История появления параллелизма в архитектуре ЭВМ

     В 1993 году корпорация Intel внедрила в массовое производство параллелизм на уровне команд, выпустив процессор Intel Pentium, обладавший способностью декодировать и выполнять команды вычислительного потока параллельно. Годом позже специалисты Intel реализовали двухпроцессорную обработку (два полноценных процессора помещались в два разъема на одной системной плате), создав аппаратную многопоточную среду для серверов и рабочих станций. В 1995 году был представлен процессор Intel Pentium Pro, поддерживавший эффективное объединение четырех процессоров на одной системной плате, что позволило обеспечить более высокую скорость обработки данных в многопоточных приложениях, ориентированных на серверные платформы и рабочие станции.

     Появление в 2002 году технологии Hyper-Threading (HT) ознаменовало приход многопоточного параллелизма, то есть возможности выполнять разные потоки приложений одновременно на одноядерном процессоре. Тестирование производительности, проведенное корпорацией Intel, показало, что на процессорах с технологией HT скорость работы некоторых приложений возрастает в среднем на 30%.

     Ныне, взяв курс на многоядерные платформы, корпорация Intel стала лидером в процессе перехода на многопоточные и параллельные вычисления на массовых ПК, обеспечив обработку данных на нескольких вычислительных ядрах одного процессора.

     Большинство приложений, уже сегодня оптимизированных для параллельного исполнения вычислительных потоков, например, программ, поддерживающих технологию HT или предназначенных  к исполнению на рабочих станциях или серверах с двухпроцессорной конфигурацией, при выполнении на многоядерном процессоре демонстрируют прекрасную масштабируемость производительности. К этой категории относятся мультимедийные приложения, научные приложения и новые операционные системы. 

     Первый  суперскалярный МП i960 был выпущен фирмой Intel в 1987 году. Затем были разработаны МП SPARC (1987-1989 годы), MIPS (1988-1989 годы), МПi860 (1989 год) и ряд других суперскалярных МП, в частности:

1. Процессор Pentium был впервые поставлен фирмой Intel в 1993 году как продолжение семейства МП 80x86. Цель его создания - получение быстродействия RISC-МП и полная совместимость на уровне двоичных кодов с программным обеспечением, созданным для всех МП 80x86.
2. Группа фирм AIM (APPLE + IBM + MOTOROLA) совместно разработали семейство МП POWER PC и выпустили его первый образец МП 661 в 1993 году.
3. Фирма DEC в 1992 году для создания мощных рабочих станций выпустила МП 21064 с тактовой частотой 250 Мгц, а затем более мощный МП - 21164.
4. В 1994 году фирма MIPS Computer, известная разработкой суперконвейерных МП, выпустила первый суперскалярный МП MIPS R8000 (MIPS - Microprocessor Without Interlocked Pipeline Stages), а затем МП R10000.
5. В 1994 году фирма Sun Microsystem Inc. в продолжение развития своей серии SPARC (Scalable Processor Architecture) выпустила мощный МП UltraSPARC.
6. В 1994-1995 годах фирмой Hewlett-Packard был выпущен МП PA7200 с высокими показателями быстродействия, предполагается к выпуску МП РА8000.

 

3.1 Российский суперкомпьютер  Ломоносов

     Идеи  построения отечественных суперкомпьютерных систем существовали в России всегда. Еще в 1966 году М.А.Карцев выдвинул идею создания многомашинного вычислительного комплекса М-9 производительностью около миллиарда операций в секунду. В то время ни одна из машин мира не работала с такой скоростью. Однако, несмотря на положительную оценку министерства, комплекс М-9 промышленного освоения не получил.

     Работы  по созданию суперкомпьютерных систем и суперкомпьютерных центров  ведутся в России и сейчас.

     Самый высокопроизводительный суперкомпьютер наших дней это суперкомпьютер Ломоносов, работа над которым началась летом 2009 года. В ноябре 2009 года, на очередной  ежегодной суперкомпьютерной конфиренции «Supercomputing 2009» (SC09), проходившей в Портланде, была объявлен список пятисот самых мощных компьютеров мира TOP500, на котором Ломоносов занял 12-тое место.

