный объем оперативной (до нескольких Гигабайт), и долговременной памяти, более производительные графические подсистемы. Вообще рабочие станции - более сбалансированные системы, поскольку над выпуском всех комплектующих для станции работает один производитель.

Стоимость рабочих станций высокого класса приближается к 10 тыс. $. Продажа рабочих станций на платформе UNIX/RISС падают, а на платформе Wintel возрастают. Но многие считают рабочие станции на архитектуре Wintel не настоящими рабочими станциями - а быстрыми PC.

Высокопроизводительные и суперЭВМ (mainframes) строятся обычно также на RISС - процессорах, однако отличаются архитектурой, основной особенностью которой является многопроцессорность, наличие специализированных процессоров для выполнения векторных операций, огромной оперативной и долговременной памятью. Например супермощный компьютер Blue Mountain (производство Cray Research сейчас являющегося подразделением Silicon Graphics), состоит из 48единиц 128-процессорных блоков(=6144 процессора), соединенных 36 высокоскоростными 16-ти портовыми коммутаторами. Оперативная память - 1.5 Терабайт. Накопители общим объемом 75 терабайт. Его производительность составит 3.1 терафлоп (3*10⁶ Мегафлоп).

IBM планирует к 2002 году создать компьютер с производительностью 30-100 терафлоп(триллионов операций с плавающей точкой в секунду). Предполагается создать его на платформе RS/6000. К настоящему времени изготовлено около 600 тыс. компьютеров серии разной мощности. Построены на процессорах RISС Power PC и управляются ОС AIX - клоном UNIX.

В 1996 году компания IBM продала в Арзамас 16 (работа на ядерное оружие) 17 рабочих станций RS/6000. За нарушение экспортных правил должна заплатить штраф в размере 8.5 млн$.

Компания Silicon Graphics представила новую серию компьютеров Cray T3E-1200E. Он может иметь до 2048 600 мегагерцовых процессоров RISK. Производительность - более 100 гигафлоп. Утверждают - что это самый производительный серийно выпускаемый компьютер. Стоимость - около 10 млн.$

Японская фирма NEC создала компьютер SX-4/32 - с 32 процессорами и производительностью 64 GFLOPS. Объем оперативной памяти - 8 Гбайт. Стоимость одного часа работы через Internet - 100$ на 1 процессор.

По вычислительной мощи суперкомпьютеров на третьем месте в мире Индия. В марте 1998 года создан 100 Гигафлопный суперкомпьютер Param-10000. Управляется оригинальным программным обеспечением.

Рассмотрим примеры проектных процедур в машиностроительных САПР, требующих выполнения высокоскоростных вычислений:

1. Анализ прочности деталей и сооружений, выполняемый методом конечных элементов. Анализ пластичности деталей.

Деталь разбивается на элементарные объемы (конечные элементы). Считают, что КЭ соединяются между собой в только в узлах. Математическая постановка задачи приводит к необходимости решения системы алгебраических уравнений порядка N³ (в трехмерной постановке, здесь N - количество узлов). Процедура решения приводит к необходимости выполнения приблизительно M=(10⁴…10⁶)N⁹ операций в каждом варианте анализа. Для нелинейных задач (динамика и пластичность) необходимо выполнять несколько шагов по времени или перемещению инструмента. Поэтому количество операций необходимо умножить еще на количество шагов. Естественно чем больше элементов (а следовательно и узлов), тем больше точно будет выполнено решение задачи. Количество узлов в задаче достигает десятков тысяч для сложных деталей (например станин прессов и прокатных станов).

1. Обработка изображений при интерактивной конструировании деталей и узлов.

Если необходимо просмотреть движение детали (например при анимации работы механизма или поворачивая деталь при твердотельном моделировании), то нужно менять кадры, то требуемое быстродействие составляет не менее 2*10¹⁰ операций в секунду.

Из приведенных примеров ясно, что для многих проектных процедур необходимо искать способы сокращения трудоемкости вычислений;
увеличения скорости вычислений. Первое относится к проблемам математического обеспечения САПР. Второе связано как с вопросами математического (организация параллельных вычислений), так и с вопросами технического обеспечения (повышение скорости вычислительных систем).

