Zabrodin (1034425)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

17

Параллельные вычислительные технологии.

Состояние и перспективы.

А.В. Забродин

Москва 1999 г.¹ *)

1. Параллельные вычислительные технологии - фундаментальное научное направление.

Возможность создания и использования супер-компьютеров во всем мире относится к факторам стратегического потенциала оборонного, научно-технического и народно-хозяйственного значения, ибо прогресс любой развитой страны в современном мире невозможен без компьютеризации во всех сферах деятельности. При этом все более проявляется связь между достижениями страны в области создания и овладения передовыми компьютерными технологиями и ее потенциальными возможностями решать ключевые проблемы научно-технического прогресса. Особенно это проявляется в отношении решения научных фундаментальных и прикладных проблем, о чем будет изложено в следующем разделе,

1.1. Создание и применение современных супер ЭВМ стало одним из основных направлений в ведущих странах мира ² *). США относят успехи в этой области к основе своего стратегического превосходства в настоящее время и в следующем веке.

Общие затраты в этой области измеряются миллиардами долларов, а все работы координируются в рамках "стратегической технологической инициативы".

Производительность супер ЭВМ на протяжении последних 20-30 лет возрастала ориентировочно на порядок за каждое пятилетие. Это отчетливо прослеживается по всей совокупности выпускаемой продукции и нет оснований сомневаться в продолжении этой закономерности на следующее десятилетие.

В США в 1997 г. введены в действие (по опубликованным данным) три установки с производительностью каждая более трлн.оп./сек. В американской правительственной программе "Ускоренная стратегическая компьютерная инициатива" (ASCI) намечен выход на уровень производительности супер ЭВМ - 10 трлн.оп./сек. в 2000 г. и 100 трлн.оп./сек. в 2004 г.; имеется ряд других программ того же направления.

1.2 По оценке американских экспертов стоимость выпускаемой на рынок новой супер ЭВМ на 80-85 % окупается возможностями эффективного и быстрого ее применения для решения конкретных задач. Более того, перспективы развития супер ЭВМ в ближайшем будущем в большей степени будут определяться успехами вычислительной математики, а не успехами электроники. Поэтому в числе важнейших работ по развитию параллельных вычислительных технологий следует назвать:

1. Распараллеливание вычислений, создание новых методов и алгоритмов, ориентированных на эффективное использование в многопроцессорных системах, а также модернизация существующих с реализацией возможностей широкого параллелизма.

2. Разработка систем параллельного программирования, языковых и других средств с сохранением преемственности прикладных программных комплексов по отношению к аппаратным построениям распределенной вычислительной сети.

3. Создание программного обеспечения функционирования многопроцессорных систем, в том числе коммуникационной сети вычислительных модулей (ВМ) и между ВМ и внешними абонентами.

4. Разработка архитектур многопроцессорных вычислительных систем. Инженерное конструирование ВМ и вычислительного поля в целом.

5. Построение и задействование распределенных вычислительных и информационных систем (кластеров рабочих станций, многомашинных комплексов и др.).

1.3. В силу сложившегося положения в развитии отечественной вычислительной техники, наша страна до последнего десятилетия производством супер ЭВМ не обладала. Поставки супер ЭВМ в Россию ограничены установками производительностью 2-7 млрд.оп./сек. (в зависимости от конкретного комплекта поставки и условий контроля использования). Кроме того, иностранная техника весьма дорога и трудна в освоении без сопровождения ее изготовителей. Поэтому такой путь развития супер ЭВМ в нашей стране, как основное направление на будущее, неприемлем.

В последнее десятилетие по инициативе Российской Академии наук, Министерства науки и технологий РФ совместно с заинтересованными ведомствами выполняется "Комплексная программа по созданию многопроцессорных вычислительных систем (МВС) и параллельным вычислительным технологиям", которая направлена на ликвидацию катастрофического отставания страны в области создания супер ЭВМ.

