§ повышение надежности;
§ покрытие семантического разрыва.
Этапы развития вычислительных средств принято различать по поколениям машин. Характеристика поколения определяется конкретными показателями, отражающими достигнутый уровень в решении трех перечисленных проблем. Поскольку подавляющий вклад в развитие вычислительных средств всегда принадлежал технологическим решениям, основополагающей характеристикой поколения машин считалась элементная база. И действительно, переход на новую элементную базу хорошо коррелируется с новым уровнем показателей производительности, надежности и сокращения семантического разрыва.
В настоящее время актуальным является переход к новым поколениям вычислительных средств. По сложившейся традиции решающая роль отводится технологии производства элементной базы. В то же время становится очевидным, что технологические решения утратили монопольное положение. Так, например, в ближайшей перспективе заметно возрастает значение проблемы покрытия семантического разрыва, что отражается в необходимости создания высокосложных программных продуктов и требует кардинального снижения трудоемкотси программирования. Эта проблема решается преимущественно архитектурными средствами. Роль технологии здесь может быть только косвенной: высокая степень интеграции создает условия для реализации архитектурных решений.
В настоящее время одним из доминируюших направлений развития суперЭВМ являются вычислительные системы c MIMD-параллелизмом на основе матрицы микропроцессоров. Для создания подобных вычислительных систем, состоящих из сотен и тысяч связанных процессоров, потребовалось преодолеть ряд сложных проблем как в программном обеспечении (языки Parallel Pascal, Modula-2, Ada), так и в аппаратных средствах (эффективная коммутационная среда, высокоскоростные средства обмена, мощные микропроцессоры). Элементная база современных выcокопроизводительных систем характеризуется выcокой степенью интеграции (до 3,5 млн. транзисторов на кристалле) и высокими тактовыми частотами (до 600 МГц).
В настоящее время все фирмы и все университеты США, Западной Европы и Японии, разрабатывающие суперЭВМ, ведут интенсивные исследования в области многопроцессорных суперЭВМ с массовым параллелизмом, создают множество их типов, организуют их производство и ускоренными темпами осваивают мировой рынок в этой области. Многопроцессорные ЭВМ с массовым параллелизмом уже сейчас существенно опережают по производительности традиционные суперЭВМ с векторно-конвейерной архитектурой. Системы с массовым параллелизмом предъявляют меньшие требования к микропроцессорам и элементной базе и имеют значительно меньшую стоимость при любом уровне производительности, чем векторно-конвейерные суперЭВМ.
На ежегодной конференции в Чепел-Хилл (Сев.Каролина) представлен проект фирмы IBM, целью которого является создание гиперкубического параллельного процесора в одном корпусе. Конструкция, названная Execube, имеет 8 16-разрядных микропроцесоров, встроенных в кристалл 4Мбит динамического ЗУ (ДЗУ). При этом степень интеграци составляет 5 млн. транзисторов. Микросхема изготовлена по КМОП-технологии с тремя уровнями металлизации на заводе IBM Microelectronic (Ясу, Япония). Execube представляет собой попытку повышения степени интеграции процессора с памятью путем более эффективного доступа к информации ДЗУ. По существу, память превращается в расширенные регистры процессоров. Производительность микросхемы составляет 50 млн оп/с.
Фирма CRAY Research обёявила о начале выпуска суперкопьютеров CRAY T3/E. Основная характеристика, на которой акцентировали внимание разработчики - масштабируемость. Минимальная конфигурация составляет 8 микропроцессоров, максимальная - 2048. По сравнению с предыдущей моделью T3/D соотношение цена/производительность снижена в 4 раза и составляет 60 долл/Мфлопс, чему способствовало применение недорогих процессоров DEC Alpha EVC, изготовленных по КМОП-технологии. Предполагаемая стоимость модели Т3/Е на основе 16 процессоров с 1-Гбайт ЗУ составит 900 тыс. долларов, а цена наиболее мощной конфигурации (1024 процессора, ЗУ 64 Гбайт) -39,7 млн. долларов при пиковой производительности 600 Гфлопс.