     Суперкомпьютер Ломоносов находится в Московском Государственном Университете имени М.В. Ломоносова, занимает 256 кв.м. площади. Разработан и построен компанией «Т-Платформы», суперкомпьютер стал самым масштабным проектом в отечественной суперкомпьютерной индустрии не только по производительности, но и по числу инноваций. В нем используются три вида вычислительных узлов и процессоры с различной архитектурой, что обеспечивает максимальную производительность в решении реальных задач. Перед установкой в МГУ имени М.В. Ломоносова система прошла тщательное тестирование на производстве компании «Т-Платформы».

     Ломоносов обладает пиковой производительностью 420Тфлопс. Реальная производительность системы на тесте Linpack - 350Тфлопс. Таким образом, эффективность суперкомпьютера, то есть соотношение реальной и пиковой производительности, составляет 83%. Этот показатель на сегодня является одним из самых высоких в мире: аналогичный показатель суперкомпьютера Jaguar, текущего лидера списка ТОП500, составляет лишь 75.46%.^[10]

     

     Рис. 3.1 Фотография суперкомпьютера Ломоносов.

     В качестве основных узлов, обеспечивающих свыше 90% производительности системы, используется инновационная blade-платформа, получившая название T-Blade2. По вычислительной плотности на квадратный метр занимаемой площади – 30Тфлопс/м2 – эта система  превосходит все мировые аналоги. T-Blade2 на базе процессоров Intel® Xeon X5570 обеспечивает производительность 18TFlops в стандартной стойке высотой 42U. В суперкомпьютере также задействованы blade-системы T-Blade 1.1 с увеличенным объемом оперативной памяти и локальной дисковой памятью для выполнения специфических задач, особенно требовательных к этим параметрам системы. Третий тип узлов – платформы на базе многоядерного процессора PowerXCell 8i, использующиеся в качестве мощных ускорителей для ряда задач. Все три типа вычислительных узлов были разработаны компанией «Т-Платформы».

     Платформа T-Blade2 была сконструирована инженерами «Т-Платформы» «с нуля» - все платы  и механические компоненты являются собственными разработками компании. T-Blade2 выходит за рамки традиционных возможностей blade-систем. Новая платформа позволяет создавать суперкомпьютеры высшего диапазона производительности, не уступающие специализированным нестандартным вычислителям с массивно-параллельной архитектурой (MPP).

     Суперкомпьютер работает под управлением пакета Clustrx - разработки компании T-Massive Computing, входящей в состав холдинга «Т-Платформы». Clustrx ОС устраняет критические ограничения масштабируемости, присущие современным операционным системам, обеспечивая более эффективное использование ресурсов крупных инсталляций размером до 25000 узлов. Пакет Clustrx содержит все необходимые компоненты для управления суперкомпьютером и организации удобного доступа пользователей к системе. Clustrx обеспечивает ежесекундный мониторинг до 300 метрик на каждом вычислительном узле, использует технологии агрессивного энергосбережения и автоматического реагирования на критические ситуации.

     Система будет использоваться для решения ресурсоемких вычислительных задач в рамках фундаментальных научных исследований, а также для проведения научной работы в области разработки алгоритмов и программного обеспечения для мощных вычислительных систем.

     В течении 2011 года мощность суперкомпьютера «Ломоносова» планируется увеличить до 1,3 Пфлопс/с — тогда он станет самым мощным, на сегодняшний день, суперкомпьютером в России и возможно войдёт в 10-ку международного рейтинга TOP500.^[9] 
 
 
 
 

4 Направление развитий

     В настоящее время развитие высокопроизводительной вычислительной техники идёт по четырем направлениям.

     1. Векторно-конвейерные компьютеры. Конвейерные  функциональные устройства и  набор векторных команд - это две  особенности таких машин. В  отличие от традиционного подхода,  векторные команды оперируют  целыми массивами независимых  данных, что позволяет эффективно  загружать доступные конвейеры,  т.е. команда вида A=B+C может означать  сложение двух массивов, а не  двух чисел. Характерным представителем  данного направления является  семейство векторно-конвейерных  компьютеров CRAY куда входят, например, CRAY EL, CRAY J90, CRAY T90 (в марте 2000 года  американская компания TERA перекупила  подразделение CRAY у компании Silicon Graphics, Inc.).