§6.Способы повышения производительности компьютеров.

Каждый процессор имеет набор команд, или аппаратно реализованных операций. Из этих команд в конечном итоге (в машинных кодах) и будет организована любая программа. Одна из основных стратегий ускорения вычислений - включение в набор команд т.н. векторных операций. Вектор - это матрица с одним столбцом. Для любой операции, которая может быть выполнена над парой операндов имеется соответствующая векторная операция, представляющая собой применение той же операции к паре элементов, выбираемых по порядку из двух векторов одинаковой длины. Тогда например цикл

Цикл от 1 до N
c_i=a_i+b_i

будет выполнен не за N шагов, а за один шаг.

Применяется два сопутствующих способа выполнения параллельных вычислений: конвейерная обработка и многопроцессорная обработка.

Конвейерная обработка данных и команд похожа на промышленную сборочную линию. На каждом рабочем месте выполняется одна сборочная операция, и на всех местах в одно и то же время обрабатываются однотипные изделия на различных стадиях. За каждый шаг с конвейера выходит одно готовое изделие.

Операции с данными в компьютере также происходят за несколько последовательных шагов или микроопераций. Например операция сложения состоит из микроопераций выравнивания порядка, сложения мантисс и нормализации. Конвейерный сумматор делится на функциональные устройства, каждое из которых производит работу за один такт работы компьютера. Таким образом, после того, как число машинных тактов станет равным числу функциональных устройств сумматора, за каждый машинный такт будет выдаваться по одному результату сложения.

Кроме конвейера операций, как в приведенном выше примере, может быть и конвейер команд, поскольку каждая команда также выполняется за несколько тактов (вызов из памяти, дешифрация, извлечение операндов и т.п.).

В многопроцессорных вычислительных системах имеется более одного процессора, каждый из которых способен выполнять свои функции параллельно с другими процессорами, т.е. для каждого вычислительного блока программы - свой процессор. Причем каждый из процессоров может иметь конвейер как данных, так и команд, поэтому конвейеризация и многопроцессорная обработка - сопутствующие способы повышения эффективности вычислений.

Некоторые из процессоров могут быть специализированными - т.е. в них аппаратно реализованы те или иные вычислительные задачи. Существуют спецпроцессоры для решения фрагментов вычислительных задач общего назначения (сопроцессоры плавающей арифметики, векторные процессоры, процессоры вычисления элементарных функций и т.п.). Другой класс спецпроцессоров предназначен для решения узкого круга достаточно сложных задач - например машины логического моделирования, процессоры для выполнения быстрого преобразования Фурье… Третий класс спецпроцессоров - процессоры ускорения операций в обслуживающих подсистемах - процессоры баз данных, графические процессоры…

Использование многопроцессорных вычислительных систем требует распараллеливания вычислительных процессов. Наибольшая производительность вычислительной системы достигается тогда, когда одновременно работаю все процессоры. Такого нельзя достигнуть для программы линейной структуры, когда один блок обязательно должен следовать за другим. К счастью большинство задач САПР содержит большое количество циклов, которые допускают распараллеливание процесса вычисления. Программирование для суперЭВМ предполагает использование специальных языков параллельного программирования, основной особенностью которых является наличие средств указания параллельных ветвей (ADA, параллельный FORTRAN). Кроме того, создаются все более совершенные компиляторы, позволяющие на стадии компиляции программы выявить и реализовать максимальный параллелизм, заложенный в программном коде.

Пример: вычислить y=a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³+a₄x⁴

Для однопроцессорных ЭВМ этот многочлен вычисляется по схеме Горнера за 8 шагов (четыре сложения и четыре умножения)

y=a₀+x(a₁+x(a₂+x(a₃+a₄x)))

Для многопроцессорных ЭВМ этот многочлен можно вычислить за 5 шагов по следующему алгоритму:

	1 процессор	2 процессор	3 процессор
1 шаг	a1x	x2
2 шаг	a0+a1x	a2x2	x3
3 шаг	a0+a1x+a2x2	a3x3	x4
4 шаг	a0+a1x+a2x2+a3x3	a4x4
5 шаг	a0+a1x+a2x2+a3x3+ a4x4