Робочі станції. Багатотермінальні системи. Сервери

Робочі станції

Мінікомп’ютери стали прародичами й іншого напрямку розвитку сучасних 32 та 64-розрядних комп’ютерів, що сьогодні відомі як робочі станції. Початкова орієнта­ція робочих станцій на професійних користувачів (на відміну від ПК, що від початку були орієнтовані на споживача-непрофесіонала) призвела до того, що робочі станції

- це добре збалансовані комп’ютерні системи, які, разом з високою продуктивністю, характеризуються великою єм­ністю основної і зовнішньої пам’яті, мають високошвидкісні внутрішні магістралі, високоякісну і швидкодіючу графічну підсистему і різноманітні пристрої введення-виведення. Ця властивість вигідно відрізняє робочі станції середнього і ви­сокого класу від ПК і сьогодні. Навіть найпотужніші ПК не в стані задовольнити зростаючі потреби інженерних задач через наявність в їхній архітектурі ряду вузьких місць.

В якості прикладу розглянемо характеристики робочої станції Sun Ultra 45 Workstation фірми Sun Microsystems, зо­внішній вигляд якої наведено на рис. 1.15. До її складу вхо­дять два процесори UltraSPARC ІІІі з частотою 1.6GHz, кеш пам’ять другого рівня ємністю 1МВ, Dual Gigabit Ethernet, до 16 GB DDR1 ECC пам’ять, два графічних прискорювачі для двовимірної та тривимірної графіки.

Виробники робочих станцій швидко відреагували на потребу в маловартісних моделях для ринку комерційних застосувань. Потреба в високій потужності на робочому столі навела компанії Sun Microsystems і Hewlett-Packard, які є лідерами на ринку робочих станцій, на ідею орієнтувати свою продукцію на комерційні застосування. І хоча значна частина систем цих компаній все ще орієнтована на технічні та наукові застосування, спостерігається безпрецедентне зростання продажу їх продукції для робіт комерційного застосування, що вимагають все більшої потужності для реалізації складних мережних прикладних систем, включаючи системи мультимедіа.

Багатотермінальні системи

ПК та робочі станції часто застосовуються в якості дорогих дисплеїв і в цьому ви-

падку не повністю використовується їх обчислювальна потужність. Разом з тим, багато і користувачів терміналів хотіли б покращити їхні графічні характеристики та мати мож­ливість роботи в багатовіконній системі. Ці проблеми були вирішені шляхом створення: багатотермінальних систем, які є набором стандартних терміналів, підключених до сер-: вера. Як тільки стали доступними потужні графічні робочі станції, з’явилася тенденція; застосування “підлеглих” терміналів, що використають робочу станцію в якості локаль­ного сервера.і На комп’ютерному ринку багатотермінальні системи займають проміжне положен-

ня між персональними комп’ютерами і робочими станціями. Постачальники терміналів: заявляють, що їхні вироби ефективніші в вартісному вираженні, ніж робочі станції ви-; сокого цінового класу, і пропонують збільшений рівень продуктивності у порівнянні з: персональними комп’ютерами, що робить цю технологію доступною для широкого кола: користувачів. Вартість терміналів складає біля половини вартості близького за конфі-.^: гурацією ПК без зовнішньої пам’яті і приблизно чверть вартості повністю оснащеної робочої станції.

Типовий термінал включає наступні елементи: екран високої роздільної здатності;: головний процесор, який підтримує двопроцесорну архітектуру; окремий графічний: співпроцесор, що забезпечує швидше малювання на екрані і прокручування екрану; ба-: зові системні програми; програмне забезпечення сервера; локальну пам’ять для дисплею: та мережного інтерфейсу, що підтримує протокол TCP/IP та інші мережні протоколи;: порти для підключення клавіатури і миші.

Термінали відрізняються від ПК і робочих станцій не тільки тим, що не виконують

функції звичайної локальної обробки. Робота терміналів залежить від головної системи, до якої вони підключені через мережу. Для того, щоб термінал міг працювати, користу­вачі повинні встановити програмне забезпечення багатовіконного сервера на головному процесорі, що виконує прикладну задачу. Локальна обчислювальна потужність термі-; налу зазвичай використовується для виконання програм обробки зображень, а не при-; кладних програм, які виконуються на головному процесорі. Термінал може відображати: на одному і тому ж екрані декілька задач. Користувач може змінювати розміри вікон, їхнє місцезнаходження і маніпулювати ними в будь-якому місці екрана.

