Zabrodin (1034425), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Общее направление работ по программному обеспечению - создание инструментальных средств разработки мобильных программных комплексов на единой стандартизованной коммуникационной базе. Это позволяет создавать переносимые и эффективные программы, обладающие следующими свойствами:
- один исходный текст программы для последовательного и параллельного выполнения на ЭВМ различной архитектуры;
- динамическая настройка программы (без перекомпилляции) на конкретную конфигурацию системы, с учетом фактического количества процессоров и их производительности;
- возможность использования таких программ в качестве параллельных модулей при создании новых параллельных программ.
Оценивая полученные результаты, надо также отметить полезность выбора языкового подхода для создания системы параллельного программирования .
2.2.4 Подтверждена возможность эффективного распараллеливания и необходимость приоритетного развертывания работ этого направления. Несмотря на несомненные успехи в применении мультипроцессорных систем, имеют место рассуждения о низкой их эффективности. В подтверждение этого приводятся примеры, которые зачастую имеют спекулятивный характер. Постановка вопроса об оценке эффективности распараллеливания при увеличении числа ВМ с сохранением объема вычислений надумана. Действительно, рост производительности системы в целом обусловлен сбалансированностью вычислительной работы и обменов на ее фоне. Невыполнение этого условия - одна из причин деградации по производительности при распараллеливании с увеличением числа ВМ. Поэтому выводы следует делать на основе достижения приемлемой эффективности при распараллеливании на число процессоров, фактически необходимое для решения задачи в заданные временные сроки.
Такой подход к оценке эффективности распараллеливания позволяет обосновать жизнеспособность систем массового параллелизма в широком диапазоне отношения пропускной способности коммуникационных связей к производительности базовых микропроцессоров.
2.2.5 Важным пунктом в работе по прикладному программированию будет разработка и построение стандартизованных шаблонов для облегчения и написания, отладки и тестирования программных комплексов для многопроцессорных супер ЭВМ.
В последующие годы, по-видимому, усилия будут также направлены на разработку единого (или небольшого числа общепринятых) базового стандартного уровня программирования не только для отдельных узлов, но и для средств описания конфигураций задач и эффективного их отображения на вычислительную сеть. Несомненно, будут и далее развертываться работы по средствам автоматизации распараллеливания для организации параллельных вычислений и их оптимизации. Это должно существенно облегчить построение прикладного программного обеспечения, осуществлять его переносимость (абстрагироваться при разработке от конкретной реализации ВМ и архитектуры системы), строить виртуальные машины, адаптируя их к конкретной архитектуре для достижения высокой эффективности обменов.
2.3 Создание программного обеспечения функционирования многопроцессорных систем, в том числе коммуникационной сети вычислительных модулей (ВМ) и между ВМ и внешними абонентами.
2.3.1 Среди различных направлений реализации параллельных вычислений наиболее экономически выгодным (по показателям производительность / стоимость) представляется создание систем массового параллелизма с распределенной обработкой информации. Поэтому, это направление привлекательно для развития отечественной линии создания супер ЭВМ. Эти системы, которые могут объединять сотни и тысячи микропроцессоров, отвечают современным требованиям:
- высокий показатель производительность / стоимость;
- гибкая структура, позволяющая адаптировать численные алгоритмы, эффективно эксплуатируя новые возможности, предоставленные системами массового параллелизма;
- открытость и возможность наращивания этих машин, что позволяет легко увеличивать их мощности.
2.3.2 Для осуществления распределенной обработки информации на компьютерных сетях и многомашинных комплексах за рубежом используется большое число протоколов обмена. Однако, разнообразие этих фирменных продуктов не позволяет выбрать и воспроизвести единый стандартизированный протокол для наших условий. Реализация протоколов с очень широкими возможностями (например MPI) влечет за собой очень большие накладные расходы, что фактически многократно снижает пропускную способность каналов межпроцессорного обмена. Поэтому было необходимо произвести отбор и содержательную адаптацию зарубежного программного продукта к создаваемым системам семейств МВС.
2.3.3 В отечественных работах по созданию многопроцессорных систем при построении среды межпроцессорных обменов на сегодня основное внимание уделяется системной программной поддержке. Программное обеспечение системы коммуникации обеспечивает прозрачность связи процессорных узлов между собой ("каждый с каждым") и с внешними устройствами, хост-компьютером, ресурсами локальной сети и проч. Это осуществляется как с применением стандартных протоколов (таких как ТСР/IP), так и специальных быстрых процедур отечественной разработки /низкоуровневые библиотеки обмена сообщениями Router/. Их использование позволяет осуществить передачу сообщений со скоростями близкими к пропускной способности каналов.
