Тема 7_2010 Классификации архитектур ВС (Все лекции Шамаевой в формате PDF)

Лекции 3_2010 г.Тема: Классификации архитектур вычислительныхсистемВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................................................. 1КЛАССИФИКАЦИЯ ФЛИННА ............................................................................................................................ 4ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ СОВРЕМЕННЫХ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ...................................

6БАЗОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОВРЕМЕННЫХ КОМПЬЮТЕРОВ ...................................................... 8МАССИВНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ (MPP)........................................................................................................ 8СИММЕТРИЧНЫЕ МУЛЬТИПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ (SMP) .................................................................................. 9СИСТЕМЫ С НЕОДНОРОДНЫМ ДОСТУПОМ К ПАМЯТИ (NUMA) ............................................................................

11ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВЕКТОРНЫЕ СИСТЕМЫ (PVP) ...................................................................................................... 12КЛАСТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ......................................................................................................................................... 13ВведениеСтремительное развитие науки и проникновение человеческой мысливо все новые области вместе с решением поставленных прежде проблемпостоянно порождает поток вопросов и ставит новые, как правило болеесложные, задачи. Во времена первых компьютеров казалось, что увеличениеих быстродействия в 100 раз позволит решить большинство проблем, однакогигафлопная производительность современных суперЭВМ сегодня являетсяявно недостаточной для многих ученых.•••••Электро и гидродинамика,сейсморазведка ипрогноз погоды,моделирование химических соединений,исследование виртуальной реальности - вот далеко не полный списокобластей науки, исследователи которых используют каждуювозможность ускорить выполнение своих программ.Наиболее перспективным и динамичным направлением увеличенияскорости решения прикладных задач является широкое внедрение идейпараллелизма в работу вычислительных систем.

К настоящему времениспроектированыиопробованысотниразличныхкомпьютеров,использующих в своей архитектуре тот или иной вид параллельнойобработки данных. В научной литературе и технической документацииможно найти более десятка различных названий, характеризующих лишьобщие принципы функционирования параллельных машин: векторноконвейерные, массивно-параллельные, компьютеры с широким команднымсловом,систолическиемассивы, гиперкубы,спецпроцессоры имультипроцессоры, иерархические и кластерные компьютеры, dataflow,1матричные ЭВМ и многие другие.

Если же к подобным названиям дляполноты описания добавить еще и данные о таких важных параметрах, как,например, организация памяти, топология связи между процессорами,синхронность работы отдельных устройств или способ исполненияарифметических операций, то число различных архитектур станет и вовсенеобозримым.Попытки систематизировать все множество архитектур начались послеопубликованияМ.Флинномпервоговариантаклассификациивычислительных систем в конце 60-х годов и непрерывно продолжаются посей день. Ясно, что навести порядок в хаосе очень важно для лучшегопонимания исследуемой предметной области, однако нахождение удачнойклассификации может иметь целый ряд существенных следствий.В самом деле, вспомним открытый в 1869 году Д.И.Менделеевымпериодический закон.

Выписав на карточках названия химических элементови указав их важнейшие свойства, он сумел найти такое расположение, прикотором четко прослеживалась закономерность в изменении свойствэлементов, расположенных в каждом столбце и в каждой строке. Теперь, знаяположение какого-либо элемента в таблице, он мог с большой степеньюточности описывать его свойства, не проводя с ним никакихнепосредственных экспериментов.

Другим, поистине фантастическимследствием, явилось то, что данный закон сразу указал на несколько "белыхпятен" в таблице и позволил предсказать существование (!) и свойства (!!)неизвестных до тех пор элементов. В 1875 году французский ученыйБуабодран, изучая спектры минералов, открыл предсказанный Менделеевымгаллий и впервые подробно описал его свойства. В свою очередь Менделеев,никогда прежде не видевший данного химического элемента, не только смогуказать на ошибку в определении плотности, но и вычислил ее правильноезначение.Существующая классификация растительного и животного мира, вотличие от периодического закона, носит скорее описательный характер.

С еепомощью намного сложнее предсказывать существование нового вида,однако знание того, что исследуемый экземпляр принадлежит такому-тороду/семейству/отряду/классу позволяет оправданно предположить наличиеу него вполне определенных свойств.Подобную классификацию хотелось бы найти и для архитектурпараллельных вычислительных систем. Основной вопрос - что заложить воснову классификации, может решаться по-разному, в зависимости от того,для кого данная классификация создается и на решение какой задачинаправлена. Так, часто используемое деление компьютеров на• персональные ЭВМ,2••••рабочие станции, мини--ЭВМ,большие универсальные ЭВМ,минисупер--ЭВМ исупер--ЭВМ,позволяет, быть может, примерно прикинуть стоимость компьютера.Однако она не приближает пользователя к пониманию того, что от негопотребуется для написания программы, работающий на пределепроизводительности параллельного компьютера, т.е.

того, ради чего он ирешился его использовать. Как это ни странно, но от обилия разныхпараллельных компьютеров страдает, прежде всего, конечный пользователь,для которого, вроде бы, они и создавались: он вынужден каждый разподбирать наиболее эффективный алгоритм, он испытывает на себе"прелести" параллельного программирования и отладки, решает проблемыпереносимости и затем все повторяется заново.Хотелось бы, чтобы такая классификация помогла ему разобраться стем, что представляет собой каждая архитектура, как они взаимосвязанымежду собой, что он должен учитывать для написания действительноэффективных программ или же на какой класс архитектур ему следуеториентироваться для решения требуемого класса задач.Одновременно удачная классификация могла бы подсказать возможныепути совершенствования компьютеров и в этом смысле она должна бытьдостаточно содержательной.

Трудно рассчитывать на нахождениенетривиальных "белых пятен", например, в классификации по стоимости,однако размышления о возможной систематике с точки зрения простоты итехнологичности программирования могут оказаться чрезвычайнополезными для определения направлений поиска новых архитектур.Рассмотрим наиболее известные на сегодня классификации.3Классификация ФлиннаПо-видимому, самой ранней и наиболее известной являетсяклассификация архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966году М.Флинном. Классификация базируется на понятии потока, подкоторым понимается последовательность элементов, команд или данных,обрабатываемая процессором.

На основе числа потоков команд и потоковданных Флинн выделяет четыре класса архитектур:SISD,MISD,SIMD,MIMD.SISD (single instruction stream / single data stream) одиночный поток команд и одиночный потокданных(ОКОД).К этому классу относятся, прежде всего, классическиепоследовательные машины, или иначе, машины фоннеймановского типа, например, PDP-11 или VAX 11/780.В таких машинах есть только один поток команд, всекоманды обрабатываются последовательно друг задругом и каждая команда инициирует одну операцию содним потоком данных. Не имеет значения тот факт, чтодля увеличения скорости обработки команд и скоростивыполнения арифметических операций можетприменяться конвейерная обработка - как машина CDC6600 со скалярными функциональными устройствами,так и CDC 7600 с конвейерными попадают в этот класс.SIMD (single instruction stream / multiple data stream) одиночный поток команд и множественный потокданных (ОКМД).