Высокопроизводительные компьютеры

Прослеживая историю развития вычислительной техники, можно заметить, что увеличение производительности вычислительных машин шло двумя путями. Первый путь — совершенствование аппаратного обеспечения, главным образом за счет повышения быстродействия элементной базы. Второй — реализация новых архитектурных решений и принципов организации вычислений.

К одному из ярких примеров проявлений новых архитектурных решений и принципов параллелизма относится разработка и создание многомашинных и многопроцессорных вычислительных систем.

Идеи параллелизма обработки данных возникли практически одновременно с идеями построения самих вычислительных машин. Еще Ч. Бэббидж отмечал возможность совмещения длинных серий идентичных операций.

В 1957 г. академик С. А. Лебедев сформулировал принципы совмещения операций и выдвинул идеи создания многомашинных и многопроцессорных систем. Он говорил, что одним из «возможных путей (увеличения производительности — А. Ч.) ...может явиться параллельная работа нескольких машин, объединенных общим дополнительным устройством управления и с обеспечением возможности передачи кодов чисел с одной машины на другую. Однако может оказаться более целесообразным создание ряда параллельно работающих отдельных устройств машины».

Первые опыты объединения машин в систему относятся к 1954 г., когда под руководством А. Л. Лейнера были непосредственно связаны между собой машины SEAC и DYSEAC. В 1958 г. в системе резервирования билетов для американских авиалиний SABRE была использована связка двух машин IBM-7090. В начале 60-х гг. для научных исследований был создан многомашинный комплекс DCS (Direct Coupled System) на основе машин IBM-704X и IBM-709X.

Необходимо отметить, что на ранних этапах создания многомашинных систем основные цели комплексирования сосредоточивались на разгрузке большой ЭВМ от функций по вводу-выводу данных и передаче этих функций малой машине — сателлиту, а также на повышении надежности и живучести всей системы. В дальнейшем разработка многомашинных систем была направлена на повышение производительности.

Концепция многомашинных однородных вычислительных систем или систем с программируемой структурой была впервые сформулирована советскими учеными Э. В. Евреиновым и Ю. Г. Косаревым в 1962 г.. Система «Минск-222» стала первой реализацией данной концепции, она разработана институтом математики СО АН СССР совместно с конструкторским бюро Минского завода вычислительных машин им. Серго Орджоникидзе. Первый образец ЭВМ «Минск-222» установлен в апреле 1966 г. в институте математики АН БССР.

В дальнейшем одним из перспективных направлений развития многомашинных вычислительных систем стало создание этих систем из мини-ЭВМ.

Сотрудниками института математики СО АН СССР совместно с Северодонецким научно-производственным объединением «Импульс» в 1976 г. был разработан проект минимашинной программно-коммутируемой системы МИНИМАКС, относящейся к однородным системам с программно-настраиваемыми каналами связи между элементарными машинами.

Интересна разработка однородной вычислительной мини-машинной системы СУММА, созданной в 1977 г. на базе отечественных мини-ЭВМ «Электроника-100» и «Электроника-100И». Она ориентирована на работу в автоматизированных системах управления технологическими процессами. Институтом математики СО АН СССР и НИЦЭВТом разработан проект однородной вычислительной системы на основе машин ЕС-1060. Суммарная производительность ее определяется числом процессоров и составляет от 2 до 20 млн. оп/с.

Создание и выпуск в нашей стране однородных вычислительных систем стали значительным достижением в области построения многомашинных вычислительных средств с программируемой структурой.

Подклассом высокопроизводительных систем являются многопроцессорные вычислительные системы, в которых процессоры имеют свободный доступ к оперативной памяти и к каналам ввода-вывода и которые управляются общей операционной системой. Многомашинная вычислительная система (или комплекс) — это система, включающая несколько ЭВМ, каждая из которых имеет свой процессор, свою память, свои периферийные устройства, и работает под управлением собственной операционной системы. Между ЭВМ существуют связи, позволяющие им совместно выполнять определенные функции.

Многопроцессорная ВС (ВК) — это система, включающая несколько процессоров, имеющих доступы к общей оперативной памяти, общим периферийным устройствам и работающих под управлением единой операционной системы.

Необходимо заметить, что построение многома­шинных систем из серийно выпускаемых ЭВМ со стандартными операционными системами проще, чем построение многопроцессорных систем, требующих преодоления определенных трудностей, связанных с реализацией общего поля памяти и разработкой специальной операционной системы.

Корни развития принципов многопроцессорной обработки, как ни странно, надо искать в недрах аналоговой вычислительной техники, в принципах аналоговых вычислений. Действительно, аналоговая вычислительная машина являет собой пример многопроцессорной системы, в которой происходит параллельная обработка (решение) задач (систем дифференциальных уравнений) на всех операционных блоках, входящих в структурную схему.