Сервери

Прикладні комерційні та бізнесові системи, розраховані на багато користувачів, включаючи системи керування базами даних і обробки транзакцій, великі видавни­чі системи, мережні системи і системи обслуговування комунікацій, системи розроб­ки програмного забезпечення і обробки зображень, вимагають переходу до моделі об­числень “клієнт-сервер” і розподіленої обробки. В розподіленій моделі “клієнт-сервер” частину роботи виконує сервер, а частину - комп’ютер користувача (в загальному ви­падку частини сервера і користувача можуть виконуватись і на одному комп’ютері). Іс­нує декілька типів серверів для різних застосувань: файловий сервер, сервер бази даних, принт-сервер, обчислювальний сервер, сервер застосувань. Таким чином, тип сервера визначається ресурсом, яким він володіє (файлова система, база даних, принтери, про­цесори або прикладні пакети програм).

З іншого боку існує класифікація серверів за масштабом мережі, в якій вони вико­ристовуються: сервер робочої групи, сервер відділу або сервер підприємства (корпора­тивний сервер). Ця класифікація надто умовна. Наприклад, розмір групи може зміню­ватися в діапазоні від декількох людей до декількох сотень людей, а сервер відділу може обслуговувати від 20 до 150 користувачів. Очевидно, залежно від числа користувачів і характеру вирішуваних ними завдань, вимоги до складу обладнання і програмного за­безпечення сервера, до його надійності та продуктивності суттєво відрізняються.

Файлові сервери невеликих робочих груп (не більше 20-30 людей) простіше всього реалізуються на платформі персональних комп’ютерів і програмному забезпеченні Nov­ell NetWare. Файл-сервер в даному випадку виконує роль центрального сховища даних. Типовими до складу невеликих файл-серверів входять процесор, основна та зовнішня пам’ять, а також адаптер Ethernet. До складу таких серверів часто включаються диско­вод гнучких дисків і дисковод компакт-дисків. Графіка для більшості серверів несуттєва, тому достатньо мати звичайний монохромний монітор з невисокою роздільною здатніс­тю. Бажано застосувати пристрій безперебійного живлення.

Для файл-серверів загального доступу, з якими водночас можуть працювати де­кілька десятків, а то і сотень людей, простої однопроцесорної платформи і програмного забезпечення Novell може виявитися недостатньо. В цьому випадку використовують­ся потужні багатопроцесорні сервери з можливостями нарощування основної пам’яті до декількох ГБ, дискового простору до сотень ГБ, швидкими інтерфейсами дисково­го обміну (типу Fast SCSI-2, Fast&Wide SCSI-2 і Fiber Channel) і декількома мережними

інтерфейсами. Ці сервери використовують операційну систему UNIX, мережні протоколи TCP/IP і NFS. На базі багатопроцесорних UNIX-серверів зазвичай будуються також сервери баз даних великих інформаційних систем, бо на них покладається основне навантаження з обробки інформаційних запитів. Сервери подібного типу отри­мали назву суперсерверів.

Розглянемо технічні характеристики одного з серве­рів фірми Sun, а саме сервера Т2000, зовнішній вигляд якого наведено на рис. 1.16. Його ціна, залежно від комп­лектування, становить понад $8,419. До складу сервера входять до восьми процесорів частотою 1.2 ГГц з архітектурою UltraSPARC Ті, до 32 ГБ пам’ять, операційна система Solaris.

За загальносистемною продуктивністю, функціональними можливостями окремих компонентів, стійкістю до відмов, а також ступенем підтримки багатопроцесорної об­робки, системного адміністрування і дискових масивів великої ємності суперсервери вийшли в нинішній час на один рівень з мейнфреймами. Сучасні суперсервери харак­теризуються наявністю двох або більше центральних процесорів, багатошинною струк­турою, мають достатні можливості нарощування дискового простору і обчислювальної потужності, засоби забезпечення надійності зберігання даних і захисту від несанкціоно­ваного доступу.

