ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.12.2021
Просмотров: 6771
Скачиваний: 22
46
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.
1.4.7. 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 T932, 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 604e або POWER2 SC, сполучених між собою через високошвидкісний комутатор, причому кожний має свою локальну основну пам'ять і
47
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 так-
товою 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 СІЛА, 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 (1015FLOPS), 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.
7.4.8. 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 точності обчислень;
-
інтерфейси введення-виведення, в першу чергу послідовні порти;
-
периферійні пристрої, такі як: таймери та схеми захисту, цифроаналогові та ана-логоцифрові перетворювачі;
-
пам'ять з довільним доступом для зберігання даних;
> 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 та споживання і сприяє широкому використанню мікроконтролерів у різного роду вбудованих системах. Наприклад, в сучасному автомобілі використовується понад 50 мікроконтролерів. Вони також використовуються в побутовій електроніці, мобільних телефонах, виробничих лініях тощо. На рис. 1.21 подано зовнішній вигляд мікроконтролера РІС 18F8720 фірми Microchip в корпусі TQFP з 80 виводами.
Розробники мікроконтролерів забезпечують спеціальний сервіс для користувачів, зокрема версії, які дозволяють перепрограмування програмної пам'яті ультрафіолете-
49
вим 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.
1.4.9. 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 інструмен-
тальних 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.