РАЗВИТИЕ СУПЕРЭВМ - ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СУПЕР ЭВМ
 
На сегодняшний день весьма актуальна тема перехода к новым поколениям вычислительных средств, что связано с потребностями решения сложных задач больших размерностей. В то же время не стоит на месте процесс разработки новых видов вооружений, и это тоже требует создания новых, усовершенствованных, вычислительных машин для поддержки их эффективного функционирования. В наше время однопроцессорные вычислительные системы уже не уже не в состоянии решить большинство военно-прикладных задач, так уровень требований к производительности и надежности вычислительных средств, особенно в области решение решения военно-прикладных задач постоянно растёт и теперь как средство повышения производительности вычислительных систем военного назначения наиболее часто используются многопроцессорные вычислительные системы (МВС)
В качестве основных требований, предъявляемых к таким системам, можно выделить следующие:
необходимость высокой производительности для любого алгоритма;
согласование производительности памяти с производительностью вычислительной части;
способность микропроцессоров согласованно работать при непредсказуемых задержках данных от любого источника
машинно-независимое программирование.
Одним из факторов, влияющих на архитектуру высокопроизводительных вычислительных систем, является взаимозависимость архитектуры и алгоритмов задач. Чаще всего наличие этого фактора ведёт к созданию проблемно-ориентированных систем. При этом может быть достигнут наивысший уровень производительности для данного класса задач. Такая взаимозависимость также выступает стимулом для поиска алгоритмов, наилучшим образом соответствующих возможным формам параллелизма на уровне аппаратуры, а, как известно, увеличение степени параллелизма ведёт к увеличению числа логических схем, что сопровождается увеличением физических размеров, в результате чего возрастают задержки сигналов на межсоединениях. А так как для написания программ используются языки высокого уровня, необходимы определенные средства автоматизации процессов распараллеливания и оптимизации программ. В конечном счёте этот фактор приводит к одному из двух результатов:
к снижению тактовой частоты,
к созданию дополнительных логических ступеней и, как следствие, к потере производительности.
Стоит также отметить, что рост числа логических схем также приводит к росту потребляемой энергии и отводимого тепла
К тому же более высокочастотные логические схемы при прочих равных условиях потребляют большую мощность на один вентиль. Результатом является возникновение теплофизического барьера, что обусловлено двумя факторами:
высокой удельной плотностью теплового потока, что требует применения сложных средств отвода тепла
высокой общей мощностью системы, что вызывает необходимость использования сложной системы энергообеспечения и специальных помещений.
Вместе с тем, имеют место подходы, связанные с применением специализированных микропроцессоров, которые ориентированы именно на использование в параллельных системах. В качестве примера можно привести серию транспьютеров фирмы Inmos. Но из-за ограниченного рынка эта серия по производительности резко отстала от универсальных микропроцессоров, таких, как Alpha, Power PC, Pentium
Специализированные микропроцессоры будут иметь полноценную конкурентоспособность только при условии сокращения расходов на проектирование и освоение в производстве. А это, в свою очередь, во многом зависит от производительности инструментальных вычислительных средств, используемых в системах автоматизированного проектирования
Заметим, что аппаратная реализация параллельных подсистем полностью зависит от выбранных микропроцессоров, БИС памяти и других компонентов. На сегодняшний день по экономическим соображениям целесообразно использовать наиболее высокопроизводительные микропроцессоры, разработанные для унипроцессорных машин
Разные вычислительные машины используют различные подходы, направленные на достижение следующих целей:
- максимальная арифметическая производительность процессора;
- эффективность работы операционной системы и удобство общения с ней для программиста;
- эффективность трансляции с языков высокого уровня и исключение написания программ на автокоде;
- эффективность распараллеливания алгоритмов для параллельных архитектур
Однако, в любой машине необходимо в той или иной форме решать все указанные задачи. Отметим, что сначала этого пытались достичь с помощью одного или нескольких одинаковых процессоров