9. Кластерні комп'ютерні системи.

Двома основними проблемами побудови комп’ютерних систем для критично важ­ливих застосувань, зв’язаних з обробкою транзакцій, керуванням базами даних і об­слуговуванням телекомунікацій, є забезпечення високої продуктивності та тривалого функціонування систем. Найефективнішим засобом для досягнення заданого рівня продуктивності є застосування паралельних архітектур, які піддаються масштабуван- ню. Завдання забезпечення тривалого функціонування системи має три складових: на­дійність, готовність і вартість обслуговування. Всі три складові передбачають, в першу чергу, боротьбу з несправностями системи, що породжуються відмовами і збоями в її роботі. Ця боротьба ведеться по всіх трьох напрямках, що взаємозв’язані і застосову­ються спільно.

Підвищення надійності базується на принципі відвертання несправностей шляхом зниження інтенсивності відмов і збоїв за рахунок застосування електронних схем і ком­понентів з високим і надвисоким ступенем інтеграції, зниження рівня завад, полегшених режимів роботи схем, забезпечення теплових режимів їхньої роботи, а також за рахунок вдосконалення засобів монтажу апаратури. Підвищення рівня готовності передбачає зниження в певних межах впливу відмов і збоїв на роботу системи з допомогою засобів контролю і корекції помилок, а також засобів автоматичного відновлення обчислюваль­ного процесу після прояву несправності, включаючи апаратну і програмну надлишко- вість, на основі якої реалізуються різноманітні варіанти стійкої до відмови архітектури. Підвищення готовності є засобом боротьби за зниження часу простою системи. Основні експлуатаційні характеристики системи істотно залежать від зручності її обслуговуван­ня, зокрема від ремонтопридатності, контролепридатності і т. д.

В останні роки в літературі з обчислювальної техніки все частіше вживається термін “системи високої готовності” (High Availability Systems). Всі типи систем високої готов­ності орієнтовані на мінімізацію часу простою. Є два типи часу простою комп’ютера: плановий і неплановий. Плановий час простою зазвичай включає час, прийнятий для проведення робіт по модернізації системи і для її обслуговування. Неплановий час про­стою є результатом відмови системи або її компоненти. Хоча системи високої готовнос­ті, можливо, більше асоціюються з мінімізацією непланових простоїв, вони виявляються також корисними для зменшення планового часу простою.

Існує декілька типів систем високої готовності, що відрізняються своїми функціо­нальними можливостями і вартістю. Слід відзначити, що висока готовність не дається безкоштовно. Вартість систем високої готовності набагато перевищує вартість звичай­них систем. Певно тому найбільше розповсюдження отримали кластерні системи завдя­ки їх здатності забезпечити достатньо високий рівень готовності при відносно низьких витратах. Термін “кластеризація” на сьогодні в комп’ютерній промисловості має багато різноманітних значень. Точне визначення могло б звучати так: “реалізація об’єднан­ня машин, що представляється єдиним ці­лим для операційної системи, системного програмного забезпечення, прикладних програм і користувачів”. Машини, клас- теризовані таким способом, можуть при відмові одного процесора дуже швидко перерозподілити роботу на інші процесо­ри всередині кластера. Це, можливо, най­важливіше завдання багатьох постачаль­ників систем високої готовності.

Першою концепцію кластерної сис­теми анонсувала компанія DEC, визна­чивши її

як групу об’єднаних між собою комп’ютерів, що представляють собою єдиний вузол обробки інформації. По суті кластер цієї компанії був слабко зв’яза­ною багатомашинною системою з спіль­ною зовнішньою пам’яттю, що забезпечує єдиний механізм керування і адміністру­вання.

На рис. 1.18 показано зовнішній вигляд такого кластера. Рис. 1.18. Зовнішній вигляд кластери

Робота будь-якої кластерної системи визначається двома головними компонента­ми: високошвидкісним механізмом зв’язку процесорів між собою і системним про­грамним забезпеченням, що надає клієнтам прозорий доступ до системного сервісу.