В цифровых ЭВМ, начиная с машины ENIAC, были заложены идеи мультипроцессирования. В арифметическом устройстве ENIAC имелось 20 сумматоров, что позволяло одновременно выполнять несколько операций сложения и вычитания.

Впервые модульная реализация с идентичными процессорами была осуществлена в системе D-825 фирмы Burroughs, выпущенной для военного назначения в 1962 г. Общая память системы, состоящая из 16 модулей, разделялась между четырьмя процессорами. К важной черте системы относится создание одной из первых современных операционных систем ASOP (Automatic Operating and Scheduling Program). Для не­военного применения система D-825 выпускалась под названием В5500 [30].

В дальнейшем фирмой Burroughs были созданы более совершенные модели многопроцессорных вычислительных систем (В6500, В6700, В7700), в которых воплощены многие новые идеи параллельной обработки. В конце 70-х гг. фирма выпустила средние и большие системы (с индексом 800) — В-3800 (1986 г.) В-4800 (1976 г.), В-6800 (1977 г.), В-7800 (1978) [51, c.226].

Наиболее мощной системой, построенной по единой многопроцессорной конфигурации, является система В-7800, производительность центрального процессора которой составляет 8 млн. оп/с. (система имеет четыре центральных и четыре периферийных процессора). В дальнейшем фирма Burroughs начала выпускать вычислительные системы с индексом 900, причем в 1982 г. она анонсировала самую большую систему в этом семействе (В-7900), имеющую производительность до 14 млн. оп/с. В основу архитектуры системы В-7900 положен принцип распределенной обработки, предполагающий использование нескольких специализированных функциональных подсистем с различным назначением и производительностью.

Работы по созданию различных типов многопро­цессорных систем успешно развивались во многих странах.

В СССР концепции мультипроцессирования нашли свое выражение при создании семейства вычислительных комплексов «Эльбрус». Это семейство разрабатывалось в ИТМ и ВТ АН СССР. К началу 1978 г. появилась опытная партия первой модели этого семейства — «Эльбрус-1», модель имела производительность от 1,5 до 12 млн. оп/с. В состав нового МВК входило до десяти центральных процессоров, до четырех процессоров ввода-вывода и до 16 процессоров приема-передачи данных. В 1980 г. система «Эльбрус-1» прошла производственные испытания и был налажен ее промышленный выпуск. Было освоено четыре модификации.

В 1966 г. вышла статья М. Флинна «Высокоскорост­ные вычислительные системы», в которой он предложил их классификацию, основанную на потоках команд и потоках данных. Такая классификация стала широко использоваться при идентификации параллельных вычислительных систем. По структурным признакам М. Флинн разделил все системы на четыре типа: ОКОД, МКОД, ОКМД и МКМД.

Структура типа ОКОД (SISD — Single Instruction Single Data Stream) — обработка с одиночным потоком команд и одиночным потоком данных. Такая структура типична для систем с однопроцессорной организацией, т. е. для ЭВМ первых трех поколений, основанных на принципах последовательного централизо­ванного управления, определенных Д. фон Нейманом.

Структура типа МКОД (MISD — Multiple Instruction Single Data Stream) — обработка с несколькими потоками команд и одиночным потоком данных (конвейерная или магистральная обработка данных).

Структура типа ОКМД (SIMD — Single Instruction Miltiple Data Stream) — с одиночным потоком команд и несколькими потоками данных (матричная и ассоциативная обработка данных).

При структуре типа МКМД (MIMD — Multiple Inst­ruction Multiple Data Stream) с несколькими потоками команд и несколькими потоками данных реализован общий случай обработки в многопроцессорных системах и вычислительных сетях.

Идея конвейерного принципа организации управления, с помощью которого достигается высокий параллелизм обработки потоков команд и данных, принадлежит академику С. А. Лебедеву (1964 г.). Он назвал его принципом водопровода. В конвейерных вычислительных системах процессор состоит из конвейера блоков обработки данных, причем выходные данные 1-го блока обработки являются входными данными 1-4-1-го блока и т. д.

Одной из первых конвейерных систем высокой производительности была система STAR-100 (STring And ARray), разработанная фирмой Control data. Си­стема STAR-100 анонсирована в 1970 г., серийный выпуск начат с августа 1973 г. Производительность системы составляет 100 млн. оп/с.

Система STAR-100 состояла из подсистемы обработки данных и подсистемы, выполняющей функции операционной системы. Другая ранняя вычислительная система структуры МКОД — (ASC Advanced Scintific Computer) была выпущена в ноябре 1972 г. фирмой Texas Instruments. Она включала от 1 до 4 центральных процессоров-магистралей, и ее производительность достигала 100 млн. оп/с.

Интерес к конвейерным вычислительным системам объяснялся тем, что они позволили преодолеть барьер производительности ЭВМ третьего поколения. И неудивительно, что некоторые машины третьего поколения (CDC-6600, CDC-7600, IBM-360/91, IBM-360/195) уже имели блоки конвейерной обработки.

