Ответы на билеты (1-ый семестр ВФ). 1. Определение информатики, составные части и краткая история развития 3
 Скачать 1.09 Mb.
|
|
МКМД (MIMD) (multiple instruction stream / multiple data stream) – множественный поток команд и множественный поток данных. Этот класс предполагает, что в вычислительной системе есть несколько устройств обработки команд, объединенных в единый комплекс и работающих каждое со своим потоком команд и данных. Итак, что же собой представляет каждый класс? В ОКОД (SISD), как уже говорилось, входят однопроцессорные последовательные компьютеры, например, на базе Intel 80486. Однако, критиками подмечено, что в этот класс можно включить и векторно-конвейерные машины, если рассматривать вектор как одно неделимое данное для соответствующей команды. В таком случае в этот класс попадут и такие системы, как CRAY-1. Бесспорными представителями класса ОКМД (SIMD) считаются матрицы процессоров: ILLIAC IV, ICL DAP, Goodyear Aerospace MPP, Connection Machine 1 и т.п. В таких системах единое управляющее устройство контролирует множество процессорных элементов. Каждый процессорный элемент получает от устройства управления в каждый фиксированный момент времени одинаковую команду и выполняет ее над своими локальными данными. Для классических процессорных матриц никаких вопросов не возникает, однако в этот же класс можно включить и векторно-конвейерные машины, например, CRAY-1. В этом случае каждый элемент вектора надо рассматривать как отдельный элемент потока данных. Но не всё так просто. В последнее время к типу выполнения ОКМД (скорее к типу выполнения, а не к архитектуре) относят и расширения ОКОД-процессоров (или тех процессоров, которые при довольно отвлечённом рассмотрении выглядят как ОКОД), расширенных методом выполнения команд «ОКМД-в-регистре», когда длинный регистр делится на одинаковое количество полей (обычно 2n, n=1..3), над которыми в течение одного машинного такта выполняется одна и та же команда как над несколькими регистрами, но с целью экономии доступа к памяти все значения загружаются одновременно в этот регистр. Схема эта чрезвычайно популярна: Intel MMX/SSE/SSE2, AMD 3DNow!, SPARC VIS. Класс МКМД (MIMD) чрезвычайно широк, поскольку включает в себя всевозможные мультипроцессорные системы: Cm*, C.mmp, CRAY Y-MP, Denelcor HEP,BBN Butterfly, Intel Paragon, CRAY T3D и многие другие. Интересно то, что если конвейерную обработку рассматривать как выполнение множества команд (операций ступеней конвейера) не над одиночным векторным потоком данных, а над множественным скалярным потоком, то все рассмотренные выше векторно-конвейерные компьютеры можно расположить и в данном классе.
Основные признаки, характеризующие суперЭВМ, среди которых кроме высокой производительности следует отметить: самый современный технологический уровень (например, GaAs-технология); специфические архитектурные решения, направленные на повышение быстродействия (например, наличие операций над векторами); цена, обычно свыше 1-2 млн. долл. Архитектура современных суперЭВМ. В этом обзоре не имеет смысла останавливаться на деталях классификации архитектуры суперкомпьютеров, ограничимся только рассмотрением типичных архитектур суперЭВМ, широко распространенных сегодня, и приведем классическую систематику Флинна. В соответствии с ней, все компьютеры делятся на четыре класса в зависимости от числа потоков команд и данных. К первому классу (последовательные компьютеры фон Неймана) принадлежат обычные скалярные однопроцессорные системы: одиночный поток команд – одиночный поток данных (SISD). Персональный компьютер имеет архитектуру SISD, причем не важно, используются ли в ПК конвейеры для ускорения выполнения операций. Второй класс характеризуется наличием одиночного потока команд, но множественного потока данных (SIMD). К этому архитектурному классу принадлежат однопроцессорные векторные или, точнее говоря, векторно-конвейерные суперкомпьютеры, например, Cray-1. В этом случае мы имеем дело с одним потоком (векторных) команд, а потоков данных – много: каждый элемент вектора входит в отдельный поток данных. К этому же классу вычислительных систем относятся матричные процессоры, например, знаменитый в свое время ILLIAC-IV. Они также имеют векторные команды и реализуют векторную обработку, но не посредством конвейеров, как в векторных суперкомпьютерах, а с помощью матриц процессоров. К третьему классу – MIMD – относятся системы, имеющие множественный поток команд и множественный поток данных. К нему принадлежат не только многопроцессорные векторные суперЭВМ, но и вообще все многопроцессорные компьютеры. Подавляющее большинство современных суперЭВМ имеют архитектуру MIMD. Четвертый класс в систематике Флинна, MISD, не представляет практического интереса, по крайней мере для анализируемых нами компьютеров. В последнее время в литературе часто используется также термин SPMD (одна программа – множественные данные). Он относится не к архитектуре компьютеров, а к модели распараллеливания программ и не является расширением систематики Флинна. SPMD обычно относится к MPP (т.