Оқытушыға арналған оқу жұмыс бағдарламасы Семей

МАЗМҰНЫ

	Глоссарий
	Дәрістер
	Зертханалық жұмыстар
	Студенттердің өздік жұмыстарының жоспары

Паралелді есептеуіш жүйелерді қолдану (ПЭЖ) есептеу техникасының дамуының стратегиялық бағыты болып табылады. Бұл жағдай қарапайым кезектеспелі ЭЕМ-дердің мүмкіндігінше максималды жылдамдығының принципиалды шектеуімен ғана шақырылмайды, және де әрқашанда есептеуіш тапсырмаларды шешу үшін есептеуіш технкасының бар мүмкіндіктері көп жағдайда жеткіліксіз болуымен де шақырылады. Сөйтіп, қазіргі заманғы ғылым мен техника мүмкіндіктерінің [54] "үлкен шақыру" мәселелері: климотты моделдеу, гендік инженерия, интехралдық схемаларды жобалау, қоршаған ортаның ластануының анализі, емдік дәрумендерді жасау және тағы сол сияқтылар - өздерінің анализі үшін әр секундта қалқымалы үтірі бар (1 TFlops) 1000 миллиард операцияларды орындайтын ЭЕМ талап етеді.

Жоғарғы дәрежелелі өнімділікті есептеуіш жүйелерді құру мәселесі қазіргі заманғы ғылым мен техникалық есептердің ең күрделісі болып табылады. Осы мәселені шешу көптеген талантты ғалымдар мен конструкторлардың білімдері мен күштерін жан – жақты концентрациялағанда ғана мүмкін, оның үстіне ғылым мен техниканың соңғы жетістіктерін қолдануды және маңызды финанстік инвестицияларды талап етеді. Сонымен қатар осы саладағы соңғы кездегі жетістіктер таңқаларлықтай. "Компьютерлік белсенділікті стратегиялық шектеу" Accelerated Strategic Computing Initiative – ASCI) [25] бағдарламасы АҚШ-та 1995ж қабылданған, осының негізінде суперЭЕМ- дердің өнімділігін 18 айда 3 есе арттыру және өнімділік дәрежесін секунтына 100 триллион операцияларды орындауға арттыру мәселелері болды. Қазіргі уақытта жылдам әрекет ететін суперЭЕМ-дердің бірі NEC жапон фирмасының бір векторлық процесстің жылдамдығы секундтына 8 миллиард (8 GFlops) операциялар орындайтын SX-6 компьютері болып табылады. Көп процессорлы жүйелер үшін қол жеткізілген жылдам әрекет ету көрсеткіштері әлде қайда жылдам: мысалға, Intel (США, 1997) фирмасының ASCI Red жүйесінің жылдамдығы секундтына 1,8 триллион (1,8 TFlops) операциялар. Осы курстың лекйияларын жазу кезіндегі жылдам әрекет етуші есептеуіш жүйелердің Top 500 тізімінде BlueGene/L есептеуіш комплексі алғашқы қатарда.

Есептеулерді паралелдендіруді ұйымдастыру бір сәтте мәліметтерді өңдеу операциялары орындалған кезде функционалды құрылғылардың көптігінен жүзеге асады. Бұл жағдайда есептеуіш тапсырмаларды шешуді жылжамдата аламыз, ол үшін қолданылып отырған алгоритмді ақпаратты тәуелсіз аймақтарға бөліп, әр аймақты есептеуді жеке процесске жазу керек. Осындай тәсілдер керекті есептеулерге жылдам қол жеткізуге мүмкіндік береді.

Айтып өтетін бір жағдай, паралелдендіруді қолдану ғалымдардың болжамдарына қарамай әлі де кең қолданыс алған жоқ. Бұл жағдайдың осы күнге дейін басты себептерінің бірі жылдам өндірістік жүйелердің қымбаттығы болды (суперЭЕМ ді тек қана үлкен компаниялар мен мекемелер ғана ала алды). Қазіргі заманғы түрлі конструктивті элементтерден (микропроцессорлар, жады микросхемалары, комуникациялдық құрылғылар) тұратын паралелді есептеуіш комплекстерді құрудың көп бөлігі өндіріспен игерілген. Осы жағдай алдыда айтылған факторды бәсеңдетті, және қазіргі уақытта әр бір қолданушы өндірістігі өте жоғары көп процессорлы есептеуіш жүйелерін (КПЕЖ) қолдана алады. Паралелді есептеулер жағдайы көп ядролы процессорлардың пайда болуымен қарқынды дамыды, 2006 жылы компьютерлік жүйелердің 70% да қолданды.

Енді, паралелдендірудің таралуына жол бермей отырған басты себепке көшейік. Праралелді есептеулерді жүргізу үшін ЭЕМ – де есептерді шығарудың дәстүрлі – қайталанбалы – технологиясын «паралелдендіруіміз» керек. Сөйтіп, көп процессорлы жүйелердегі сандық әдістер енді паралелді және бір – біріне, тәуелсіз процесстерде әсер ететін түрге келуі қажет. Қолданылатын алгоритмдеу тілдері және жүйелік бағдарламалық қамсыздандыру параллелді бағдарламаларды құруды, синхронды және асинхронды процестерді болдырмауы керек.

Параллелді есептеу жүйелерін қолданғанда туындайтын келесідей ортақ мәселелерді айтып өткен жөн [22]:

• 
  Параллелдендіруді ұйымдастыру үшін өнімділікті жоғалту - Минскидің гипотезіне (Minsky) сәйкесінше, параллелді жүйелерді қолданғандағы тежелу процесстер санының екілік логарифміне пропорционал (мысалы, 1000 процес болса тежелу 10 тең болады).
  

