Архитектурные свойства вычислительных систем
Принципы технической реализации модели коллектива вычислителей
Лекция 6. Вычислительные системы
Рис. 4.9 Главное здание 601 блок “А1” (Контур многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) в сборе).
Рис. 4.8. Проектная трехмерная модель генплана площадки второй очереди Ленинградской АЭС
Рис. 4.7 Машинный зал первой очереди ЛАЭС (без железобетонных конструкций архитектурно-строительной части).
Рис. 4.6 . Часть трехмерной модели блока 401А (реактор, первый контур, нижние отметки).
Рис. 4.5. Проектная трехмерная модель генплана площадки первой очереди ЛАЭС
Подводя итоги краткого рассмотрения вопросов создания информационных систем для целей ВЭ (или, что более правильно информационных систем жизненного цикла блоков АЭС) можно сделать
1. В плане состава информации, сохраняемой для целей ВЭ на этапах подготовки к выводу и вывода из эксплуатации блока АЭС, положения российских нормативных и руководящих документов, а также программ вывода из эксплуатации блоков первой очереди ЛАЭС практически полностью совпадают с концептуальными рекомендациями, изложенными в публикациях МАГАТЭ.
2. Накопленный к настоящему времени отечественный и международный опыт применения информационных систем в процессе ВЭ позволяет решить указанную задачу разработки, внедрения и использования рассматриваемых информационных систем, что позволит значительно облегчить практическую реализацию работ по выводу из эксплуатации блоков АЭС.
параллелизм, многопроцессорные вс, многомашинные вс, классификация, вс, архитектура, openmp, mpi
Каноническое описание модели коллектива вычислителей, основополагающие принципы ее конструкции, а также состояние микроэлектроники и уровень развития (параллельной) вычислительной математики определяют принципы технической реализации модели или принципы построения вычислительных систем (ВС). Выделим “модульность” и “близкодействие” как главные принципы технической реализации модели коллектива вычислителей.
Модульность – принцип, предопределяющий формирование вычислительной системы из унифицированных элементов (называемых модулями), которые функционально и конструктивно закончены, имеют средства сопряжения с другими элементами и разнообразие которых составляет полный набор. Функциональные и конструктивные возможности модулей, разнообразие их типов определяются исходя из требований, предъявляемых к вычислительным системам, и, безусловно, из возможностей микроэлектронной базы.
Модульность вычислительной системы обеспечивает:
- возможность использования любого модуля заданного типа для выполнения любого соответствующего ему задания пользователя;
- простоту замены одного модуля на другой однотипный;
- масштабируемость, т.е. возможность увеличения или уменьшения количества модулей без коренной реконфигурации связей между остальными модулями;
- открытость системы для модернизации, исключающую ее моральное старение.
При конструировании вычислительных систем с массовым параллелизмом достаточно ограничиться единственным модулем–вычислителем, который бы обладал вычислительной и соединительной полнотой. Следовательно, модуль должен иметь средства автономного управления, располагать арифметико-логическим устройством и памятью и содержать локальный коммутатор – схему для связи с другими модулями. На практике принято такой модуль–вычислитель называть либо элементарным процессором (ЭП), либо элементарной машиной (ЭМ). При этом считается, что ЭП это композиция из процессора и локального коммутатора. Разрядность таких ЭП в различных вычислительных системах колеблется от 1 до 64. Под элементарной машиной понимается архитектурно более развитая композиция из ЭВМ и локального коммутатора.
Близкодействие – принцип построения вычислительных систем, обусловливающий такую организацию информационных взаимодействий между модулями–вычислителями, при которой каждый из них может непосредственно (без “посредников”) обмениваться информацией с весьма ограниченной частью модулей-вычислителей. Следовательно, структура ВС позволяет осуществлять информационные взаимодействия между удаленными вершинами-вычислителями лишь с помощью промежуточных вершин-вычислителей, передающих информацию от “точки к точке” (point-to-point). Удаленными считаются все те вершины в структуре ВС, расстояние между которыми более 1 (число ребер между которыми более единицы).
Принцип близкодействия допускает реализацию механизма управления ВС (организации функционирования коллектива вычислителей как единого целого), не зависящий от числа составляющих ее вычислителей. Данный принцип, в частности, выражается в том, что поведение каждого вычислителя зависит от поведения только ограниченного подмножества других вычислителей системы.
Вычислительные системы, основанные на принципах модульности и близкодействия, удовлетворяют также требованиям асинхронности, децентрализованности и распределенности.
