Суперкомпьютеры и особенности их архитектуры

К суперкомпьютерам относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов — десятки миллиардов операций в секунду.

Типовая модель суперкомпьютера:

высокопараллельная многопроцессорная вычислительная системас быстродействием порядка 100 000 MFLOPS;

емкость: оперативной памяти 10 Гбайт, дисковой памяти 1–10 Tбайт (1 Тбайт=1024 Гбайт);

разрядность 64–128 битов.

В суперкомпьютерах используются все три варианта архитектуры МПВС:

структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпьютере BSP фирмы Burrought);

параллельно-конвейерная модификация, иначе MMISD, то есть многопроцессорная (Multiple) MISD архитектура (например в суперкомпьютере «Эльбрус 3»);

параллельно-векторная модификация, иначе MSIMD, то есть многопроцессорная SIMD архитектура (например, в суперкомпьютере Cray 2).

Наибольшую эффективность показала MSIMD архитектура, поэтому в современных суперкомпьютерах чаще всего находит применение именно она (суперкомпьютеры фирм Cray, Fujitsu, NEC, Hitachi и т. д.). Первый суперкомпьютер был задуман в 1960 и создан в 1972 году (машина ILLIAC IV с производительностью 20 MFLOPS), а начиная с 1975 года лидерство в разработке суперкомпьютеров захватила фирма Cray Research, выпустившая Cray 1 c производительностью 160 MFLOPS и объемом оперативной памяти 8 Мбайт, а в 1984 году — Cray 2, в полной мере реализовавший архитектуру MSIMD и ознаменовавший появление нового поколения суперкомпьютеров. Производительность Cray 2 — 2000 MFLOPS, объем оперативной памяти — 2 Гбайта (классическое соотношение, ибо критерий сбалансированности ресурсов компьютера — «каждому MFLOPS производительности процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайт оперативной памяти»).

В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперкомпьютеров, начиная от простых офисных Cray EL до мощных Cray 3, Cray 4, Cray Y-MP C90 фирмы Cray Research, Cyber 205 фирмы Control Data, SX-3 и SX-X компании NEC, VP 2000 компании Fujitsu, (обе фирмы японские), VPP 500 компании Fujitsu Siemens (немецко-японская) и т. д., производительностью несколько десятков тысяч MFLOPS.

В декабре 1996 года фирма Intel объявила о создании суперкомпьютера Sandia, впервые в мире преодолевшего терафлопный барьер быстродействия. За 1 час 40 минут компьютер выполнил 6,4 квадриллиона операций с плавающей запятой. Конфигурация, достигшая производительности 1060 MFLOPS по тесту MP LINPACK, представляла собой 57 стоек, содержащих более 7000 процессоров Pentium Pro с тактовой частотой 200 МГц и оперативную память 454 Гбайт. Окончательный вариант суперкомпьютера имеет производительность 1,4 TFLOPS, включает 86 стоек общей площадью 160 м², 573 Гбайта оперативной и 2250 Гбайт дисковой памяти. Масса компьютера составляет около 45 тонн, а пиковое потребление энергии — 850 КВт.

В 1998 году японская фирма NEC (Nippon Electric Company) Corporation сообщила о создании суперкомпьютеров SX-5 с производительностью 4 TFLOPS, содержащих 512 процессоров и обеспечивающих общую скорость передачи данных 32 Тбайт/с.

Среди лучших суперкомпьютеров можно отметить и отечественные суперкомпьютеры. В сфере производства суперкомпьютеров Россия, пожалуй, впервые, представила собственные оригинальные модели компьютеров (все остальные, включая и ПЭВМ, и малые ЭВМ, и универсальные компьютеры за редким исключением, например, ЭВМ «Рута 110», копировали архитектуру зарубежных компьютеров и, в первую очередь, разработки фирм США).

В СССР, а позднее в России была разработана и реализуется (сейчас, правда, почти заморожена) государственная программа разработки суперкомпьютеров. В рамках этой программы были спроектированы и выпущены такие суперкомпьютеры, как: повторяющая Cray-архитектуру модель «Электроника СС БИС»; оригинальные разработки: ЕС 1191, ЕС 1195, ЕС 1191.01, ЕС 1191.10, «Эльбрус».

Разработка новой модели ЕС 1191 с производительностью 1200 MFLOPS из-за нехватки средств отложена на неопределенный срок; офисные варианты ЕС 1195, ЕС 1191.01 имеют производительность соответственно 50 MFLOPS и 500 MFLOPS; практически заморожена и модель ЕС 1191.10 с производительностью 2000 MFLOPS.

Рис. 3.11. Структурная схема суперкомпьютера «Эльбрус»

На рис. 3.11 приведена структура суперкомпьютера «Эльбрус 3», разработанного в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ, Москва). Характеристики суперкомпьютера «Эльбрус 3»:

производительность 10 000 MFLOPS;

разрядность 64 бита (имеется возможность работы с 128-разрядными словами);

16 магистральных процессоров по 7 арифметико-логических устройств и 16 Мбайт оперативной памяти в каждом (итого — 256 Мбайт);

общая оперативная память — 8 блоков по 256 Мбайт (итого — 2048 Мбайт);

суммарная емкость оперативной памяти 1616+8256=2304 Мбайт;

8 процессоров ввода-вывода, каждый из которых имеет:

медленный канал;

быстрый канал;

дисковый канал для обмена данными, соответственно, с: внешними устройствами, модульными комплексами телеобработки и накопителями на магнитных дисках, часто с дисковыми массивами типа RAID.

Используются операционные системы «Эльбрус» и UNIX, поддерживающие большое число языков программирования: Эль, Фортран, Паскаль, Кобол, Пролог и т. д.

Суперкомпьютер «Эльбрус 3Б» хотя и медленно, но продолжает разрабатываться, ожидаемая его производительность — 20 000 MFLOPS. Для суперкомпьютера «Эльбрус» разработан один из первых в мире микропроцессор E2k, имеющий VLIW-архитектуру.