В 1972 г. фирма Control data начала выпуск семейства конвейерных систем CYBER.

В 1971 г. один из главных разработчиков высокопроизводительных ЭВМ фирмы Control data С. Крей организовал собственную фирму Cray Research, которая спустя 5 лет выпустила мощный конвейерный компьютер «Сгау-1» с производительностью 80 млн. оп/с. В середине 70-х гг. «Сгау-1» был самым производительным компьютером, основанным на конвейерном принципе векторной и скалярной обработки данных. В 1981 г. фирма Cray Researsh построила более мощную систему «Сгау-2» с производительностью 200 млн. оп/с, затем «Cray-1 S», а в 1982 г. — «Cray Х-МР» с усовершенствованным режимом скалярной и векторной обработки и уменьшенным временем цикла машины.

Впервые структура матричного компьютера (структура ОКМД) была определена в начале 60-х гг., когда американский ученый Д. Слотник опубликовал статью о проекте ЭВМ SOLOMON. Планировалось, что система SOLOMON будет иметь матрицу 32X32 обрабатывающих элементов, причем управление матрицей должно было осуществляться с помощью управляющей машины, имеющей память для хранения программ. Проект SOLOMON промышленного воплощения не имел, а модифицированный вариант системы под названием ILLIAC-IV был создан в 1972 г. Система разработана в Иллинойском университете совместно с фирмой Burroughs. ILLIAC-IV имела солидные характеристики: производительность — 200 млн. оп/с, масса — 75 т, занимаемая площадь 930 м2. При разработке проекта ILLIAC-IV планировалось создание матричной ЭВМ с производительностью около 1 млрд. оп/с. Для достижения такой производительности система должна была содержать 250 процессорных элементов, работающих под общим управлением и сгруппированных в четыре квадранта. В ходе реализации проекта ввиду его технической сложности и высокой стоимости был построен только один квадрант.

В СССР направление ОКМД-структуры получило свое развитие в вычислительной системе М-10, созданной под руководством М. А. Карцева. Серийные образцы этой системы показали высокие эксплуата­ционные характеристики. Необходимо отметить, что система М-10 обеспечивает высокую эффективность, если алгоритм допускает глубокое распараллеливание задач с одновременным выполнением одинаковых команд.

В рамках структуры ОКМД рассматриваются так­же системы ассоциативной обработки данных. Первая ассоциативная вычислительная система «Staran-IV» с производительностью 40 млн. оп/с была разработана в 1971 г. фирмой Goodyear Aerospace. Год спустя модифицированный вариант демонстрировался на выставке TRANSPO в Вашингтоне, а в 1973 г. были разработаны промышленные ее варианты под названием «Staran S». Основой данной системы служит процессор, под которым фирма Goodyear понимает ассоциативную память, основанную на логических принципах.

В начале 80-х гг. структуры типов ОКМД и МКМД (те и другие на многопроцессорной основе) стали доминирующими при создании высокопроизводительных систем.

В СССР в эти годы в Институте проблем управления АН СССР под руководством члена-корреспондента АН ГССР И. В. Прангишвили были разработаны высокопроизводительные многопроцессорные системы ПС-2000 и ПС-3000. Эти системы, содержащие до 64 процессорных элементов, построены на микропро­цессорной базе и имеют суммарную производительность 200 млн. коротких операций в секунду [34].

Прогресс в области разработки интегральных схем высокой степени интеграции создал предпосылки для создания вычислительных систем четвертого поколения и в рамках ЕС ЭВМ (Ряд-3). В 1976 г. Совет главных конструкторов утвердил «Основные концепции раз­вития ЕС ЭВМ «Ряд-3». Серийный выпуск ЭВМ «Ряд-3» начался в 1981 г. машиной ЕС-1036 с производительностью 0,4 млн. оп/с. Затем в 1984 г. появились ЕС-1046 с производительностью 1 млн. оп/с и ЕС-1066 с производительностью 5 млн. оп/с. Все ЭВМ «Ряд-3», так же как и «Ряд-1 и 2», могут быть объединены в двухмашинные системы, а ЕС-1066 и в двухпроцессорные.

В дальнейшем в рамках развития ЕС ЭВМ был намечен выпуск ЕС-1037 с производительностью 0,6 млн. оп/с, ЕС-1077 с производительностью 2,5 млн. оп/с, ЕС-1087 с производительностью 10-18 млн. оп/с [35].

В Институте проблем кибернетики АН СССР под руководством академика В. А. Мельникова в 80-х гг. развернулись работы по созданию высокопроизводительной вычислительной системы с более перспективной многопроцессорной организацией. В этой системе задача распараллеливания решается на основе специализации процессоров [36].

Аркадий Петрович Частиков
"Вычислительная техника и ее применение" 1988/1