В даний час широке розповсюдження отримала технологія паралельних баз даних. Ця технологія дозволяє великій кількості процесорів поділяти доступ до єдиної бази даних. Розподіл завдань між процесорними ресурсами і паралельне'їх виконання дозво­ляє досягнути вищого рівня пропускної спроможності транзакцій, підтримувати більше число одночасно працюючих користувачів і прискорити виконання складних запитів. Для вирішення цих завдань використовується архітектура зі спільними (розподіленими) дисками. Це типовий випадок побудови кластерної системи. Ця архітектура підтримує єдину базу даних при роботі з декількома комп’ютерами, об’єднаними в кластер (зазви­чай такі комп’ютери називаються вузлами кластера), кожний з яких працює під керу­ванням своєї копії операційної системи. В таких системах всі вузли поділяють доступ до загальних дисків, на яких власне і розміщується єдина база даних. Продуктивність таких систем може збільшуватися як шляхом нарощування числа процесорів і ємності основної пам’яті в кожному вузлі кластера, так і шляхом збільшення кількості самих вузлів. У випадку відмови одного з таких вузлів, вузли, що залишилися, можуть взяти на себе завдання, що виконувалися на вузлі, який відмовив, не зупиняючи загальний процес роботи з базою даних. Оскільки логічно в кожному вузлі системи є образ бази даних, доступ до неї буде забезпечуватися до тих пір, доки в системі є принаймні один справний вузол.

10. Суперкомп'ютери. Мікроконтролери. Спеціалізовані комп'ютери

Суперкомп’ютери

До класу суперкомп’ютерів належать комп’ютери, що мають максимальну в даний час продуктивність, а також максимальну ємність основної та зовнішньої пам’яті. Вони асоціюються з великими розмірами, великими завданнями, гранично високими харак­теристиками. Швидкий розвиток комп’ютерної індустрії призводить до відносності да­ного поняття. Суперкомп’ютер десятирічної давності сьогодні під це визначення вже не потрапляє. Наприклад, продуктивність персональних комп’ютерів, що використовують Pentium-II/300MHz, є близькою до продуктивності суперкомп’ютерів середини 70-х ро­ків, проте за сьогоднішніми мірками суперкомп’ютерами не є ні ті, ні інші.

Нижче подано декілька прикладів, що показують основні характеристики комп’юте­рів цього класу, які використовуються в даний час.

CRAY Т932, векторно-конвеєрний комп’ютер фірми CRAY Research Inc. (на сьогодні це є підрозділ Silicon Graphics Inc.), уперше випущений у 1996 році. Максимальна про­дуктивність одного процесора дорівнює майже 2 млрд операцій за секунду, основна пам’ять нарощується до 8 ГБ, дисковий простір до 256000 ГБ (тобто 256Т6). Комп’ютер у максимальній конфігурації вміщує 32 процесори, що працюють із загальною пам’яттю, тому максимальна продуктивність всієї комп’ютерної системи складає більше 60 млрд операцій за секунду.

IBM SP2, матричний паралельний комп’ютер фірми IBM. Побудований на основі стандартних процесорів PowerPC 604е або POWER2 SC, сполучених між собою через високошвидкісний комутатор, причому кожний має свою локальну основну пам’ять і дискову підсистему. Характеристики цих процесорів відомі й особливого подиву не ви­кликають, проте в рамках однієї системи SP2 їх може бути об’єднано дуже багато. Зокре­ма, максимальна система, встановлена в Pacific Northwest National Laboratory (Richland, USA), вміщує 512 процесорів. Виходячи з числа процесорів, можна уявити сумарну по­тужність всієї системи.

HP Exemplar, комп’ютер із кластерною архітектурою від Hewlett-Packard Inc. Зокрема, модель V2250 (клас V) побудована на основі мікропроцесора РА-8200, що працює з так­товою частотою 240 МГц. В рамках одного вузла зі спільною основною пам’яттю до 16 ГБ можна об’єдна­ти до 16 процесорів. У свою чергу вузли в рамках однієї комп’ютерної системи з’єднуються між собою че­рез високошвидкісні канали переда­чі даних.

Суперкомп’ютер ASCI RED, результат виконання програми Ac­celerated Strategic Computing Initi­ative. Побудований на замовлення Міністерства енергетики США, він об’єднує 9152 процесори Pentium Pro, має 600 ГБ сумарної основної пам’яті та загальну продуктивність 1800 мільярдів операцій за секунду.

