Классификация по типу эвм или процессоров

По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы. Однородные вычислительные системы предполагают комплексирование однотипных ЭВМ (процессоров), а неоднородные – разнотипных ЭВМ (процессоров).

В однородных системах значительно упрощаются разработка и обслуживание технических и программных (в основном это операционные системы) средств. В них обеспечивается возможность стандартизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элементов системы. Упрощается обслуживание систем, облегчаются модернизация и их развитие.

Неоднородные системы находят применение и в микропроцессорных системах. Многие ЭВМ, в том числе и ПЭВМ, могут использовать сопроцессоры: десятичной арифметики, матричные и т.п.

Классификация по степени территориальной разобщённости

По степени территориальной разобщенности, вычислительные системы делятся на системы совмещенного (сосредоточенного) и распределенного (разобщенного) типов. Обычно такое деление касается только многомашинных вычислительных систем. Многопроцессорные системы относятся к системам совмещенного типа.

Учитывая успехи микроэлектроники, это совмещение может быть очень глубоким. В настоящее время появилась возможность иметь в одном кристалле несколько параллельно работающих процессоров. ЭВМ с многоядерным процессором является многопроцессорной вычислительной системой совмещённого типа.

Классификация по режиму работы

По режиму работы различают вычислительные системы, работающие в оперативном временном режиме и в неоперативном временном режиме. Оперативный – это режим реального времени. Он характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе и предполагает высокую степень автоматизации процедур ввода-вывода и обработки данных.

Как правило, вычислительные системы используют для управления технологическим процессом в реальном масштабе времени, когда обработка информации должна производиться за время, не превышающее время течения самого процесса. От вычислительных систем в этом случае требуется много: большое быстродействие и высокий уровень надежности, чрезвычайная оперативность и "живучесть", т.е. способность выполнять возлагаемые на нее функции даже при выходе из строя каких-то элементов. Современные ЭВМ еще не обеспечивают выполнение этих требований, поэтому приходится создавать специализированные вычислительные системы.

 

В декабре 2008 года в России создан вычислительная система (супер-ЭВМ), способная выполнять 27 триллионов операций в секунду, что в 10.000 раз больше, чем у предшествующей супер-ЭВМ. Вычислительная система установлена в Гидрометцентре России. Она включает в себя 30.000 микропроцессоров. Потребляемая мощность равна 500 КВт. Система охлаждения используется антифриз (который течет по трубам охлаждения).

 

Типы архитектур вычислительных систем, их особенности, преимущества и недостатки

Типы архитектур вычислительных систем

Архитектура вычислительной системы – это совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логическую и структурную организацию системы.

Поскольку вычислительные системы появились как параллельные системы, то и рассмотрим классификацию архитектур под этой точкой зрения. Классификация архитектур была предложена М. Флинном в начале 60-х годов. Это классификация по взаимодействию потоков команд и потоков данных.

В основу классификации архитектур вычислительных систем заложено два возможных вида параллелизма: независимость потоков команд, существующих в системе, и независимость (не связанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке. Классификация до настоящего времени не потеряла своего значения. Однако, как и любая классификация, она носит временный и условный характер. Своим долголетием она обязана тому, что оказалась справедливой для вычислительных систем, в которых ЭВМ и процессоры реализуют программные последовательные методы вычислений. С появлением систем, ориентированных на потоки данных и использование ассоциативной обработки, данная классификация может быть некорректной.

В основу классификации вычислительных систем с параллельной обработкой положено понятие потока. Под потоком понимается последовательность команд или данных, обрабатываемая процессором.

Классификация основана на рассмотрении числа потоков команд и потоков данных и описывает четыре базовых архитектуры.

Архитектура ОКОД

Одиночный поток команд - одиночный поток данных (ОКОД) в английском варианте – Single Instruction Single Data (SISD) – одиночный поток инструкций – одиночный поток данных.

Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одно-машинные варианты систем, т.е. с одним вычислителем. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работы устройств ввода-вывода информации и процессора.

 

Архитектура ОКМД

Одиночный поток команд - множественный поток данных (ОКМД) или в английском варианте Single Instruction Multiple Data (SIMD) – одиночный поток инструкций и множественный поток данных.

Процессоры идентичны и все они управляются одной и той же последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных.

Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных, алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединения между процессорами, соответствующие реализуемым математическим зависимостям. Как правило, эти связи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними элементами.

По этой схеме строились системы: первая супер-ЭВМ — ILLIAC-IV, отечественные параллельные системы — ПС-2000, ПС-3000. Идея векторной обработки широко использовалась в таких известных супер-ЭВМ, как Cyber-205 и Gray-I, II, III. Узким местом подобных систем является необходимость изменения коммутации между процессорами, когда связь между ними отличается от матричной. Кроме того, задачи, допускающие широкий матричный параллелизм, составляют достаточно узкий класс задач.

Структуры вычислительных систем этого типа, по существу, являются структурами специализированных супер-ЭВМ (большой объем вычислений по одной программе, но с большим количеством данных, подлежащих обработке).

Архитектура МКОД

Множественный поток команд - одиночный поток данных (МКОД)или в английском варианте Multiple Instruction Single Data (MISD) – множественный поток инструкций – одиночный поток данных.

В архитектуре таких ВС имеется много процессоров, обрабатывающих один и тот же поток команд.

Этот тип архитектуры предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. В современных ЭВМ по этому принципу реализована схема совмещения операций, в которой параллельно работают различные функциональные блоки, и каждый из них делает свою часть в общем цикле обработки команды.

Выгоды такого вида обработки понятны. Прототипом таких вычислений может служить схема любого производственного конвейера. В ВС этого типа конвейер должны образовывать группы процессоров. Однако при переходе на системный уровень очень трудно выявить подобный регулярный характер в универсальных вычислениях. Кроме того, на практике нельзя обеспечить и “большую длину” такого конвейера, при которой достигается наивысший эффект. Вместе с тем конвейерная схема нашла применение в так называемых скалярных процессорах супер-ЭВМ, в которых они применяются как специальные процессоры для поддержки векторной обработки.

Архитектура МКМД

Множественный поток команд - множественный поток данных (МКМД) или в английском варианте Multiple Instruction Multiple Data (MIMD) – множественный поток инструкций – множественный поток данных.

Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственными потоками команд. Такая схема использования вычислительных систем часто применяется на многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности.