Файл: Состав и свойства вычислительных систем Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем.pdf

В децентрализованной системе каждый элемент имеет свои управляющие функции и обладает автономией. Взаимодействие осуществляется при помощи специальных сигналов.

В системах со смешанным управлением функции распределяются в соответствии с текущей ситуацией, то есть применяются процедуры и одного и другого типа систем.

Самые мощные вычислительные системы – это суперкомпьютеры. Их быстродействие доходит до десятков миллиардов операций в секунду. Секрет таких больших вычислительных мощностей – в архитектуре. Работа суперкомпьютера основана на технологии параллельных вычислений – процессе, при котором программы разрабатываются для параллельной работы и взаимодействии при процессах вычисления. В их основе лежит параллельный алгоритм. Соответственно, программы, работая каждая на отдельном устройстве, являются частями одного результата, полученного путем объединения вычислений.

Суперкомпьютер имеет не только самую высокую производительность, но и самый большой объем ОЗУ и ПЗУ, а также специализированное программное обеспечение, позволяющее эффективно использовать ресурсы суперкомпьютера.

Последнее поколение суперкомпьютеров способно выполнять 1 петафлоп вычислений – это миллион миллиардов в секунду. Такая быстрота позволяет развивать научные и правительственные сферы семимильными шагами. У человечества появляется возможность производить математические вычисления, требующие переработки большого количества данных, проводить эксперименты, воссоздающие условия физической реальности и решать сложные технические задачи.

Суперкомпьютеры разделяются на магистральные, векторные и матричные. В магистральной системе каждый процессор выполняет последовательный поток вычислений. Поток на одном процессоре обменивается данными с потоком другого с помощью общего участка памяти. Суть векторной системы – в выполнении одной и той же операции на каждом процессоре над разными потоками данных. Такая система считается более простой в понимании и более совершенной. Матричная система – система, в которой множество операций выполняется над множеством потоков.

Более современная версия суперкомпьютера – кластер – представляет собой массив компьютеров, объединенный для выполнения единых вычислений. Преимущество кластера в том, что он похож на конструктор: для получения достаточной мощности объединяют нужное количество серверных компьютеров при помощи специальных интерфейсов, что способствует упрощению процесса управления и повышает надежность всей системы. Также преимущество кластеризации в том, что можно динамически перераспределять нагрузку и легко контролировать работу системы.

На первых порах суперкомпьютеры использовали, прежде всего, правительственные, военные организации, университеты и научно-исследовательские институты. Применение суперкомпьютеров дало толчок в развитиии таких отраслей, как физика плазмы, молекулярная, атомная, астрофизика, квантовая химия, молекулярная динамика, и другие.

Главные университеты Америки и других стран с большой долей инвестиций имеют большие исследовательские центры и все необходимые условия для проведения основных исследований и воплощения инновационных программ, спонсируемых государством.

1.2 Свойства вычислительных систем

Любая вычислительная система обладает набором свойств, по которым можно сравнивать ее с другими, например, при необходимости приобретения. Основные свойства любой ЭВМ – это, производительность, точность вычислений, надежность, масштабируемость, универсальность.

Производительность – это объем работ, которые система способна выполнить за единицу времени. Этот объем измеряется во флопсах (Floating-point Operations Per Second). Обычный ПК способен работать с производительностью около 2 терафлопсов, тогда как суперкомпьютер выдает вычислительную мощность до 100 терафлопсов.

Точность – это способность компьютера выдавать результаты вычислений с как можно большим количеством знаков после запятой. Она определяется разрядностью компьютера.

Надежность – чем надежнее вычислительная система, тем более вероятно, что она будет безотказно работать в течение заданного производителем срока службы в установленных условиях. Надежная ВС при отказе должна быть способна обеспечивать заданный уровень производительности. В современных вычислительных системах высокая надежность обеспечивается технологией изготовления интегральной схемы – СБИС.

Масштабируемость – это свойство системы определяется тем, насколько возможно изменять ее производительность и прибавлять и убавлять вычислительные ресурсы. С учетом современного развития вычислений, для соответствия требованиям вычислительная система должна как можно более легко масштабироваться, то есть, должна присутствовать возможность увеличивать ее производительность.

Универсальность – архитектура ЭВМ должна быть спроектирована таким образом, чтобы обладать способностью реализовывать алгоритмы решения любых задач. Проектирование универсальных систем – это тенденция последних десятилетий, и хорошая вычислительная система должна быть актуальной на рынке.

Современная высокопроизводительная вычислительная система должна обладать еще одним важным свойством – параллелизмом.

Параллелизм – это параметр системы, при котором несколько потоков вычислений выполняются в одно время, порой взаимодействуя друг с другом. Это может происходить на разных процессорах или на разных ядрах одного процессора. При параллельном программировании главное, добиться корректных вычислений и устойчивого и эффективного процесса.

Также для повышения производительности с небольшими затратами применяют такое свойство, как распределенность. Суть его состоит в том, что системы строятся из простых узлов с невысоким быстродействием, между которыми распределяются сложные вычисления.

Параллелизм и параллельные вычислительные системы в последние несколько десятков лет усиленно изучаются, и на их основе уже создано множество экспериментальных и рабочих машин с повышенной надежностью и производительностью. Однако параллельные системы не лишены недостатков. Непросто обеспечить скоординированный процесс вычислений, который необходим для решения задачи путем параллельных вычислений. Также, если несколько процессоров используют общую память, то ресурс для каждого из них ограничен, к тому же, такая система плохо масштабируется.