1.4 Создание и освоение многопроцессорных систем и параллельных вычислительных технологий является новым, реально осуществимым, направлением отечественной линии супер-вычислений.

В кооперации институтов РАН и промышленности разработана концепция развития параллельных вычислительных технологий, которая реализована в семействе мультипроцессорных вычислительных систем:

- МВС-100. Ее образцы в течение нескольких лет успешно эксплуатируются в институтах РАН, предприятиях промышленности и ряде ведомств.

- МВС-1000. В настоящее время в той же кооперации развернуты работы по созданию этих систем нового поколения¹ *).

Направление создания многопроцессорных систем на основе отечественных достижений по разработке параллельных алгоритмов, компьютерных архитектур, накопленного инженерного опыта использования новейших зарубежных микропроцессоров обрело устойчивое развитие с ближайшей перспективой производства и освоения супер-ЭВМ с производительностью на уровне триллиона опер./сек.

Все это вместе можно назвать созданием новых вычислительных технологий параллельных вычислений. На сегодня это приоритетная проблема, решение которой позволит уже в ближайшем времени использовать высочайшие показатели современных микропроцессоров, их надежность, относительную дешевизну, массовость производства для создания массивно параллельных вычислительных систем.

2. Основные направления развития параллельных вычислительных технологий.

2.1 Распараллеливание вычислений, создание новых методов и алгоритмов с реализацией массового параллелизма.

2.1.1 Анализ сложности актуальных вычислительных задач аэродинамики; газовой динамики и теплопроводности; ядерной физики; переноса различных видов излучения; высокоточной навигации и управления движением; разработки проблем молекулярной биологии и генной инженерии; моделирования природных геофизических и климатических явлений; обеспечения информационной безопасности и многих других обнаруживает, что для их решения с необходимой на сегодня точностью требуются компьютеры производительностью - арифметических оп./сек.

Получить такую производительность, оставаясь в рамках традиционных подходов построения векторно-конвейерных систем не представляется возможным. Решение существует только на пути широкого распараллеливания вычислений и создания соответствующих вычислительных систем.

Это обстоятельство приоритетно было осознано нашими учеными и специалистами. Концепции параллелизма давно и успешно развиваются в нашей стране научными школами Москвы, Новосибирска, Киева, Свердловска и других городов. Однако техническое воплощение результатов этих работ стало возможным в последние 10 лет с массовым выпуском микропроцессоров производительностью до 100-1000 млн. опер./сек. и с памятью в сотни мегабайт, обладающих широкими функциональными возможностями. На сегодня мировой выпуск таких микропроцессоров (в основном в США) составляет более 100 млн. штук в год. Еще 5-8 лет назад этот уровень по производительности и памяти показался бы нереальным, но сейчас можно говорить о продвижении еще на порядок. Принципиальным является тот факт, что эта микроэлектронная база очень надежна и поэтому возможно массовое объединение микропроцессоров в единые вычислительные системы.

Особое внимание (и это признается научной общественностью) следует уделить теоретическим работам по построению новых алгоритмов и их практической реализации.

Применение мультипроцессорных вычислительных систем (в том числе МВС-100,1000) требует учета и освоения определенной специфики параллельной обработки не только на уровне аппаратуры и системного обеспечения, но и в прикладном программировании и самих вычислительных алгоритмах. Хотя на сегодня имеется положительный опыт в решении сложных прикладных задач на параллельных супер ЭВМ, однако существуют и объективные трудности. Они зачастую, приводят к парадоксальной ситуации, когда высокопроизводительные и дешевые системы массового параллелизма осваиваются со значительными затруднениями. Это обстоятельство признается мировой научной общественностью и постоянно обсуждается на научных форумах.

2.1.2 В последние годы за рубежом работы по параллельным вычислительным технологиям значительно расширились. Появилось большое количество мощных супер ЭВМ. Все 500 самых мощных вычислительных установок в мире (TOP 500) являются многопроцессорными системами.