Найпотужнішим на сьогодні комп’ютером є суперкомп’ютер фірми IBM Blue Gene/L (рис. 1.19), який має 131 072 процесорних вузлів та продуктивність 280.6 TFLOPS (10¹² FLOPS). Кожен вузол містить процесор PowerPC 440 із 512 МБ локальної пам’яті.

В 2006 році був уведений в експлуатацію суперкомп’ютер MDGRAPE-3, який до- сяг продуктивності 1 PFLOPS (10¹⁵ FLOPS), однак його не відносять до універсальних суперкомп’ютерів, оскільки він є орієнтованим на виконання задач молекулярної ди­наміки.

Навіть спрощені конфігурації таких комп’ютерів коштують не один мільйон доларів СІЛА. Виникає ряд природних запитаннь:

> які завдання настільки важливі, що потребують використання комп’ютерів вар­тістю декілька мільйонів доларів?

> які завдання настільки складні, що процесора Pentium IV недостатньо?

От лише невеличкий список областей людської діяльності, де необхідно використо­вувати суперкомп’ютери: автомобілебудування; нафто- і газовидобуток; фармакологія; прогноз погоди і моделювання зміни клімату; сейсморозвідка; проектування електрон­них пристроїв; синтез нових матеріалів, генні дослідження.

На рис. 1.20 подано завдання, для виконання яких необхідне застосування супер­комп’ютерів, а також потрібні для їх вирішення комп’ютерні ресурси.

 

Видно, що ємність пам’яті досягає одного ТБ за умови, що продуктивність має бути один TFLOPS. Зрозуміло, що межа необхідних комп’ютерних ресурсів є рухомою. На­дати ресурси, які вимагаються наведеними завданнями, за допомогою стандартних од- нопроцесорних систем неможливо. Це спричинює використання багатопроцесорних комп’ютерних систем як магістрального напрямку досягнення високої продуктивності.

Мікроконтролери

Мікроконтролери - комп’ютери на кристалі, призначені для керування електронни­ми пристроями, зокрема побутовими пристроями, виробничими лініями, вимірюваль­ними пристроями і т. д. До складу мікроконтролера входять наступні вузли:

> центральний процесор, розрядністю від 4 до 64 бітів, залежно від потрібної точ- І ності обчислень; \

> інтерфейси введення-виведення, в першу чергу послідовні порти; З

> периферійні пристрої, такі як: таймери та схеми захисту, цифроаналогові та ана- З логоцифрові перетворювачі;:

> пам’ять з довільним доступом для зберігання даних; з

> постійна пам’ять типу ROM, EPROM, EEPROM чи Flash для зберігання про-; грами; '§

> генератор тактів. -

Така інтеграція названих пристроїв на кристалі дозволяє забезпечити малі габарити З

та споживання і сприяє широкому використанню мікроконтролерів у різного роду - вбудованих системах. Наприклад, в сучасному автомобілі використовується понад З 50 мікроконтролерів. Вони також використовуються в побутовій електроніці, мобільних З телефонах, виробничих лініях тощо. Нарис. 1.21 подано зовнішній вигляд мікроконтро- З лера РІС 18F8720 фірми Microchip в корпусі TQFP з 80 виводами. З

Розробники мікроконтролерів забезпечують спеціальний сервіс для користувачів, З зокрема версії, які дозволяють перепрограмування програмної пам’яті ультрафіолетовим світлом, можливість підключення зовнішньої оперативної пам’яті в якості пам’яті програм, та інше. Сучасні мікроконтролери програмуються в коді мови С та мають внутрішні схеми відлаго- дження.

Спеціалізовані комп’ютери

За допомогою універсальних комп’ютерів та комп’ютерних систем (УКС), які були розглянуті вище, можна вирішувати багато задач наукового, виробничо-технічного та іншого характеру. Однак існують надзвичайно важливі класи задач і окремі задачі, для розв’язку яких математичні та техніко- економічні якості УКС недостатні. Не варто дово­дити дієвість принципу спеціалізації інструмен­тальних засобів взагалі, оскільки вся свідома технічна діяльність людства її підтверджує. Досить вказати, що цей принцип ефективно діє і в галузі інформатики. Загальний аналіз причин створення і використання спеціалізованих комп’ютерних систем (СКС) показує, що ці причини можна віднести до трьох основних груп.