Однако использование кластеров всегда более эффективно, когда речь идет о большом количестве пользователей и больших объемах вычислений. При помощи системы управления легко обеспечить равномерное распределение нагрузки ресурсов, а главное – такие мощные компьютеры способны моделировать сложные объекты и решать серьезные научные задачи, обеспечивая высокую точность результата. Суперкомпьютер не только облегчает работу ученых, но и не требует столь высоких затрат на проведение экспериментов и вычисление сложных математических задач.

Глава 2. Информационное и математическое обеспечение  вычислительных систем

2.1 Информационное обеспечение вычислительных систем

Информационная наука сложна и ее определения не такие четкие, как у других точных наук. Само понятие «Информация» имеет много значений. В случае вычислительных систем, информацией является совокупность сведений об изменениях внутри и снаружи системы, а также обмен данными между узлами системы. Информация играет большую роль в управлении системами. Например, в управленческих структурах поток информации обеспечивается организациями, специально занимающимися сбором данных - органами статистики и научными центрами. В автоматических системах управления также важно обеспечивать поток информации. Информация является главным ресурсом для любых действий внутри вычислительной системы, а все, что происходит с ней - сбор, обработка и хранение входящих данных, а также последующий их вывод – является информационными процессами.

Информационные процессы – важная часть не только вычислительной системы, но и жизни вообще. В мире компьютеров передача, хранение и обработка данных – это процессы, играющие большую роль в работе ВС. Программы не работают сами по себе, им нужны входные данные, которые специально предварительно подготовлены. Информационное обеспечение и является набором данных.

Информация бывает разных видов. По способам кодирования, хранения и форме представления информацию делят на:

• Графическую - например картины, фотографии, схемы, чертежи, в общем все, что воспринимается визуально;
• Звуковую – это могут быть просто звуки или музыка, которая, по сути, является закодированными звуками;
• Текстовую - то есть закодированную специальными символами речь человека;
• Числовую – информацию о количестве, закодированную при помощи цифр различными способами (системами счисления);
• Видео – информация о движении, способ его сохранения.

Вычислительная система способна распознать и обработать все существующие виды информации, если они закодированы так, что код можно перевести в машинный.

Но кроме способа представления важны также и следующие качества, присущие информации:

• Объективность – информация должна отображать объективную реальность;
• Достоверность – информация должна отображать истинное положение дел;
• Полнота – в процессе обработки информация должна быть достаточно полной, чтобы обработчик мог на ее основе что-либо предпринять;
• Точность – информация должна максимально точно описывать реальное состояние объекта;
• Актуальность – информация должна описывать настоящее, актуальное положение вещей;
• Полезность –информация должна быть полезной применительно к задаче, которая решается с ее помощью.

Информационное обеспечение вычислительной системы – это процесс поставки непрерывного потока информации программам, которые решают поставленные перед ними задачи, соответственно, для успешного выполнения задач информация должна соответствовать описанным выше критериям. Предоставляемая информация как на входе, так и на выходе должна быть систематизирована и закодирована таким способом, чтобы быть понятной тому узлу, который ее обрабатывает (автомат) и тому, который будет использовать результат обработки (автомат или человек).

Кодирование – это действие, при котором информационный поток, поступающий на ввод, переводится из вида, в котором ее воспринимают начальные носители (допустим, человеческий язык), в вид, в котором ее можно обрабатывать и хранить вычислительной машины (машинный код). Соответственно, переводя запись из одного языка в другой, мы также переводим его из одной классификационной группы в другую. Для универсального понимания выходных данных нужен набор правил, описывающий, как обозначаются объекты и группы объектов, и система кодировки. Такой набор носит название системы кодирования. По сути, код представляет из себя понятное обработчику отображение объекта или группы в виде символа или нескольких, принадлежащих к одной системе. Множество таких знаков есть алфавит, а число знаков множества – это основание кода. Алфавиты делятся на цифровые, смешанные и буквенные.

Закодированная, обработанная вычислительной системой информация является уже не просто потоков, а данными.

Данные и информация различны, потому что данные имеют структуру, а информация – это просто поток. По сути, компьютерная система работает именно с данными. Данные хранятся перед, во время и после обработки на носителях, таких как оперативная память и магнитный или SSD диск (винчестер). Хранимые данные существуют только внутри определенного формата, поскольку именно он определяет их структуру и обеспечивает читаемость и обработку компьютером.

Данные не имеют значимости сами по себе внутри вычислительной системы. Для получения требуемого результата над набором данных нужно совершить операцию или операции. Они бывают следующих видов:

• Сбор данных – это процесс накопления информации для обеспечения ее полноты для принятия в будущем решений;
• Формализация данных – собранные из разных источников, затем данные преобразуют в один формат, чтобы они стали доступными для дальнейших действий;
• Фильтрация данных – процесс отбора тех данных, которые нужны для выполнения задачи, с отсеиванием ненужным;
• Сортировка данных – процедура повышения доступности информации путем ее упорядочивания;
• Архивация данных – организация хранения для упрощения доступа и управления.
• Защита данных – комплекс мер по обеспечению конфиденциальности данных и предотвращению утечки;
• Транспортировка данных – процессы приема и передачи информации от сервера к клиенту и обратно.