2.1.3 Важные задачи возникают в переосмысливании традиционных подходов при построении новых параллельных алгоритмов. Примеров таких работ много, начиная с алгоритмов линейной алгебры, методов Фурье анализа, других стандартных процедур. Большая работа проводится во многих коллективах по разработке новых конечно разностных методов для решения широких классов сложных задач. При этом, как правило, используются алгоритмы с широким параллелизмом; например явные, локально-итерационные и другие схемы, допускающие массовый параллелизм при обработке информации, позволяющие совмещать процесс выполнения вычислительных операций с осуществлением обменов. Здесь уже достигнуты существенные продвижения, позволившие решить с использованием МВС актуальные задачи качественно нового уровня сложности для различных областей приложений .

2.1.4 На сегодня не вызывает сомнений, что реализовать потенциальные возможности параллельных вычислений можно только на основе проведения целенаправленной работы как по проведению теоретических исследований по построению новых алгоритмов, так и по анализу и адаптации существующих. В последнее время российскими учеными были проведены большие работы по созданию инструментальных средств анализа алгоритмов в целях выявления их скрытого параллелизма. На основе такого анализа даются рекомендации по построению параллельных программ. Эти исследования получили широкое признание и успешно продолжаются .

2.2 Разработка систем параллельного программирования, языковых и других средств с сохранением преемственности прикладных программных комплексов по отношению к аппаратным построениям распределенной вычислительной сети.

2.2.1 Основной задачей при создании системного программного обеспечения и инструментальных средств параллельного программирования МВС является разработка принципов обеспечивающих мобильность ¹ *).

Программное обеспечение осуществляет функционирование вычислительных ресурсов (ввод/вывод программ и данных, контроль за ходом вычислений и др.), а также предоставляет возможности распараллеливания вычислений на уровне процессов с использованием штатных средств передачи сообщений. Использование стандартных языков высокого уровня (таких как Fortran, C/C++ и др.) со средствами описания параллельных процессов позволяет осуществить переносимость накапливаемого программного обеспечения.

Кроме, обычно используемых, были разработаны языковые средства Фортран GNS, Си GNS, Фортран DVM, Си DVM и системы параллельного программирования на их базе. Выбор языкового подхода позволяет повысить уровень мобильности прикладных программ по сравнению с использованием традиционного библиотечного подхода.

Разработанные на сегодня средства программного обеспечения дают возможность работать со стандартными операционными оболочками и библиотечными программами, такими как PVM (Parallel Virtual Machine) и MPI (Message Passing Interface) предназначенными для составления параллельных программ, использующих мультипроцессорную сеть, как единый компьютер, а также Х-Windows, TELNET и др.

2.2.2 В последнее десятилетие за рубежом, в связи с интенсивным развитием работ по созданию многопроцессорных супер-ЭВМ (напомним, что практически все из пятисот самых мощных вычислительных установок являются многомашинными комплексами), все ведущие компьютерные фирмы заняты разработкой соответствующего программного обеспечения. Отметим, что переход от классических векторно-конвейерных супер-ЭВМ к многопроцессорным системам, особенно в США, связан с большими трудностями из-за необходимости сохранения созданных программных продуктов. Поэтому предпринимаются энергичные усилия по построению способов автоматизации распараллеливания уже существующих прикладных программных комплексов. Одновременно, разработка новых ВМ для многопроцессорных систем сопровождается созданием для них полноценного программного обеспечения, которое расширяется средствами для осуществления распараллеливания.

2.2.3 Ситуация в России иная, хотя перенос прикладного программного продукта в основном с РС и рабочих станций также актуален. Поэтому, наряду с использованием основных зарубежных разработок по системному программированию, необходимо проводить их адаптацию к особенностям развития отечественной линии. При этом должна обязательно сохраняться преемственность к заимствованному программному продукту.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов книги