Перша група об’єднує причини, що виникли внаслідок суперечностей між формаль­ними математичними методами постановки і розв’язку задач, з одного боку, і загаль­ними принципами організації та функціонування, а також технічними можливостями УКС, з іншого боку. Саме математична сутність задач часто обумовлює необхідність створення СКС для їх розв’язку. Як приклади тут можна навести нові нестандартні та неалгоритмічні методи, системи алгебраїчних, диференційних та інтегральних рівнянь великої розмірності, логічні та імовірнісно-статистичні задачі, дії над матрицями та век­торами, задачі в багатовимірних просторах та багато інших.

До другої групи входять причини, які обумовлені змістовною стороною задач, вирі­шуваних СКС, та відображають специфіку відповідних предметних областей.

Третя група причин обумовлена особливими вимогами до якості реалізації комп’ю­терних систем, які зазвичай полягають в екстремалізації (тобто в максимальному набли­женні до теоретичних границь) деяких їх характеристик, наприклад, продуктивності, надійності (безвідмовності, живучості, відновлюваності, довговічності та ін.), вартості, точності, габаритів, маси і т.п. Сюди ж належать вимоги, що визначають такі якості комп’ютерних систем, як їх повна або часткова імплантація (конструктивне та функціо­нальне суміщення) в інші системи, інформаційне поєднання з ними, пристосованість до умов експлуатації та кваліфікації обслуговуючого персоналу і т.д.

Слід мати на увазі, що реальні ситуації створення СКС найповніше характеризу­ються двома особливостями. Перша полягає в тому, що саме СКС є своєрідним засо­бом апробації нових методів автоматизації обробки інформації, що мають математичні корені. Наприклад, розпаралелювання та децентралізація обчислень, макрооперації та функціональні розширювачі, символьна обробка та розв’язок задач в багатовимірних числових системах та ін. пройшли спочатку дуже ретельну перевірку в СКС і тільки піс­ля цього з’явилися в УКС.

Друга особливість пов’язана з тим, що реальні СКС є складними програмно-техніч­ними комплексами, в яких на інженерному рівні необхідно задовольнити багато супе­речливих вимог. Тому досягнення оптимальних і функціональних якостей СКС може бути проблематичним і доцільніше визначати ці якості як оптимізовані, тобто такі, що тією чи іншою мірою наближаються до оптимальних. Аналіз математичних методів оптимізації СКС показує, що вони дозволяють, певною мірою, виявляти недоліки таких систем, їхні “слабкі місця”, простежити взаємозв’язок характеристик системи, визначити загальний напрямок підвищення їх ефективності та оцінити різні варіанти СКС. Однак ці методи не дають ніяких конструктивних рішень і шляхів удосконалення СКС, не ви­значають змістовної сторони різних варіантів їх організації та реалізації. Генезис таких варіантів формальними математичними методами неможливий. Тому процес створення оптимізованих СКС має характер багатоступеневої ітераційної процедури, де в різних відношеннях комбінуються формальні та конкретно-змістовні методи, що відіграють аналітичну (оціночну) та синтетичну (генеративну) ролі.

Таким чином, СКС - це комп’ютерні системи для розв’язку великого числа відносно вузьких класів задач, оптимізовані в певній критеріальній сукупності.

Для СКС характерні наступні риси, які відрізняють їх від універсальних комп’ютер­них систем:

> орієнтація структури на вирішувані задачі;

> вузький, в основному постійний клас вирішуваних задач;

> особливі вимоги до точності, часто нестандартна довжина розрядної сітки;

> спеціальна система обміну, в тому числі наявність аналого-цифрових та цифро- аналогових каналів зв’язку;

> використання орієнтованих на область застосування мов програмування та ши­рокі можливості їх апаратної інтерпретації;

> наявність спеціальних функцій і процедур в наборі операцій та команд;

> необхідність обробки вхідних даних в темпі їх поступлення та видачі результатів обчислень в темпі поступлення вхідних даних;

> суміщення в часі приймання, обробки та видачі даних;

> висока продуктивність;

> малі габарити;

> низька споживана потужність;

орієнтація конструкції на конкретне застосування