е. MIMD) – системам и означает, что несколько копий одной программы параллельно выполняются в разных процессорных узлах с разными данными. Интересно также упомянуть о принципиально ином направлении в развитии компьютерных архитектур – машинах потоков данных. В середине 80-х годов многие исследователи полагали, что будущее высокопроизводительных ЭВМ связано именно с компьютерами, управляемыми потоками данных, в отличие от всех рассмотренных нами классов вычислительных систем, управляемых потоками команд. В машинах потоков данных могут одновременно выполняться сразу много команд, для которых готовы операнды. Хотя ЭВМ с такой архитектурой сегодня промышленно не выпускаются, некоторые элементы этого подхода нашли свое отражение в современных суперскалярных микропроцессорах, имеющих много параллельно работающих функциональных устройств и буфер команд, ожидающих готовности операндов. В качестве примеров таких микропроцессоров можно привести HP РА-8000 и Intel Pentium Pro. Что касается суперкомпьютерных серверов, использующих современные высокопроизводительные микропроцессоры, таких как SGI POWER CHALLENGE на базе R8000 или DEC AlphaServer 8200/8400 на базе Alpha 21164, то их минимальные конфигурации бывают однопроцессорными. Однако, если не рассматривать собственно архитектуру этих микропроцессоров, то все особенности архитектуры собственно серверов следует анализировать в "естественной" мультипроцессорной конфигурации.
См. вопрос 18, здесь же только про кластеры. Кластер — группа компьютеров, объединённых высокоскоростными каналами связи и представляющая с точки зрения пользователя единый аппаратный ресурс. Один из первых архитекторов кластерной технологии Грегори Пфистер (Gregory F. Pfister) дал кластеру следующее определение: «Кластер — это разновидность параллельной или распределённой системы, которая: состоит из нескольких связанных между собой компьютеров; используется как единый, унифицированный компьютерный ресурс». Обычно различают следующие основные виды кластеров: отказоустойчивые кластеры (High-availability clusters, HA), кластеры с балансировкой нагрузки (Load balancing clusters), вычислительные кластеры (Computing clusters), grid-системы. Классификация кластеров: Кластеры высокой доступности – обозначаются аббревиатурой HA (High Availability — высокая доступность). Создаются для обеспечения высокой доступности сервиса, предоставляемого кластером. Избыточное число узлов, входящих в кластер, гарантирует предоставление сервиса в случае отказа одного или нескольких серверов. Типичное число узлов — два, это минимальное количество, приводящее к повышению доступности. Создано множество программных решений для построения такого рода кластеров. В частности, для OpenVMS, GNU/Linux, FreeBSD и Solaris существует проект бесплатного ПО Linux-HA. Кластеры распределения нагрузки – принцип их действия строится на распределении запросов через один или несколько входных узлов, которые перенаправляют их на обработку в остальные вычислительные узлы. Первоначальная цель такого кластера — производительность, однако, в них часто используются также и методы, повышающие надёжность. Подобные конструкции называются серверными фермами. Программное обеспечение (ПО) может быть как коммерческим (OpenVMS, MOSIX, Cluster, Platform LSF HPC, Sun Grid Engine, Moab Cluster Suite, Maui Cluster Scheduler), так и бесплатным (Linux Virtual Server). Вычислительные кластеры – используются в вычислительных целях, в частности в научных исследованиях. Для вычислительных кластеров существенными показателями являются высокая производительность процессора в операциях над числами с плавающей точкой (flops) и низкая латентность объединяющей сети, и менее существенными — скорость операций ввода-вывода, которая в большей степени важна