Асинхронность функционирования ВС обеспечивается, если порядок срабатывания ее модулей определяется не с помощью вырабатываемых тем или иным образом отметок времени, а достижением заданных значений определенных (как правило, логических) функций. Использование асинхронных схем позволяет достичь в системе алгоритмически предельного быстродействия: модули ВС срабатывают немедленно после достижения соответствующего условия. Применение асинхронных схем обмена информацией между вычислителями позволяет не учитывать разброс в их тактовых частотах и колебания времени задержки сигналов в линиях связи.
strong>Децентрализованность управления ВС достигается, если в системе нет выделенного модуля, который функционирует как единый для всей системы центр управления. Децентрализованное управление системой основано на совместной работе всех исправных модулей системы, направленной на принятие решений, доставляющих оптимум выбранной целевой функции. Выполняя свою часть работы по выработке согласованного решения об управлении системой, каждый модуль пользуется только локальной информацией о системе.
Децентрализованное управление системой (в отличие от централизованного) позволяет:
- достичь живучести ВС, т. е. ее способности продолжать работу при отказах модулей (в том числе и тех, которые предназначены для принятия решений);
- избежать очередей при обслуживании “заявок” на управление.
Распределённость ресурсов ВС. Под ресурсами ВС понимаются все объекты, которые запрашиваются, используются и освобождаются в ходе выполнения вычислений. В качестве ресурсов ВС выступают процессоры или даже модули, входящие в их состав, модули оперативной памяти, внешние устройства, линии межмодульных связей, шины, файлы данных, компоненты программного обеспечения. Принято называть распределенной ВС, такую систему, в которой нет единого ресурса, используемого другими в режиме разделения времени. Вместе с этим каждый ресурс распределённой ВС рассматривается как общий, доступный любому потребителю.
Основополагающие принципы (параллелизма, программируемости, однородности) и принципы модульности и близкодействия позволяют достичь полноты архитектурных свойств в вычислительных системах. Отметим важнейшие свойства архитектуры ВС. При этом заметим, что не все свойства и не в полной мере могут проявляться в той или иной реализации ВС.
Масштабируемость (Scalability) вычислительных систем
Под масштабируемостью ВС понимается их способность к наращиванию и сокращению ресурсов, возможность варьирования производительности. Сложность (трудоемкость) задач, решаемых на вычислительных средствах, постоянно растет. Для сохранения в течении длительного времени за вычислительной системой способности быть адекватным средством решения сложных задач необходимо, чтобы она обладала архитектурным свойством масштабируемости. Это означает, в частности, что производительность, достигнутую ВС на заданном количестве вычислителей, можно увеличить, добавив еще один или несколько вычислителей. Выполнение этого свойства ВС гарантируется принципами модульности, локальности, децентрализованности и распределённости.
Свойство наращиваемости производительности предоставляет потенциальную возможность решать задачи любой априори заданной сложности. Однако для практической реализации этой возможности требуется, чтобы алгоритм решения сложной задачи удовлетворял условию локальности, а межмодульные пересылки информации слабо влияли на время решения задачи. Это может быть достигнуто за счет крупноблочного распараллеливания сложных задач и (или) аппаратурных средств, позволяющих совместить межмодульные обмены информацией с вычислениями.
Универсальность ВС. Вычислительные системы алгоритмически и структурно универсальны.
Принято считать, что ЭВМ (основанные на модели вычислителя) являются алгоритмически универсальными, если они обладают способностью (без изменения своих структур) реализовать алгоритм решения любой задачи. С другой стороны, ВС – это коллектив вычислителей, каждый из которых обладает алгоритмической универсальностью, следовательно, и система универсальна (в общепринятом смысле).
В вычислительных системах могут быть реализованы не только любые алгоритмы, доступные ЭВМ, но и параллельные алгоритмы решения сложных задач. Последнее следует из определений модели коллектива вычислителей и, в частности, алгоритма функционирования ВС.
Структурная универсальность ВС – следствие воплощения архитектурных принципов коллектива вычислителей, в частности, принципа программируемости структуры. Суть этого принципа – возможность автоматически (программно) порождать специализированные (проблемно-ориентированные) виртуальные конфигурации, которые адекватны структурам и параметрам решаемых задач.
Таким образом, вычислительные системы сочетают в себе достоинства цифровой техники, где процесс вычислений в основном задаётся алгоритмически (точнее: программно) и аналоговой техники, где процесс вычислений предопределяется структурными схемами.
Структурная универсальность позволяет говорить и о специализированности ВС: для каждой задачи допустима автоматическая настройка такой конфигурации из ресурсов ВС, которая наиболее адекватна алгоритму решения задачи. Итак, вычислительная система – это средство, в котором диалектически сочетаются противоположные свойства универсальности и специализированности.