Суперкомпьютеры и особенности их архитектуры

К суперкомпьютерам относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов — десятки миллиардов операций в секунду.

Создать такие высокопроизводительные компьютеры на одном микропроцессоре (МП) не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленного конеч­ным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/с), поскольку время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 миллиардов операций в секунду становится соизмеримым со временем выполнения одной операции. Поэтому суперкомпьютеры создаются в виде высокопараллельных многопроцес­сорных вычислительных систем (МПВС).

Высокопараллельные многопроцессорные вычислительные системы (МПВС)

Высокопараллельные МПВС (их иногда называют ВС с массовым параллелизмом) имеют несколько разновидностей.

1. Магистральные (конвейерные) МПВС, у которых процессор одновременно выполняет разные операции над последовательным потоком обрабатывае­мых данных. По принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или MISD — Multiple Instruction Single Data).

2. Векторные МПВС, у которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными — однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD — Single Instruction Multiple Data).

Принцип SIMD используется и для повышения производительности микропроцес­соров — суперскалярные (векторные) МП Pentium III, Pentium 4, PowerPC и т. д.

3. Матричные МПВС, у которых микропроцессор одновременно выполняет разные операции над последовательными потоками обрабатываемых данных — многократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД или MIMD — Multiple Instruction Multiple Data).

Условные структуры однопроцессорной (SISD) и названных многопроцессор­ных ВС показаны на рис. 2.13.

В суперкомпьютере используются все три варианта архитектуры МПВС:

□ структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпьютере BSP фирмы Burrought);

□ параллельно-;конвейерная модификация, иначе MMISD, то есть многопро­цессорная (Multiple) MISD архитектура (например в суперкомпьютере «Эль­брус 3»);

□ параллельно-векторная модификация, иначе MSIMD, то есть многопроцес­сорная SIMD архитектура (например в суперкомпьютере Cray 2).

Рис. 2.13.Условные структуры МПВС

Наибольшую Эффективность показала MSIMD архитектура, поэтому в совре­менных суперкомпьютерах чаще всего находит применение именно она (супер­компьютеры фирм Cray, Fujitsu, NEC, Hitachi и т. д.). Первый суперкомпьютер был задуман в 1960 и создан в 1972 году (машина ILLIAC IV с производитель­ностью 20 MFLOPS), а начиная с 1975 года лидерство в разработке суперкомпь­ютеров захватила фирма Cray Research, выпустившая Cray 1 с производительно­стью 160 MFLOPS и объемом оперативной памяти 8 Мбайт, а в 1984 году — Cray 2, в полной мере реализовавший архитектуру MSIMD и ознаменовавший появление нового поколения суперкомпьютеров. Производительность Cray 2 — 2000 MFLOPS, объем оперативной памяти — 2 Гбайт (классическое соотношение, ибо критерий сбалансированности ресурсов компьютера — «каждому MFLOPS производительности процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайт опе­ративной памяти»).

В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперкомпьютеров, начиная от простых офисных Cray EL до мощных Cray 3, Cray 4, Cray Y-MP C90 фирмы Cray Research, Cyber 205 фирмы Control Data, SX-3 и SX-X компании NEC, VP 2000 компании Fujitsu (обе фирмы японские), VPP 500 компании Fujitsu Siemens (немецко-японская) и т. д., производительностью несколько десятков ты­сяч MFLOPS.

В декабре 1996 года фирма Intel объявила о создании суперкомпьютера Sandia, впервые в мире преодолевшего терафлопный барьер быстродействия. За 1 час 40 минут компьютер выполнил 6,4 квадриллиона операций с плавающей запятой. Конфигурация, достигшая производительности 1060 MFLOPS, представляла собой 57 стоек, содержащих более 7000 процессоров Pentium Pro с тактовой частотой 200 МГц и оперативную память 454 Гбайт. Окончательный вариант суперкомпьютера имеет производительность 1,4 TFLOPS, включает в себя 86 стоек общей площадью 160 м², 573 Гбайт оперативной памяти и 2250 Гбайт дисковой памяти. Масса компьютера составляет 45 тонн, а пиковое потребление энергии ‑ 850 кВт.

В 1998 году фирма NEC Corporation сообщила о создании суперкомпьютеров SX-5 с производительностью 4 TFLOPS, содержащих 512 процессоров и обеспечивающих общую скорость передачи данных 32 Тбайт/с.

Среди лучших суперкомпьютеров можно отметить и отечественные суперкомпью­теры. В сфере производства суперкомпьютеров Россия, пожалуй, впервые, пред­ставила собственные оригинальные модели компьютеров (все остальные, включая и ПЭВМ, и малые ЭВМ, и универсальные компьютеры за редким исключением, например ЭВМ «Рута 110», копировали зарубежные решения, и, в первую очередь, разработки фирм США).

В СССР, а позднее в России была разработана и реализуется (сейчас, правда, почти заморожена) государственная программа разработки суперкомпьютеров. В рамках этой программы были спроектированы и выпущены такие суперкомпью­теры, как повторяющая Cray-архитектуру модель «Электроника СС БИС», оригинальные разработки: ЕС 1191, ЕС 1195, ЕС 1191.01, ЕС 1191.10, «Эльбрус».

Разработка новой модели ЕС 1191 с производительностью 1200 MFLOPS из-за нехватки средств отложена на неопределенный срок; офисные варианты ЕС 1195, ЕС 1191.01 имеют производительность соответственно 50 MFLOPS и 500 MFLOPS; практически заморожена и модель ЕС 1191.10 с производитель­ностью 2000 MFLOPS.