Типы вычислительных систем и их архитектурные особенности

типы  вычислительных систем и их архитектурные  особенности 

1 

типы  вычислительных систем и их архитектурные  особенности

  
Принципы технической реализации модели коллектива вычислителей 

2 

Каноническое  описание модели коллектива вычислителей, основополагающие принципы ее конструкции, а также состояние микроэлектроники и уровень развития (параллельной) вычислительной математики определяют принципы технической реализации модели или принципы построения вычислительных систем (ВС). Выделим “модульность” и “близкодействие” как главные принципы технической реализации модели коллектива вычислителей.

Модульность 

3 

Модульность – принцип, предопределяющий формирование вычислительной системы из унифицированных элементов (называемых модулями), которые функционально и конструктивно закончены, имеют средства сопряжения с другими элементами и разнообразие которых составляет полный набор. Функциональные и конструктивные возможности модулей, разнообразие их типов определяются исходя из требований, предъявляемых к вычислительным системам, и, безусловно, из возможностей микроэлектронной базы. 

Модульность вычислительной системы обеспечивает:

возможность использования любого модуля заданного  типа для выполнения любого соответствующего ему задания пользователя;

простоту  замены одного модуля на другой однотипный;

масштабируемость, т.е. возможность увеличения или уменьшения количества модулей без коренной реконфигурации связей между остальными модулями;

открытость  системы для модернизации, исключающую  ее моральное старение.

Близкодействие 

4 

Близкодействие – принцип построения вычислительных систем, обусловливающий такую организацию информационных взаимодействий между модулями–вычислителями, при которой каждый из них может непосредственно (без “посредников”) обмениваться информацией с весьма ограниченной частью модулей-вычислителей. Следовательно, структура ВС позволяет осуществлять информационные взаимодействия между удаленными вершинами-вычислителями лишь с помощью промежуточных вершин-вычислителей, передающих информацию от “точки к точке” (point-to-point). Удаленными считаются все те вершины в структуре ВС, расстояние между которыми более 1 (число ребер между которыми более единицы). 

Принцип близкодействия допускает реализацию механизма управления ВС (организации  функционирования коллектива вычислителей как единого целого), не зависящий от числа составляющих ее вычислителей. Данный принцип, в частности, выражается в том, что поведение каждого вычислителя   зависит от поведения только ограниченного  подмножества  других вычислителей системы.

Асинхронность функционирования  ВС 

• Асинхронность функционирования  ВС обеспечивается, если порядок срабатывания ее модулей определяется не с помощью вырабатываемых тем или иным образом отметок времени, а достижением заданных значений определенных (как правило, логических) функций. Использование асинхронных схем позволяет достичь в системе алгоритмически предельного быстродействия: модули ВС срабатывают немедленно после достижения соответствующего условия. Применение асинхронных схем обмена информацией между вычислителями позволяет не учитывать разброс в их тактовых частотах и колебания времени задержки сигналов в линиях связи.
• strong>Децентрализованность управления ВС достигается, если в системе нет выделенного модуля, который функционирует как единый для всей системы центр управления. Децентрализованное управление системой основано на совместной работе всех исправных модулей системы, направленной на принятие решений, доставляющих оптимум выбранной целевой функции. Выполняя свою часть работы по выработке согласованного решения об управлении системой, каждый модуль пользуется только локальной информацией о системе.

 
 

5

Распределённость ресурсов ВС 

6 

Распределённость ресурсов ВС. Под ресурсами ВС понимаются все объекты, которые запрашиваются, используются и освобождаются в ходе выполнения вычислений. В качестве ресурсов ВС выступают процессоры или даже модули, входящие в их состав, модули оперативной памяти, внешние устройства, линии межмодульных связей, шины, файлы данных, компоненты программного обеспечения. Принято называть распределенной ВС, такую систему, в которой нет единого ресурса, используемого другими в режиме разделения времени. Вместе с этим каждый ресурс распределённой ВС рассматривается как общий, доступный любому потребителю.

Архитектурные свойства вычислительных систем  
 

7 

Основополагающие  принципы (параллелизма, программируемости, однородности) и принципы модульности  и близкодействия позволяют достичь  полноты архитектурных свойств  в вычислительных системах. Отметим  важнейшие свойства архитектуры  ВС. При этом заметим, что не все  свойства и не в полной мере  могут проявляться в той или  иной реализации ВС.

 

Масштабируемость 

8 

Масштабируемость (Scalability) вычислительных систем

Под масштабируемостью ВС понимается их способность к наращиванию и сокращению ресурсов, возможность варьирования производительности. Сложность (трудоемкость) задач, решаемых на вычислительных средствах, постоянно растет. Для сохранения в течении длительного времени за вычислительной системой способности быть адекватным средством решения сложных задач необходимо, чтобы она обладала архитектурным свойством масштабируемости. Это означает, в частности, что производительность, достигнутую ВС на заданном количестве вычислителей, можно увеличить, добавив еще один или несколько вычислителей. Выполнение этого свойства ВС гарантируется принципами модульности, локальности, децентрализованности и распределённости.

