Файл: Мультипроцессоры (Конвейерная и векторная обработка).pdf

Важнейший результат выполнения программы "СКИФ" - выпуск образцов кластерных конфигураций производительностью в диапазоне от десятков миллиардов до нескольких триллионов операций в секунду, которые использовались как для отработки программного обеспечения, так и для реальных вычислений в интересах предприятий и учреждений России и Беларуси. Важнейшим практическим внедрением результатов реализации программы "СКИФ" является создание в ОИПИ НАН Беларуси "Республиканского суперкомпьютерного центра коллективного пользования" с возможностью удаленного доступа к его вычислительным ресурсам.

Результаты комплексной реализации программы "СКИФ" являются существенным научно-техническим и организационным заделом для дальнейшего развития суперкомпьютерного направления, в том числе для формирования новых программ Союзного государства. Суперкомпьютеры семейства "СКИФ" - база для сформированной Национальной академией наук Беларуси и Министерством образования и науки Российской Федерации научно-технической программы Союзного государства "Развитие и внедрение в государствах-участниках Союзного государства наукоемких компьютерных технологий на базе мультипроцессорных вычислительных систем" (шифр "Триада"). Программа "Триада" утверждена постановлением Совета Министров Союзного государства от 29 октября 2005 г. No 29. Данная программа является комплексной, объединяющей приоритетные проекты, нацеленные на решение ключевых проблем использования суперкомпьютерных технологий в наиболее важных областях приложений - в первую очередь в промышленности.

Стратегическим направлением развития суперкомпьютерных технологий "СКИФ" является оптимизация принятых решений с учетом специфики требований современных наукоемких технологий и конкретных приложений. Анализ современных тенденций в области высокопроизводительных вычислений показывает, что во всем мире развитие новых средств и технологий будет продолжаться ускоряющимися темпами. Последние несколько лет наиболее перспективным направлением организации высокопроизводительных вычислений стали ГРИД-технологии.

Развитие этого направления предусмотрено в предложении Национальной академии наук Беларуси и Федерального агентства по науке и инновациям Российской Федерации о разработке научно-технической программы Союзного государства "Разработка и использование программно-аппаратных средств GRID-технологий и перспективных высокопроизводительных (суперкомпьютерных) вычислительных систем семейства СКИФ на 2007-2010 гг." (шифр "СКИФ-ГРИД").

Актуальность разработки программы "СКИФ-ГРИД" определяется необходимостью своевременного освоения новых технологий высокопроизводительных вычислений, их адаптации к технологическому и организационному укладу государств-участников, решения вопросов информационной безопасности для специальных приложений. Процесс согласования предложения о разработке программы Союзного государства "СКИФ-ГРИД" находится на завершающем этапе.

Магистральным путем развития современных суперкомпьютерных технологий является построение распределенных вычислительных систем с массовым параллелизмом. Как в научной среде, так и для нужд промышленности существует необходимость создания высокопроизводительной высоконадежной среды для создания мобильных и масштабируемых приложений. Переход на вычислительную технику с параллельной архитектурой вынуждает пользователей изменять весь привычный стиль взаимодействия с компьютерами. Для широкого внедрения принципов параллельных вычислений при решении высокопроизводительных задач требуется создание недорогих малогабаритных вычислительных комплексов, которые возможно устанавливать в обычных рабочих помещениях или офисах. Бурное развитие технологий НРС (High Performance Computing) привело к естественной экспансии параллельной архитектуры (в основном, кластерной) во все направления компьютерной отрасли: суперкомпьютеры, серверы, рабочие станции. Эта тенденция коснулась уже и самого массового звена средств вычислительной техники - персональных компьютеров. Как показал анализ тенденций развития компьютерных технологий появились и уже становятся привычными термины "персональный суперкомпьютинг", "персональные кластеры" и "персональные суперкомпьютеры", появляются уже и соответствующие программно-технические средства, адекватно соответствующие этим терминам.