В развитие вычислительных средств всегда вносили наибольший вклад технологические решения. Причём основополагающей характеристикой поколения вычислительных систем была элементная база, так как переход на новую элементную базу хорошо коррелируется с новым уровнем показателей производительности и надежности вычислительных систем
Несколько приостановило поиски принципиально новых архитектурных решений бурное развитие технологии СБИС и разработка последних поколений микропроцессоров, тем не менее становится очевидным, что чисто технологические решения утратили свое монопольное положение
Так, например, в ближайшем будущем заметно возрастает значение проблемы преодоления разрыва между аппаратными средствами и методами программирования. Эта проблема решается чисто архитектурными средствами, при этом роль технологии является косвенной: высокая степень интеграции создает условия для реализации новых архитектурных решений. Также не вызывает недоумения и тот факт, что без кардинальной перестройки архитектурных принципов поддерживать интенсивные темпы развития средств вычислительной техники уже невозможно. Самые оптимистические прогнозы свидетельствуют: тактовые частоты современных и перспективных СБИС могут быть увеличены в обозримом будущем до 5 ГГц
Достигнутая степень интеграции, в свою очередь, позволяет строить параллельные системы, в которых число процессоров может достигать десятков тысяч. В области повышения производительности вычислительных систем резерв технологических решений ограничивается одним порядком. Освоение же массового параллелизма и новых архитектурных решений содержит резерв повышения производительности на несколько порядков
Вообще, в развитии вычислительных средств выделяют три основные проблемы:
- повышение производительности;
- повышение надежности;
- покрытие семантического разрыва
Этапы развития вычислительных средств принято различать по поколениям машин. Характеристика поколения определяется конкретными показателями, отражающими достигнутый уровень в решении трех перечисленных проблем. Поскольку огромный вклад в развитие вычислительных средств всегда принадлежал технологическим решениям, основополагающей характеристикой поколения машин считалась элементная база. И действительно, переход на новую элементную базу хорошо коррелируется с новым уровнем показателей производительности, надежности и сокращения семантического разрыва
В настоящее время актуальным является переход к новым поколениям вычислительных средств: одним из доминируюших направлений развития суперЭВМ можно назвать вычислительные системы c MIMD-параллелизмом на основе матрицы микропроцессоров. Для создания подобных вычислительных систем, состоящих из сотен и тысяч связанных процессоров, потребовалось преодолеть ряд сложных проблем как в программном обеспечении (языки Parallel Pascal, Modula-2, Ada), так и в аппаратных средствах (эффективная коммутационная среда, высокоскоростные средства обмена, мощные микропроцессоры). Элементная база современных выcокопроизводительных систем характеризуется выcокой степенью интеграции (до 3,5 млн. транзисторов на кристалле) и высокими тактовыми частотами (до 600 МГц)
По сложившейся традиции решающая роль отводится технологии производства элементной базы. В то же время становится очевидным, что технологические решения утратили монопольное положение. Так, например, в ближайшей перспективе заметно возрастает значение проблемы покрытия семантического разрыва, что отражается в необходимости создания высокосложных программных продуктов и требует кардинального снижения трудоемкотси программирования. Эта проблема решается преимущественно архитектурными средствами. Роль технологии здесь может быть только косвенной: высокая степень интеграции создает условия для реализации архитектурных решений
В настоящее время все фирмы и все университеты США, Западной Европы и Японии, разрабатывающие суперЭВМ, ведут интенсивные исследования в области многопроцессорных суперЭВМ с массовым параллелизмом, создают множество их типов, организуют их производство и ускоренными темпами осваивают мировой рынок в этой области. Многопроцессорные ЭВМ с массовым параллелизмом уже сейчас существенно опережают по производительности традиционные суперЭВМ с векторно-конвейерной архитектурой. Системы с массовым параллелизмом предъявляют меньшие требования к микропроцессорам и элементной базе и имеют значительно меньшую стоимость при любом уровне производительности, чем векторно-конвейерные суперЭВМ. Уже в текущем десяти