Универсальность ВС 

9 

Универсальность ВС. Вычислительные системы алгоритмически и структурно универсальны.

Принято считать, что ЭВМ (основанные на модели вычислителя) являются алгоритмически универсальными, если они обладают способностью (без изменения своих  структур) реализовать алгоритм решения  любой задачи. С другой стороны, ВС – это коллектив вычислителей, каждый из которых обладает алгоритмической  универсальностью, следовательно, и  система универсальна (в общепринятом смысле).

В вычислительных системах могут быть реализованы  не только любые алгоритмы, доступные  ЭВМ, но и параллельные алгоритмы  решения сложных задач. Последнее  следует из определений модели коллектива вычислителей и, в частности, алгоритма  функционирования ВС. 

Структурная универсальность ВС – следствие  воплощения архитектурных принципов  коллектива вычислителей, в частности, принципа программируемости структуры. Суть этого принципа – возможность  автоматически (программно) порождать  специализированные (проблемно-ориентированные) виртуальные конфигурации, которые  адекватны структурам и параметрам решаемых задач.

Производительность (Performance) вычислительных систем 

10 

В отличие  от ЭВМ, построенных на основе модели вычислителя, ВС не имеют принципиальных ограничений в наращивании производительности. Рост производительности в них достигается  за счёт не только повышения физического  быстродействия микроэлектронных элементов, а главным образом увеличения числа вычислителей. Следует подчеркнуть, что благодаря свойству однородности наращиваемость ВС осуществляется простым  подключением дополнительных вычислений без конструктивных изменений первоначального  состава системы. При этом достигается  простота настройки программного обеспечения  на заданное число вычислителей в  системе. На основании последнего обеспечивается совместимость ВС различной производительности.

Реконфигурируемость (Programmability) вычислительных систем 

11 

Структурная и функциональная гибкости ВС вытекают из широких возможностей систем по статической и динамической реконфигурации. Статическая реконфигурация ВС обеспечивается: варьированием числа вычислителей, их структуры и состава; выбором для вычислителей числа полюсов для связи c другими вычислителями; возможностью построения структур в виде графов, относящихся к различным классам; допустимостью применения в качестве связей каналов различных типов, различной физической природы и различной протяжённости и т.п. Благодаря приспособленности ВС к статической реконфигурации достигается адаптация системы под область применения на этапе её формирования.

Надёжность  и живучесть вычислительных систем 

12 

Под надёжностью (Reliability) ВС понимается ее способность к автоматической (программной) настройке и организации функционирования таких структурных схем, которые при отказах   и   восстановлении    вычислителей  обеспечивают заданный уровень производительности или, говоря иначе, возможность использовать фиксированное число исправных вычислителей (при реализации параллельных программ решения сложных задач). Это понятие характеризует возможности вычислительных систем по переработке информации при наличии фиксированной структурной избыточности (представленной частью вычислителей) и при использовании параллельных программ с заданным числом ветвей.

Самоконтроль  и самодиагностика вычислительных систем 

13 

Организация надёжного и живучего функционирования вычислительных систем связана с  контролем правильности их работы и  с локализацией неисправностей в  них. В системах–коллективах вычислителей может быть применён нетрадиционный подход к контролю и диагностике:

в качестве контрольно-диагностического ядра ВС могут быть использованы любые исправные  вычислители и в пределе ядро любого произвольно выбранного вычислителя,

выбор ядра системы и определение её исправности  могут быть произведены автоматически ( с помощью средств ВС).

Предлагаемый  подход позволяет говорить о самоконтроле и самодиагностике ВС. Заключение об исправности или неисправности  отдельных вычислителей системы  принимается коллективно всеми  вычислителями на основе сопоставления  их индивидуальных заключений об исправности  соседних с ними вычислителей.

Параллельная  обработка 

14 

Если  некое устройство выполняет одну операцию за единицу времени, то тысячу операций оно выполнит за тысячу единиц. Если предположить, что есть пять таких  же независимых устройств, способных  работать одновременно, то ту же тысячу операций система из пяти устройств  может выполнить уже не за тысячу, а за двести единиц времени. Аналогично система из N устройств ту же работу выполнит за 1000/N единиц времени.

Модель  общей памяти 

15 

В модели общей (разделяемой) памяти задачи обращаются к общей памяти, имея общее адресное пространство и выполняя операции считывания/записи. Управление доступом к памяти осуществляется с помощью разных механизмов, таких, например, как семафоры. В рамках этой модели не требуется описывать  обмен данными между задачами в явном виде.

Это упрощает программирование. Вместе с тем особое внимание приходится уделять соблюдению детерминизма, таким явлениям, как  «гонки за данными» и т. д.

Начиная с версии 2005 в Visual Studio входит поддержка OpenMP. OpenMP – набор директив компилятору (прагм), библиотечных функций и переменных окружения для поддержки парадигмы параллельного программирования для систем с общей памятью.