Одним из способов дальнейшего повышения производительности вычислительной системы является объединение суперкомпьютеров в кластеры при помощи оптоволоконных соединений. С этой целью компьютеры CRAY T3/E снабжены каналами ввода/вывода с пропускной способностью 128 Гбайт/с. Потенциальные заказчики проявляют повышенный интерес к новой разработке фирмы. Желание приобрести компьютер изъявили такие организации как Pittsburgh Supercomputer Center, Mobile Oil, Департамент по океанографии и атмосферным исследованиям США. При этом подписано несколько контрактов на изготовление нескольких компьютеров 512-процессорной конфигурации.
Среди японских компаний следует выделить фирму Hitachi, которая выпустила суперкомпьютер SR2201 с массовым параллелизмом, содержащий до 2048 процесоров. В основе системы переработанная компанией процессорная архитектура RA-RISC от фирмы Hewlett-Paccard. Псевдовекторный процессор функционирует под управлением ОС HP-UX/MPP Mash 3.0. В компьютере, кроме того, использована система поддержки параллельного режима работы Exdivss, созданная корпорацией Parasoft и получившая название ParallelWare. Производительность нового компьютера составляет 600 Гфлопс.
4. КРАТКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫХ СУПЕРКОМПЬЮТЕРОВ
IBM RS/6000 SP
Производитель
| International Business Machines (IBM), подразделение RS/6000.
| Класс архитектуры
| Масштабируемая массивно-параллельная вычислительная система (MPP).
| Узлы
| Узлы имеют архитектуру рабочих станций RS/6000. Существуют несколько типов SP-узлов, которые комплектуются различными процессорами: PowerPC 604e/332MHz, POWER3/200 и 222 MHz (более ранние системы комплектовались процессорами POWER2). High-узлы на базе POWER3 включают до 8 процессоров и до 16 GB памяти.
| Масштабируе-мость
| До 512 узлов. Возможно совмещение узлов различых типов. Узлы устанавливаются в стойки (до 16 узлов в каждой).
| Коммутатор
| Узлы связаны между собой высокопроизводительных коммутатором (IBM high-performance switch), который имеет многостадийную структуру и работает с коммутацией пакетов.
| Cистемное ПО
| OC AIX (устанавливается на каждом узле), система пакетной обработки LoadLeveler, параллельная файловая система GPFS, параллельная СУБД INFORMIX-OnLine XPS. Параллельные приложения исполняются под управлением Parallel Operating Environment (POE).
| Средства
программирова-ния
| Оптимизированная реализация интерфейса MPI, библиотеки параллельных математических подпрограмм - ESSL, OSL.
| Обзор
| Обзор архитектуры суперкомпьютеров серии RS/6000 SP корпорации IBM.
| HP 9000 (Exemplar)
Производитель
| Hewlett-Packard, подразделение высокопроизводительных систем.
| Класс
| Многопроцессорные сервера с общей памятью (SMP).
| Предшествен-ники
| SMP/NUMA-системы Convex SPP-1200, SPP-1600, SPP-2000.
| Модификации
| В настоящее время доступны несколько "классов" систем семейства HP 9000: сервера начального уровня (D, K-class), среднего уровня (N-class) и наиболее мощные системы (V-class).
| Процессоры
| 64-битные процессоры c архитектурой PA-RISC 2.0 (PA-8200, PA-8500).
| Число процессоров
| N-class - до 8 процессоров. V-class - до 32 процессоров. В дальнейшем ожидается увеличение числа процессоров до 64, а затем до 128.
| Масштабируе-мость
| SCA-конфигурации (Scalable Computing Architecture) - до 4 узлов V-class, т.е. до 128 процессоров.
| Системное ПО
| Устанавливается операционная система HP-UX (совместима на уровне двоичного кода с ОС SPP-UX компьютеров Convex SPP).
