Предпосылкиразвитиявычислительныхсистемивычислительныхсетей.

Наряду с расширением области применения по мере совершенствования МВС происходит усложнение и увеличение количества задач в областях, традиционно использующих высокопроизводительнуювычислительнуютехнику. В настоящее время выделен круг фундаментальных и прикладных проблем, эффективное решение которых возможно только с использованием сверхмощных вычислительных ресурсов. Этот круг, обозначаемый понятием " Grand challenges", включает следующие задачи:

• предсказания погоды, климата и глобальных изменений в атмосфере;

• науки о материалах;

• построение полупроводниковых приборов;

• сверхпроводимость;

• структурная биология;

• разработка фармацевтических препаратов;

• генетика;

• квантовая хромодинамика;

• астрономия;

• транспортные задачи;

• гидро- и газодинамика;

• управляемый термоядерный синтез;

• эффективность систем сгорания топлива;

• геоинформационные системы;

• разведка недр;

• наука о мировом океане; • распознавание и синтез речи;

• распознавание изображений.

Производительность — важнейший показатель ВС. Увеличение требований к производительности постоянно опережает возможности вычислительных систем. Поэтому задачи повышения производительности находятся в центре внимания исследователей и разработчиков средств и систем вычислительной техники.

Электронно-вычислительная техника является самой динамично развивающейся областью в науке и практике. Каждые 2 года появляются новые типы CPU, а каждые 5 лет - удвоение скорости работы. Побудительным мотивом развития средств ЭВТ являются противоречие между всевозрастающими требованиями пользователей и возможностью производства.

Существуют физические пределы совершенствования элементной базы и сокращения времени обмена информацией, т.е. повышения производительности ЭВМ:

- t переключения ≈ нсек.;

- скорость передачи информации – максимальная 30 см/нсек.

Имеются три метода, обеспечивающих увеличение производительности систем:

- совершенствованиеэлементнойбазы позволяет увеличивать тактовую частоту работы устройств и систем, интегрировать в одном кристалле процессор, память и часть устройств ввода-вывода, увеличивать разрядность шин, памяти и операционных устройств, использовать внутри кристалла более совершенные структуры устройств

- структурныеметоды направлены на использование методов параллельной обработки данных, что требует такой организации ВС, когда параллельно (одновременно) выполняется большое число преобразований,

- математическиеметоды связаны с созданием новых вычислительных методов решения классов задач, допускающих распараллеливание вычислительных процессов.

Для реализации потенциально достижимого уровня производительности требуются согласованные усилия математиков и разработчиков аппаратного обеспечения, системного ПО, интегральных микросхем.

Вычислительнаясистема– совокупность взаимосвязанных процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенного для автоматизации процессов приема, хранения и выдачи информации и ориентированная на достижение сверхвысокой производительности либо на повышение надежности и живучести средств ВТ.

Параллельная обработка может быть организована на нескольких уровнях организации ВС, но в первую очередь она связана с применением архитектур с несколькими процессорами.

Преимущества параллельных архитектур:

1. Применение мультипроцессорных архитектур — это единственный способ построения наиболее высокопроизводительных ВС. Построив даже самый мощный процессор для данного уровня развития вычислительной техники, можно еще более увеличить производительность, объединив в единую систему несколько процессоров.

2. Отношение стоимости к производительности при требовании высокой производительности у мультипроцессорных систем ниже, чем у однопроцессорных.

Рис. Зависимостьстоимости ( С ) дляоднопроцессорныхимультипроцессорныхВСотихпроизводительности ( У ):

I—III — зоны эффективности однопроцессорных и мультипроцессорных систем

На достаточно коротком промежутке времени отличающегося стабильностью элементной базы остается справедливым квадратичный закон стоимости от производительности. Достигнуть требуемых характеристик в вычислительной технике путем построения вычислительных систем, у которых зависимость не квадратичная а линейная. Вычислительные системы требуют комплексированности или соединения программных модулей между собой.

Для однопроцессорной системы повышение производительности с момента, когда возможности архитектуры исчерпаны, неэффективно (точка а). Для мультипроцессорных систем определенной архитектуры также, начиная с определенного уровня сложности, дальнейшее вложение средств и наращивание вычислительной мощности в рамках используемой архитектуры процессора становится малоэффективным (точка b).

Можно выделить три зоны производительности: I, II и III. В зоне I экономически выгоднее использовать однопроцессорную систему, в зоне III — применение мультипроцессорных систем дает существенный экономический эффект. В зоне II можно использовать как однопроцессорную, так и мультипроцессорную систему. Мультипроцессорная система обеспечит больше возможностей для модернизации.

3. Мультипроцессорная система в связи с модульной организацией имеет более широкие возможности для изменения производительности, что позволяет обеспечить широкий диапазон требований в рамках одной архитектуры. Это свойство систем называют масштаб ируе мость.

4. Мультипроцессорная система позволяет обеспечить большую отказоустойчивость за счет использования структурной избыточности. Дополнительно комплексированные средства позволят обеспечивать работоспособность системы, даже если часть этих средств откажет в работе.

5. Мультипроцессорная система позволяет обеспечить большую достоверность - одна задача решается одновременно на нескольких ЭВМ, результат сравнивается.

6. Улучшение технической эксплуатации ВС: уменьшение количества обслуживающего персонала; сглаживание пиковых нагрузок.

Несмотря на отмеченные преимущества мультипроцессорных систем, их распространение сопряжено с определенными трудностями, свойственными всем распределенным системам параллельной обработки данных. Рассмотрим основные трудности.

1. Для параллельных систем характерны новые, не известные ранее типы ошибок:

• дедлоки (взаимные блокировки процессов);

• ливлоки (невыполнение некоторых альтернатив);

• голодание (невозможность получить ресурс; • несправедливость при планировании ресурса).

2. Сложности понимания и анализа параллельных процессов. Мышление людей имеет последовательный характер, так как мысли выражаются словами.

3. Недостаточная разработанность теоретических моделей. Теория параллелизма развивается в нескольких направлениях:

• создание вычислительных моделей применительно к задачам синтеза и анализа (сети Петри, системы переходов, реактивные системы и др.);

• разработка языков спецификации требований (предикаты, темпоральная

логика и др.);

• разработка методов верификации (анализ достижимости, логический вывод и др.).

4. Недостаточная проработанность технологии параллельного программирования. При этом актуально решение нескольких задач. Необходимо создание ОС, языков программирования, компиляторов и прикладных программ, наиболее полно использующих возможности параллельных архитектур. Желательна совместимость и стыковка этих параллельных программных средств с уже существующими средствами. Одна из актуальных задач — синхронизация и управление параллельными процессами.