Создание семейства персональных кластеров на базе идеологии "СКИФ" предусмотрено в рамках программы Союзного государства "Триада". Создание старших моделей персональных кластеров-серверов планируется в рамках программы "СКИФ-ГРИД".

Кластерная революция поставила во главу угла соотношение цена/производительность, причем этот показатель приобретает особое значение для персональных суперкомпьютеров. Однако, чтобы персональные кластеры действительно смогли стать "персональными", они должны обеспечить, как минимум, все те возможности, благодаря которым "персоналки" и стали незаменимым любимым вычислительным инструментом (и даже более, чем инструментом) для массового пользователя:

• доступность по цене;
• дружественный интерфейс;
• развитое программное обеспечение (системное и прикладное);
• операционная среда ОС Microsoft Windows;
• небольшие габариты и, как следствие, возможность расположения непосредственно в рабочей зоне;
• включение непосредственно в обычную розетку;
• небольшая потребляемая мощность;
• допустимый для офисных помещений уровень шума.
• круглосуточный режим работы без внешних устройств охлаждения.

Безусловно, на данном этапе развития компьютерных технологий персональные кластеры, привнося для широкого пользователя возможности НРС, могут уступать по ряду показателям ПЭВМ с традиционной архитектурой.

В рамках программ "Триада" и "СКИФ-ГРИД" предусматривается реализация следующих основных концептуальных технических характеристик семейства персональных кластеров:

• параллельная (кластерная) архитектура;
• программная совместимость с кластерами семейства "СКИФ";
• работа с ОС Linux и ОС Microsoft Windows Compute Cluster Server 2003;
• реализация вычислительных узлов кластера на 64-разрядных платформах;
• использование перспективных суперскалярных технологий обработки данных (многопотоковость, многоядерность, VLIW);
• использование новых внутренних шин (PCI-Express, Hyper-Transport);
• использование перспективных сетевых интерфейсов (Gigabit Ethernet, Infmiband и др.);
• использование энергосберегающих технологий для повышения плотности вычислительной мощности и уровня энергопотребления на единицу объема: в 1,5-2,0 раза больше по сравнению с базовыми конструктивными вычислительными модулями (БКВМ) кластеров семейства "СКИФ";
• уменьшение количества внешних связей между вычислительными узлами и сетевыми коммутаторами: в 2,0-2,5 раза по сравнению с БКВМ кластерных систем семейства "СКИФ";
• расширенные сервисные функции (мониторинг внутренней температуры, контроль работы системы вентиляции и др.);
  повышенная отказоустойчивость;
• использование новых конструктивных решений для размещения оборудования.

С учетом изложенных выше концептуальных принципов и областей применения в персональных кластерах на базе решений "СКИФ" предусматривается архитектура с двухуровневой обработкой данных (рис. 5).

Двухуровневая архитектура позволяет оптимизировать организацию параллельного счета задач как с крупноблочным (явным статическим или скрытым динамическим) параллелизмом так и с конвейерным или мелкозернистым явным параллелизмом с большими потоками информации, требующими обработки в реальном режиме времени. Такая система включает:

• базовый (кластерный) архитектурный уровень;
• потоковый архитектурный уровень, реализующий модель потоковых вычислений (data-flow).

Кластерный архитектурный уровень - это тесносвязанная сеть (кластер) вычислительных узлов (ВУ), работающих под управлением операционной системы (ОС). Для организации параллельного выполнения прикладных задач на данном уровне должны использоваться:

• разработанная в рамках программы "СКИФ" для ОС Linux оригинальная система поддержки параллельных вычислений - Т-система, реализующая автоматическое динамическое распараллеливание программ;
• классические системы поддержки параллельных вычислений, обеспечивающие эффективное распараллеливание прикладных задач различных классов (как правило, задач с явным параллелизмом) MPI.