| Средства программирова-ния
| HP MPI - реализация MPI 1.2, оптимизированная к архитектуре Exemplar. Распараллеливающие компиляторы Fortran/C, математическая библиотека HP MLIB. CXperf - с редство анализа производительности программ.
| Обзор
| Обзор архитектуры серверов HP 9000 класса V корпорации Hewlett-Packard
| Cray T3E
Производитель
| Cray Inc.
| Класс архитектуры
| Масштабируемая массивно-параллельная система, состоит из процессорных элементов (PE).
| Предшествен-ники
| Cray T3D
| Модификации
| T3E-900, T3E-1200, T3E-1350
| Процессорный элемент
| PE состоит из процессора, блока памяти и устройства сопряжения с сетью. Используются процессоры Alpha 21164 (EV5) с тактовой частотой 450 MHz (T3E-900), 600 MHz (T3E-1200), 675 MHz (T3E-1350) пиковая производительность которых составляет 900, 1200, 1350 MFLOP/sec соответственно. Процессорный элемент располагает своей локальной памятью (DRAM) объемом от 256MB до 2GB.
| Число процессоров
| Системы T3E масштабируются до 2048 PE.
| Коммутатор
| Процессорные элементы связаны высокопроизводительной сетью GigaRing с топологией трехмерного тора и двунаправленными каналами. Скорость обменов по сети достигает 500MB/sec в каждом направлении.
| Системное ПО
| Используется операционная система UNICOS/mk.
| Средства программирова-ния
| Поддерживается явное параллельное программирование c помощью пакета Message Passing Toolkit (MPT) - реализации интерфейсов передачи сообщений MPI, MPI-2 и PVM, библиотека Shmem. Для Фортран-программ возможно также неявное распараллеливание в моделях CRAFT и HPF. Среда разработки включает также набор визуальных средств для анализа и отладки параллельных программ.
| Cray T90
Производитель
| Cray Inc., Cray Research.
| Класс архитектуры
| Многопроцессорная векторная система (несколько векторных процессоров работают на общей памяти).
| Предшествен-ники
| CRAY Y-MP C90, CRAY X-MP.
| Модели
| Серия T90 включает модели T94, T916 и T932.
| Процессор
| Системы серии T90 базируются на векторно-конвейерном процессоре Cray Research с пиковой производительностью 2GFlop/s.
| Число процессоров
| Система T932 может включать до 32 векторных процессоров (до 4-х в модели T94, до 16 модели T916), обеспечивая пиковую производительность более 60GFlop/s.
| Масштабируе-мость
| Возможно объединение нескольких T90 в MPP-системы.
| Память
| Система T932 содержит от 1GB до 8GB (до 1 GB в модели T94 и до 4GB в модели T916) оперативной памяти и обеспечивает скорость обменов с памятью до 800MB/sec.
| Системное ПО
| Используется операционная система UNICOS.
| Cray SV1
Производитель
| Cray Inc.
| Класс архитектуры
| Масштабируемый векторный суперкомпьютер.
| Процессор
| Используются 8-конвейерные векторные процессоры MSP (Multi-Streaming Processor) с пиковой производительностью 4.8 GFLOP/sec; каждый MSP может быть подразделен на 4 стандартных 2-конвейерных процессора с пиковой производительностью 1.2 GFLOP/sec. Тактовая частота процессоров - 250MHz.
| Число процессоров
| Процессоры объединяются в SMP-узлы, каждый из которых может содержать 6 MSP и 8 стандартных процессоров. Система (кластер) может содержать до 32 таких узлов.
| Память
| SMP-узел может содержать от 2 до 16GB памяти. Система может содержать до 1TB памяти. Вся память глобально адресуема (архитектура DSM).
| Системное ПО
| Используется операционная система UNICOS.
| Средства программирова-ния
| Поставляется векторизующий и распараллеливающий компилятор CF90. Поддерживается также явное параллельное программирование с использованием интерфейсов MPI, OpenMP или Shmem.