• 
  Кезектеспелі есептеулердің бар болуы - Амбала заңына сәйкес есептеу процестерін жылдамдату кезінде р процессерін қолданса ол үлкендікпен шектеледі
  

Мұндағы f мәліметтерді өңдеу алгоритімінде қолданылатын кезектеспелі есептеулер аймағы. (ол дегеніміз, мысалға 10% кезектеспелі командалар бар болса, онда параллелдендіруді қолданғанда мәліметтерді өңдеу жылдамдығы 10 еседен аса алмайды).

Айтылған жағдай параллелді бағдарламалаудағы ең күрделі мәселені сипаттайды (кезектеспелі командалар бөлігі жоқ алгаритмдер болмайды). Алайда кезектеспелі іс әрекеттер үшін есепті параллелді шешу мүмкіндігі сипаттамайды, ал қолданылатын алгоритмдердің кезектеспелі қасиеттерді сипаттайды. Нәтижесінде, кезектеспелі есептеулер бөлімі параллелдендіруге қолайлы алгоритімдерді қолданғанда әлде қайда азаюы мүмкін.

Параллелді жүйелерге тән қасиеттерге параллелдендірудің эффективтілігі байланысты – кезектеспелі ЕЭМ – нің класикалық Фон Нейман схемасының бүтіндігіне қарағанда, параллелді жүйелер архитектуралық құрылу принциптерімен ерекшеленеді, және параллелденудің максималды эффектілі болуы құралдардың барлық ерекшеліктерін қолданғанда ғана жүзеге асады; Нәтижесінде, параллелді алгориьімдерді көшіру және бағдарламаларды әр түрлі жүйелер арасында тасымалдау қиынға соғады немесе кей жағдайда мүлде мүмкін емес.

Осы айтылған ескертуге айтып өту керек жағдай, кезектеспелі ЭЕМ – нің «біртектілігі» елес деуге де болады, себебі біртекті компьютерлерді эффектілі қолдану үшін оның аппаратураның қасиеттеін ескеру керек. Бір жағынан, параллелді жүйелердің архитектурасының әр түрлілігіне қармай, параллелдендіруді қамтамаыз тетін «тұрақтанған» тәсілдер бар (конвейерлі есептеулер, көп процессорлы жүйе және т.с.с.) Және де, параллелді есептелерді қолдайтын түрлі бағдарламалық тәсілдерді қолданған кезде құрылаын параллелді бағдарламалар инвариатты болады. (MPI, PVM және т.б. бағдарламалық кітапханалар).

• 
  Бар бағдарламалық жасақтмалар кезектеспелі ЭЕМ – дерге бағытталған – бұл дегеніміз, ептердің көп бөлігіне алдын ала дайындалған бағдарламалық жасақтама бар және бұл бағдарламалар кезектеспелі ЭЕМ – дерге бағытталған. Осының нәтижесінде, бұндай мөлшердегі бағдарламаларды өңдеу параллелді жүйелерге мүмкін болмайды.
  

Осы айтылған мәселерді қортындылай келе, параллелді есептеу есептеуіш техникасын қолданудың өте қолайлы (қызықты) саласы және күрделі ғылыми – техникалық сала болып табылады. Осыған орай, параллелендіруге жету үшін ЭЕМ – нің және аппарттық құралдардың қазіргі заманға сай даму қарқынын білу, моделдерді құра алу, мәліметтерді өңдеу тапырмалаларын параллелді шеше алу қолданбалы математика, информатика және септеуіш техникасы салаларының мамандарының жоғарғы квалификациялығының көрсеткіші болып табылады.

Глоссарий (анықтама, создік);

• 
  MFlops - million of floating point operations per second – қалқымалы үтірі бар сандардың секундтына миллион операциялары , GFlops - миллиард, сәйксінше TFlops - триллион.
  
• 
  ARPANET – компютерлік желіні құру компьютерлік комуникацияда эксперементтерді жасауға, ядролық шабуыл кезінде байланыста болу, орталықтандырылмаған басқару концепцияларын басқаруға мақсатталаған АҚШ-тың қорғаныс Министерлігінің дамыған зерттеу проектілер агенттігінің проектісі (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA), (1966-1969 ж.)
  

Тақрыпқа қойылатын сұрақтар:

1. 
   Параллелендіруге жету тәсілдерінің мақсаты неде?
   
2. 
   Параллелді есептеуіш жүйелердің ерекшеліктері неде тұрады?
   
3. 
   Флинн класификасының негізіне не қаланды?
   
4. 
   Көп процессорлы жүйелердің мультикомпьютер және мультипроцессор бөліну принципы неден тұрады?
   
5. 
   Мультипроцессорлер үшін жүйелердің қандай класстары белгілі?
   
6. 
   Мультипроцессорлердің артықшылығы мен кемшіліге неде?
   
7. 
   мультикомпьютерлер үшін жүйелердің қандай класстары белгілі?
   
8. 
   Кластерлі жүйелердің артықшылығы мен кемшілігі неде?
   
9. 
   Микропроцессерлі жүйелерді құру кезінде ақпаратты беру жүйелерінің қандай попологиялары кең қолданыс алады?
   
10. 
    Класстерлер үшін ақпаратты беру жүйелерінің қандай ерекшеліктері бар?
    
11. 
    Ақпаратты беру жүйелерінің басты сипаттамалары қандай?
    
12. 
    Кластерлерді құру үшін қандай жүйелік платформалар қолданылады?