для баз данных и web-сервисов. Вычислительные кластеры позволяют уменьшить время расчетов по сравнению с одиночным компьютером, разбивая задание на параллельно выполняющиеся ветки, которые обмениваются данными по связывающей сети. Одна из типичных конфигураций — набор компьютеров, собранных из общедоступных компонентов с установленной на них операционной системой Linux и связанных сетью Ethernet, Myrinet, InfiniBand или другими относительно недорогими сетями. Такую систему принято называть кластером Beowulf. Специально выделяют высокопроизводительные кластеры (HPC Cluster — High-performance computing cluster). Список самых мощных высокопроизводительных компьютеров можно найти в мировом рейтинге TOP500. В России ведется рейтинг самых мощных компьютеров СНГ TOP50 Суперкомпьютеры. Системы распределенных вычислений (grid) – такие системы не принято считать кластерами, но их принципы в значительной степени сходны с кластерной технологией. Их также называют grid-системами. Главное отличие — низкая доступность каждого узла, то есть невозможность гарантировать его работу в заданный момент времени (узлы подключаются и отключаются в процессе работы), поэтому задача должна быть разбита на ряд независимых друг от друга процессов. Такая система, в отличие от кластеров, не похожа на единый компьютер, а служит упрощённым средством распределения вычислений. Нестабильность конфигурации, в таком случае, компенсируется большим числом узлов.
Большая универсальная ЭВМ — высокопроизводительный компьютер со значительным объёмом оперативной и внешней памяти, предназначенный для организации централизованных хранилищ данных большой ёмкости и выполнения интенсивных вычислительных работ. Особенности и характеристики современных мейнфреймов: Среднее время наработки на отказ. Время наработки на отказ современных мейнфреймов оценивается в 12–15 лет. Надёжность мейнфреймов —результат почти 60-летнего совершенствования. Группа разработки VM/ESA затратила 20 лет на удаление ошибок из ОС, и в результате была создана система, которую можно использовать в самых ответственных случаях. Повышенная устойчивость систем. Мейнфреймы могут изолировать и исправлять большинство аппаратных и программных ошибок за счёт использования следующих принципов: дублирование: два резервных процессора, запасные микросхемы памяти, альтернативные пути доступа к периферийным устройствам, горячая замена всех элементов вплоть до каналов, плат памяти и центральных процессоров. Целостность данных. В мейнфреймах используется память с коррекцией ошибок. Ошибки не приводят к разрушению данных в памяти или данных, ожидающих вывода на внешние устройства. Дисковые подсистемы, построенные на основе RAID-массивов с горячей заменой и встроенных средств резервного копирования, защищают от потерь данных. Рабочая нагрузка. Рабочая нагрузка мейнфреймов может составлять 80–95 % от их пиковой производительности. Для UNIX–серверов, обычно, рабочая нагрузка не может превышать 20–30 % от пиковой загрузки. Операционная система мейнфрейма будет тянуть всё сразу, причём все приложения будут тесно сотрудничать и использовать общие куски ПО. Пропускная способность. Подсистемы ввода-вывода мейнфреймов разработаны так, чтобы работать в среде с высочайшей рабочей нагрузкой на ввод-вывод данных. Масштабирование. Масштабирование мейнфреймов может быть как вертикальным, так и горизонтальным. Вертикальное масштабирование обеспечивается линейкой процессоров с производительностью от 5 до 200 MIPS и наращиванием до 12 центральных процессоров в одном компьютере. Горизонтальное масштабирование реализуется объединением ЭВМ в Sysplex (System Complex) — многомашинный кластер, выглядящий с точки зрения пользователя единым компьютером. Всего в Sysplex можно объединить до 32 машин. Географически распределённый Sysplex называют GDPS. В случае использования ОС VM для совместной работы можно объединить любое количество компьютеров. Программное масштабирование — на одном мейнфрейме может быть сконфигурировано фактически бесконечное число различных серверов. Причем все серверы могут быть изолированы друг от друга так, как будто они выполняются на отдельных выделенных компьютерах и в то же время совместно использовать аппаратные и программные ресурсы и данные. Доступ к данным. Поскольку данные хранятся на одном сервере, прикладные программы не нуждаются в сборе исходной информации из множества источников, не требуется дополнительное