| Cray X1
Производитель
| Cray Inc.
| Класс архитектуры
| Масштабируемый векторный суперкомпьютер.
| Процессор
| Используются 16-конвейерные векторные процессоры с пиковой производительностью 12.8 GFLOP/sec. Тактовая частота процессоров - 800MHz.
| Число процессоров
| В максимальной конфигурации - до 4096.
| Память
| Каждый процессор может содержать до 16GB памяти. В максимальной конфигурации система может содержать до 64TB памяти. Вся память глобально адресуема (архитектура DSM). Максимальная скорость обмена с оперативной памятью составляет 34.1 Гбайт/сек. на процессор, скорость обмена с кэш-памятью 76.8 Гбайт/сек. на процессор.
| Системное ПО
| Используется операционная система UNICOS/mp.
| Средства программирова-ния
| Реализованы компиляторы с языков Фортран и Си++, включающие возможности автоматической векторизации и распараллеливания, специальные оптимизированные библиотеки, интерактивный отладчик и средства для анализа производительности. Приложения могут писаться с использованием MPI, OpenMP, Co-array Fortran и Unified Parallel C (UPC).
| Cray XT3
Производитель
| Cray Inc.
| Класс архитектуры
| Массивно-параллельный суперкомпьютер.
| Процессор
| Используются процессоры AMD Opteron.
| Число процессоров
| В максимальной конфигурации - до 30508.
| Память
| Каждый процессор может содержать от 1 до 8 Гбайт оперативной памяти. В максимальной конфигурации система может содержать до 239 Тбайт памяти.
| Системное ПО
| Используется операционная система UNICOS/lc.
| Средства программирова-ния
| На компьютере устанавливаются компиляторы Fortran 77, 90, 95, C/C++, коммуникационные библиотеки MPI (с поддержкой стандарта MPI 2.0) и SHMEM, а также оптимизированные версии библиотек BLAS, FFTs, LAPACK, ScaLAPACK и SuperLU. Для анализа производительности системы устанавливается система Cray Apdivntice2 performance analysis tools.
| SGI Origin2000
Производитель
| Silicon Graphics
| Класс архитектуры
| Модульная система с общей памятью (cc-NUMA).
| Процессор
| 64-разрядные RISC-процессоры MIPS R10000, R12000/300MHz
| Модуль
| Основной компонент системы - модуль Origin, включающий от 2 до 8 процессоров MIPS R10000 и до 16GB оперативной памяти.
| Масштабируе-мость
| Поставляются системы Origin2000, содержащие до 256 процессоров (т.е. до 512 модулей). Вся память системы (до 256GB) глобально адресуема, аппаратно поддерживается когерентность кэшей.
| Коммутатор
| Модули системы соединены с помощью сети CrayLink, построенной на маршрутизаторах MetaRouter.
| Системное ПО
| Используется операционная система SGI IRIX.
| Средства программирова-ния
| Поставляется распараллеливающий компилятор Cray Fortran 90. Поддерживается стандарт OpenMP.
| SGI Altix3000
Производитель
| Silicon Graphics
| Класс архитектуры
| Модульная система с общей памятью (cc-NUMA).
| Процессор
| Intel Itanium II 1.3GHz/1.5GHz
| Модули
| Вся система строится из модулей (вычислительных, коммутационных, проч.) Вычислительный компонент системы - модуль C-brick, состоящий из 2-х блоков, включающий 4 процессора (по 2 на блок), 4 слота памяти по 8DIMM (от 4 до 16Gb на C-brick).
| Масштабируе-мость
| Поставляются системы Origin2000, содержащие до 256 процессоров (т.е. до 512 модулей). Вся память системы (до 256GB) глобально адресуема, аппаратно поддерживается когерентность кэшей.
| Коммутатор
| Модули системы соединены с помощью сети NUMAlink, построенной на собственных маршрутизаторах R-bricks.
| Системное ПО
| Используется доработанная ("открытые" доработки) операционная система Linux.
| |