     2. Массивно-параллельные компьютеры  с распределенной памятью. Идея  построения компьютеров этого  класса тривиальна: возьмем серийные  микропроцессоры, снабдим каждый  своей локальной памятью, соединим  посредством некоторой коммуникационной  среды - вот и все. Достоинств  у такой архитектуры масса:  если нужна высокая производительность, то можно добавить еще процессоров,  если ограничены финансы или  заранее известна требуемая вычислительная  мощность, то легко подобрать  оптимальную конфигурацию и т.п.

     Однако  есть и решающий "минус", сводящий многие "плюсы" на нет. Дело в том, что межпроцессорное взаимодействие в компьютерах этого класса идет намного медленнее, чем происходит локальная обработка данных самими процессорами. Именно поэтому написать эффективную программу для таких  компьютеров очень сложно, а для  некоторых алгоритмов иногда просто невозможно. К данному классу можно  отнести компьютеры Intel Paragon, IBM SP1, Parsytec, в какой-то степени IBM SP2 и CRAY T3D/T3E, хотя в этих компьютерах влияние указанного минуса значительно ослаблено. К этому же классу можно отнести и сети компьютеров, которые все чаще рассматривают как дешевую альтернативу крайне дорогим суперкомпьютерам.

     3. Параллельные компьютеры с общей  памятью. Вся оперативная память  таких компьютеров разделяется  несколькими одинаковыми процессорами. Это снимает проблемы предыдущего  класса, но добавляет новые - число  процессоров, имеющих доступ к  общей памяти, по чисто техническим  причинам нельзя сделать большим.  В данное направление входят  многие современные многопроцессорные  SMP-компьютеры или, например, отдельные  узлы компьютеров HP Exemplar и Sun StarFire.

     4. Последнее направление, строго  говоря, не является самостоятельным,  а скорее представляет собой  комбинации предыдущих трех. Из  нескольких процессоров (традиционных  или векторно-конвейерных) и общей  для них памяти сформируем  вычислительный узел. Если полученной  вычислительной мощности не достаточно, то объединим несколько узлов  высокоскоростными каналами. Подобную  архитектуру называют кластерной, и по такому принципу построены  CRAY SV1, HP Exemplar, Sun StarFire, NEC SX-5, последние модели IBM SP2 и другие. Именно это направление является в настоящее время наиболее перспективным для конструирования компьютеров с рекордными показателями производительности.^[2] 

 

     

Заключение

     В данной работе Мы рассмотрели основные особенности параллельных архитектур ЭВМ, изучили историю развития первых параллельных машин, а также рассмотрел дальнейшие перспективы развития суперкомпьютеров в будущем.

     Идея  распараллеливания вычислений основана на том, что большинство задач  может быть разделено на набор  меньших задач, которые могут  быть решены одновременно. Параллельная архитектура помогла развиться компьютерным технологиям, в частности улучшилась производительность в разы, это помогло науке не стоять на месте и развиваться в сферах медицины, кинематографа, астрологии, созданий компьютерных игр и т.д.

     Параллельная  архитектура позволили начать решать новые задачи большего размера,  приступить к реализации реалистических математических моделей сложных физических явлений и технических устройств,  которые раньше нельзя было решать на маломощных последовательных компьютерах.  В этой области суперкомпьютеры являются незаменимым и универсальным технологическим инструментом как в изучении природы, так и в практической деятельности.

     В нашей стране придаётся большое  значение развитию паралельных архитектур. Правительство выделило огромные средства для строительства посёлка Сколково в Московской области где предоставляют все условия для развития новых современных технологий и сделать нашу страну ведущим лидером в этой области.

 

Список  источников

1. Википедия – свободная энциклопедия –

     http://ru.wikipedia.org

2. Краткая история параллельных компьютеров -

     http://parallel.ru/parallel/

3. Явный параллелизм на уровне команд -

     http://www.emanual.ru/download/www.eManual.ru_765.html

4. Параллелизм на уровне команд –

     http://itblock.ru/pka/84

5. IBM Stretch –

     http://www.brouhaha.com/~eric/retrocomputing/ibm/stretch/

6. Первый электронный суперкомпьютер -  http://www.supercomputers.ru/index.php?option=com_k2&