Базовая архитектура персональных кластеров, как и моделей семейства суперкомпьютеров "СКИФ", реализуется на классических кластерах из вычислительных узлов на основе компонент широкого применения (стандартных микропроцессоров, модулей памяти, жестких дисков и материнских плат, в том числе с поддержкой SMP).

Системная сеть кластера строится на основе специализированных высокоскоростных линков класса Gigabit Ethernet, InfiniBand и др., предназначенных для эффективной поддержки кластерных вычислений на уровне ОС и систем организации параллельных вычислений (Т-системы, MPI). Вспомогательная сеть суперкомпьютера с протоколом TCP/IP объединяет узлы КУ в обычную локальную сеть TCP/IP LAN. Данная сеть может быть реализована на основе широко используемых сетевых технологий класса Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и др.

Использование ОС Windows Compute Cluster Server 2003 фирмы Microsoft позволяет обеспечить на кластерных структурах привычную для пользователей ПЭВМ операционную среду Windows при выполнении высокопроизводительных вычислений.

Windows Compute Cluster Server 2003 может быть установлен, используя стандартные технологии Windows. Microsoft Message Passing Interface (MS-MPI) полностью совместим со стандартами кодами MPI2. Интеграция с Active Directory обеспечивает сетевую безопасность, а использование Microsoft Management Console предоставляет привычный интерфейс администрирования и планирования.

Windows Compute Cluster Server 2003 поддерживает следующие базовые технологии:

• 64-разрядные компьютеры и вычислительные узлы кластеров;
• Message Passing Interface v2 (MPI2);
• Сетевые технологии Gigabit Ethernet, Ethernet over RDMA, Infiniband и Myrinet;
• Функции управляющей ПЭВМ может выполнять один из вычислительных узлов кластера.

Глава 4. ОДНОКРИСТАЛЬНЫЕ МУЛЬТИПРОЦЕССОРЫ

Гомогенные однокристальные мультипроцессоры

Благодаря развитию технологии сверхбольшой интегральной схемы (далее СБИС), в настоящее время на один кристалл можно установить два или более мощных процессоров. Поскольку такие процессоры всегда обращаются к одним и тем же модулям памяти, КЭШу первого и второго уровней и основной памяти, они считаются единым мультипроцессором. Они устанавливаются в крупных фермах веб-серверов. При совместном размещении двух процессоров, разделении ресурсов памяти, дисковых и сетевых интерфейсов производительность сервера во многих случаях можно удвоить. Причем расходы на это возрастут в значительно меньшей степени.

Для малых однокристальных мультипроцессоров имеются два типовых проектных решения. В первом из них (рис. 6) присутствует одна микросхема и два конвейера. Т.е. скорость исполнения команд теоретически удваивается. Во втором решении (рис. 7) в микросхеме предусмотрено два независимых ядра, каждое из которых содержит полноценный процессор.

Ядром называется большая микросхема, которая размещается на микросхеме в виде модуля вместе с несколькими другими ядрами.

Рис. 6 / 7 Однокристальные мультипроцессоры: микросхема с двумя конвейерами (6); микросхема с двумя ядрами (7)

Первое решение допускает совместное потребление ресурсов процессорами. Другими словами, каждый процессор может обращаться к ресурсам.

Второе решение требует изменения конструкции микросхемы и не предусматривает более двух процессоров. Заметим, что разместить на одной микросхеме два или несколько ядер процессоров не сложно.

Гетерогенные однокристальные мультипроцессоры

Помимо серверов, однокристальные мультипроцессоры используются во встроенных системах. В большей части в аудиовизуальной бытовой электронике:

• 1. телевизорах;
  2. БУБ-плеерах;
  3. видеокамерах;
  4. игровых приставках;
  5. сотовых телефонах и т. д.

Подобные системы отличаются повышенными требованиями к производительности и жесткими ограничениями. Несмотря на различия во внешнем виде, эти устройства представляют собой миниатюрные компьютеры с одним или несколькими процессорами, модулями памяти, контроллерами и специализированными устройствами ввода-вывода.