дисковое пространство для их временного хранения, не возникают сомнения в их актуальности. Требуется небольшое количество физических серверов и значительно более простое программное обеспечение. Всё это, в совокупности, ведёт к повышению скорости и эффективности обработки. Защита. Встроенные в аппаратуру возможности защиты, такие как криптографические устройства, и Logical Partition, и средства защиты операционных систем, дополненные программными продуктами RACF или VM:SECURE, обеспечивают совершенную защиту. Пользовательский интерфейс. Пользовательский интерфейс у мейнфреймов всегда оставался наиболее слабым местом. Сейчас же стало возможно для прикладных программ мейнфреймов в кратчайшие сроки и при минимальных затратах обеспечить современный веб-интерфейс. Сохранение инвестиций — использование данных и существующих прикладных программ не влечёт дополнительных расходов по приобретению нового программного обеспечения для другой платформы, переучиванию персонала, переноса данных и т.д. Динамика развития IBM: Большие универсальные компьютеры IBМ 360 были первыми в мире системами, предназначенными как для коммерческих, так и для научных целей. Эта серия дополнялась в процессе развития еще шестью моделями как среднего, так и высшего (научного) уровня. Модели строились на базе стандартных аппаратурных и программных продуктов и были совместимы сверху вниз, имея единую систему команд. В начале 1970-х годов IВМ выпустила на рынок новое поколение машин, получивших название IBM 370, совместимых с системой IВМ 360, но использовавших усовершенствованные процессоры, оперативную и внешнюю память. Это позволило расширить их возможности по поддержке одновременно работающих пользователей и более ресурсоемких и динамических приложений. Основные новации IВМ 370 — возможность использования нескольких процессоров в рамках одной системы, полноценная поддержка виртуальной памяти и новый 128-разрядный блок вещественной арифметики. Всего было выпущено около 17 моделей разного уровня. Эти компьютеры использовали специализированные операционный системы: О/360, О/370, МУ ее вариации. Новое поколение мейнфреймов IBM 390 появилось в начале 1990 г., но сохранило совместимость с предыдущими моделями. В процессе создания IВМ 390 произошло обновление всей электронной базы — МП, ОП и ВЗУ на несколько поколений. В период с 1990 по 1999 г. было выпущено множество разнообразных систем под названием IВМ/390 enterprise server или ЕА/390 (ЕА — Еnterргisе IBM Агсhitecture). Старшие две модели системы с названием «Summit» имели водяное охлаждение, младшие — воздушное. В 2000 г. название «IBM 390» было заменено на «IВМ server z sегiеs». В октябре был представлен самый мощный на тот период компьютер массового коммерческого применения — z series 900. Тогда же появилась новая 64-разрядная ОС. В 2002 г. было представлено семейство z series 800 для задач среднего уровня, 2003 г. был отмечен появлением новой модели z series — е server z series 990, в 2004 г. появилась новая система среднего уровня series 890. В середине 2005 г. семейство мейнфреймов пережило очередное переименование. С этого времени все системы этого класса обозначают sуstem z9. Одновременно с этим объявлено о создании новой модели — 109. Эти модели отвечают современным жестким требованиям корпоративных систем по доступности и надежности. Возможность непрерывного профилактического обслуживания (без прерывания работы комплекса) вносит весомый вклад в то, что среднее время наработки на отказ системы series исчисляется десятилетиями, а предложенная IВМ система комплексирования — Рагаllеl Sурlех (традиционные кластеры), характеризуется повышенной живучестью комплекса: его надежность сейчас 99,999 %, что позволяет обслуживать пользователей 24 ч в сутки 365 дней в году. По мере того, как конфиденциальность становится одним из главных требований бизнеса, поддержка SSL-транзакций (защищенные сетевые протоколы) превращается в определяющий фактор при выборе сервера. IВМ series может работать с восемнадцатью криптографическими сопроцессорами, которые могут обрабатывать несколько тысяч защищенных транзакций в секунду без снижения скорости обработки.
Микропроцессор (МП) — изготовленный при помощи технологии высокой степени интеграции прибор, который способен выполнять под действием программного управления функции центрального процессора компьютера. По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные. |