Разработанное программное обеспечение систем МВС-100-1000 обеспечивает возможность пакетного и диалогово режимов решения задач.
Применение UNIX - подобных операционных систем (Vx Works или Linux) для отдельных ВМ и, в целом, для мультипроцессорной сети делает возможным удаленный, многозадачный, многопользовательский доступ к МВС.
Следует отметить, что такой подход позволяет переносить программы с сети рабочих станций на многопроцессорную систему со значительным сокращением накладных расходов, фактически имеющихся в неоднородных компьютерных сетях .
2.3.4 Принятые в системах МВС решения построения системного программного обеспечения обеспечивают простоту, надежность функционирования и позволяют избежать сложной системы коммутации между ВМ .
2.3.5 В области межпроцессорных коммуникаций уже существуют многочисленные решения построения интерфейсов. Несомненно, будет обостряться потребность стандартизации интерфейсов на всех уровнях. Эти работы будут проводиться и далее как для систем с распределенной, так и для систем с разделяемой памятью, что обязательно приведет к созданию одного или нескольких общезначимых межпроцессорных интерфейсов с гигабайтными скоростями обмена.
2.4 Разработка архитектур многопроцессорных вычислительных систем. Инженерное конструирование ВМ и вычислительного поля в целом.
2.4.1 Построение оптимальной структуры вычислительной системы является сложной многокритериальной задачей. Здесь есть оригинальные решения российских ученых. При создании многопроцессорных вычислительных систем их фактическая производительность зависит от способов построения сети передачи сообщений. Ее оптимальный выбор может обеспечить эффективную поддержку на всех этапах решения задачи от реализации схемы параллелизма вычислительного алгоритма до обработки программы компиляторами. Зачастую это дает повышение производительности системы больше, чем увеличение производительности самих микропроцессоров. По существу производительность системы в целом напрямую зависит от адекватности отображения структуры вычислительного алгоритма на схему межпроцессорных связей.
Одной из возможностей для поддержки адекватности архитектуры многопроцессорной системы особенностям структуры вычислительных методов является включение аппаратных средств коммутации и возможности программного управления ими. Однако, такой подход существенно усложняет и удорожает многопроцессорную систему, лишая ее основного экономического преимущества по показателю производительность /стоимость.
При разработке отечественных многопроцессорных систем семейства МВС-100, МВС-1000 была разработана и реализована система связей "квазиматрица", которая позволила эффективно осуществлять межпроцессорный обмен с длиной пути не превышающей существующий в архитектуре "гиперкуб". Но, что очень существенно, эта схема дала возможность строить наращиваемые по производительности системы без изменения топологии связей вычислительного поля. Последнее невозможно осуществить при структуре связей "гиперкуб", обычно используемой в зарубежных системах.
Инженерное конструирование ВМ заключается в создании вычислительного узла системы, включая средства его сопряжения с себе подобными. Как правило, в конструкции используются вычислительный микропроцессор, связной микропроцессор, осуществляющий интерфейс, оперативная память, специальная плата, на которой осуществляется монтаж компонент ВМ, устройств питания и др. При выборе компонент, кроме выполнения требований по производительности и по объему памяти должны быть выполнены условия по сбалансированности производства вычислений и скорости передачи данных между ВМ. Возможны различные конструктивные решения, но это не является предметом нашего анализа. Отметим только важное конструктивное решение по двухуровневой реализации ВМ (условно-уровень производства вычислений и уровень передачи данных). При таком построении возможна модернизация ВМ без изменения его структуры, т.е. наращивание его вычислительной мощности и пропускной способности межпроцессорного обмена.
При выборе архитектуры для отечественных многопроцессорных систем основное внимание было уделено системам с распределенной памятью. Такие системы, наиболее простые по построению, но достаточно эффективно используются в различных вычислительных приложениях. Однако, на исполнителя-математика они налагают дополнительные трудности при распараллеливании процесса вычислений. Поэтому с развитием номенклатуры и функциональной специфики микропроцессорной базы все большее внимание уделяется созданию многопроцессорных систем с общей (разделяемой) памятью.
2.4.2 В зарубежных многопроцессорных системах используются существенно более сложные аппаратные способы построения перестраиваемой архитектуры. Интенсивно проводятся работы по новой аппаратной реализации межпроцессорных интерфейсов с гигабайтными скоростями обмена. В рамках программы ASCI формируется профиль промышленных стандартов, по которым развиваются многопроцессорные системы для различных областей применений. Этот подход отвечает современным концепциям построения многоуровневых открытых и расширяемых систем, стандартизованных интерфейсов, переносимого программного обеспечения. Такой подход, используемый в дорогих установках, требует специальной аппаратной базы, которая нам недоступна.
2.4.3 Несомненным достоинством архитектуры отечественных многопроцессорных систем МВС-100, МВС-1000 является оригинальное решение построения межмодульных связей и реализация двухуровнего их функционирования, т.е. разделение производства вычислений (верхний уровень) и осуществление межпроцессорных обменов. Это позволяет без изменения архитектуры системы и, сохраняя преемственность, наращивать вычислительные мощности, производить замену базовых микропроцессоров на более производительные (по мере их появления).
2.4.4 Были предложены разработанные простые конструктивные и архитектурные решения, использованные в системах МВС-100, МВС-1000, которые позволили создать в короткие сроки супер ЭВМ миллиардной производительности.
2.4.5 Объединение современных микропроцессоров позволяет создавать вычислительные системы класса супер ЭВМ. Это направление достижения производительностей в десятки и сотни миллиардов опер./сек. на сегодня является основным. Нет сомнения, что выход на уровень производительности 1-10 триллионов опер./сек. и выше будет осуществляться тем же путем.
2.5 Построение и задействование распределенных вычислительных и информационных систем (кластеров рабочих станций, многомашинных комплексов и др.)
2.5.1 В последние годы выполнен значительный объем работ по наращиванию инфраструктуры отечественных МВС для их использования в качестве мощного вычислительного ресурса в составе суперкомпьютерных центров коллективного пользования. Практическое освоение этого направления использования супер ЭВМ для нашей страны является новым и безусловно приоритетным.
2.5.2 В современном понимании вычислительный центр является центральным супер-компьютерным узлом, в который входят региональные центры через локальные и глобальные компьютерные сети с удаленными пользовательскими терминалами, которые сами по себе являются компьютерами значительной мощности. Такая схема построения характерна для ведущих зарубежных суперкомпьютерных центров. Понятно, что при создании аналогичных комплексов в России, для их аппаратного и программного обеспечения необходимо использовать соответствующее импортное оборудование, однако, оно должно сочетаться с собственными изделиями. Такие основополагающие требования, как открытость, масштабируемость, портабельность, отсутствие тупиковых ситуаций, эффективность загрузки ресурсов, не могут быть обеспечены в условиях исключительно зарубежных поставок и должны определяться собственными разработками.
2.5.3 В силу сложившегося положения в развитии отечественной вычислительной техники наша страна производством супер ЭВМ не обладала. Поэтому вычислительные центры у нас являют собой конгломерат различных вычислительных установок средней производительности, как правило зарубежной поставки (см. 3.3). Естественно у нас ограниченный опыт централизованной организации супер - вычислений.
2.5.4 Наиболее важным итогом выполнения Комплексной программы последнего пятилетия явилось принятие решения о создании Межведомственного супер-компьютерного центра на базе отечественной вычислительной системы МВС-1000 и ее модификаций.
Кроме того создание этой интегрированной инфраструктуры будет базироваться на объединении уже имеющихся в России информационно-вычислительных ресурсов с использованием сети высокоскоростных научных телекоммуникаций и реализации единой системы прикладных программных приложений.
2.5.5 Число суперкомпьютерных центров, которые могут быть задействованы в России в ближайшей перспективе, невелико (порядка 5). Поэтому их эффективное использование может быть осуществлено через освоение удаленного доступа и концентрации усилий на создание национальной информационной инфраструктуры:
- должна в ближайшие годы повыситься эффективность использования скоростных компьютерных информационных магистралей;
- должны развиться новые высокоскоростные сети интегрального обслуживания ;
- должны быть созданы распределенные базы большого объема информации, с временем обработки достаточным для обеспечения удаленного доступа.
Все эти работы являются необходимыми для обеспечения вычислительными и информационными ресурсами развития страны на ближайшее время.
2.5.6 Решение о централизованном развитии супер вычислений в России позволит существенно повысить эффективность финансовых вложений и будет способствовать продвижению на рынок высокотехнологической продукции и вычислительных услуг. Однако, реализация этой программы напрямую зависит от объема централизованного государственного финансирования.
3.Состояние работ по параллельным вычислительным технологиям.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
