Всеволод Сергеевич Бурцев Параллелизм вычислительных процессов и развитие архитектуры суперэвм м, 1997
жүктеу/скачать 2.36 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Параллелизм вычислительных
- Значение создания ENIAC в развитии информационно-вычислительных и управляющих систем России
В.С.Бурцев Параллелизм вычислительных процессов и развитие архитектуры суперЭВМ Москва 1997 Всеволод Сергеевич Бурцев Параллелизм вычислительных процессов и развитие архитектуры суперЭВМ М, 1997 В книге представлена часть трудов академика Всеволода Сергеевича Бурцева, написанных им за период с 1993 по 1996 годы. Часть работ публикуется впервые. В работах прослеживается основное направление исследований создание нетрадиционных высокопараллельных архитектур вычислительных машин и комплексов с использованием новых физических принципов, в частности, оптических и оптоэлектронных устройств. В настоящее время средства обработки информации переживают бурное развитие. Немаловажным является тот интересный факт, что в каких бы областях науки и техники не использовались различные средства обработки информации, в конечном счете, требования к их развитию сводятся, так или иначе, к одному - увеличению производительности вычислительных средств при уменьшении потребляемой мощности и повышению надежности. Этим, наверное, объясняется то обстоятельство, что архитектурные и схемотехнические решения, принятые в суперЭВМ - ЭВМ, обладающих наибольшей производительностью на фиксированный момент времени, определяют передний фронт развития этой отрасли. Увеличение производительности обработки информации, в основном, достигается двумя путями: первый - увеличением быстродействия элементной базы, включая конструкцию, и второй - архитектурными решениями построения средств обработки информации. Первый путь практически исчерпал все возможности и дальнейшее продвижение в этом направлении требует открытия новых физических принципов обработки информации. Второй путь, в основе которого лежит распараллеливание процессов обработки информации на всех уровнях решения задачи, широко использовался на всех этапах развития информационно-вычислительных средств:
Второй путь повышения производительности обработки информации на настоящее время далеко не исчерпал себя и с успехом будет развиваться в перспективных суперЭВМ. Можно с уверенностью сказать, что развитие архитектуры суперЭВМ идет в направлении создания условий для выявления и реализации параллельных процессов на всех уровнях взаимодействия человека с суперЭВМ. Этим обстоятельством и объясняется название данной книги, в которой собраны статьи, написанные в 1993-1996 г.г., опубликованные в различных журналах и сборниках, а также вновь подготовленные к печати. В них прослеживаются вышеприведенные тенденции развития вычислительной техники и предлагаются методы их реализации на современном этапе. 3 Сборник составлен на базе опыта многолетней работы совместно с большим коллективом сотрудников, из которых особую благодарность автор выражает к.т.н. Хайлову И.К., Сызько Э.В., д.ф.м.н. Подшивалову Д.Б., д.т.н. Перекатову В.И., Козлову Л.А., д.ф.м.н. Оленину А.С., к.т.н. Никольской Ю.Н., к.ф.м.н. Тарасенко Л.Г., д.т.н. Федорову В.Б., д.т.н. Торчигину В.П., д.ф.м.н. Захарову С.М., к.т.н. Шабанову Б.М., к.ф.м.н. Степанову A.M., к.т.н. Березко A.M., к.ф.м.н. Фетисову Н.С., к.ф.м.н. Копейкину А.Б., к.т.н. Кострюкову В.А., к.ф.м.н. Игнатову В.В., к.т.н. Гуснину С.Н., Андрееву А.В., Ткачеву В.А., Твердохлебову М.Н. и многим другим. Автор чрезвычайно признателен Никитину Ю.В., Давыдовой Г.Н.,Суима Е.А., Зотовой И.С., Табаковой Л.Н., Костеревой И.Н., Николаевой В.А., Шашуриной Т.П., которые в рекордно короткий срок подготовили сборник к печати. Автор будет благодарен за мнения, высказанные об этой книге. Если читатели сочтут ее интересной, будет сделана попытка подготовить сборник по анализу архитектур более ранних разработок суперЭВМ советского периода. В.С.Бурцев 4 В.С.Бурцев. Значение создания ENIAC в развитии информационно-вычислительных и управ-ляющих систем России 
Значение создания ENIAC в развитии информационно-вычислительных и управляющих систем России (Доклад на юбилейной сессии ЮНЕСКО по поводу пятидесятилетия создания первой ЭВМ ENIAC. Москва, 1996г.) В.С.Бурцев Аннотация Отмечается, что создание первой ЭВМ дало мощный импульс в развитии информационной техники и изменило методы разра-ботки сложных управляющих систем и объектов. Приводятся примеры из истории развития вычислительной техники в Рос-сии, большинство из которых публикуются впервые. Пятьдесят лет назад в университете Пенсильвании (США) был создан первый в мире электронный компьютер дискретного действия с автоматической обработкой информации в соответствии с заложенной в него программой. Значение этого события трудно переоценить, так как в результате был дан колоссальный импульс развитию такого свойства современного общества, как его глобальная информатизация. Это событие повлекло за собой коренной пересмотр методов научных исследований и разработок, в результате чего стало возможным создание новых сложных комплексов, определяющих научно-технический уровень развития общества. К числу достижений в этой области можно отнести: создание новых воздушных и морских лайнеров; бурное развитие атомной энергетики и освоение космоса; создание сложных радиолокационных и управляющих систем и многие другие направления прогресса. По ряду сложившихся обстоятельств этот импульс научно-технического развития особенно ощутим был в Советском Союзе - все основные передовые разработки и проекты уже с 1956 года базировались на использовании дискретной вычислительной техники, что не могло не стимулировать ее быстрое развитие. Процесс развития вычислительной техники лучше всего можно проследить по работам специалистов школы академика С.А.Лебедева, основоположника и 5
первопроходца вычислительной техники в Советском Союзе. Работы, проводимые школой С.А.Лебедева, не могли быть опубликованы до настоящего времени, так как основные и наиболее интересные из них выполнялись по заказам оборонных ведомств и были связаны с системами противоракетной и противосамолетной обороны, освоением космоса, созданием ядерных вооружений. После выхода целого ряда книг и статей по этим направлениям науки и техники [1,6,7,8] стало возможным проследить развитие вычислительной техники в нашей стране. Настоящее сообщение делает попытку в какой-то мере заполнить определенный пробел в истории развития отечественной вычислительной техники. Первая электронная вычислительная машина дискретного действия, получившая название Малая электронная счетная машина (МЭСМ), была создана под руководством С.А. Лебедева в 1950 году в Институте электротехники АН Украины. На этой машине С.А.Лебедев проверил многие принципы организации вычислительного процесса при работе в двоичной системе исчисления. Данная работа послужила хорошим экспериментом, позволившим ему уже через три года создать Быстродействующую электронную счетную машину (БЭСМ) для расчета многих задач экспериментальной физики и ряда других задач, которые ранее из-за большой трудоемкости счета решить было невозможно. Если МЭСМ имела производительность 50 оп/с, последовательное 17-разрядное арифметическое устройство (АУ) с фиксированной запятой, всего четыре арифметические операции и одну команду управления при емкости оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) в тридцать одно слово, то БЭСМ в 1953 году обладала производительностью в 12 тысяч оп/с, имела параллельное 39-разрядное АУ с плавающей запятой, емкость ОЗУ 1024 слова и выполняла 32 различные операции. БЭСМ имела достаточно развитую систему внешней памяти: барабан, ленту, устройства ввода с перфокарт и устройство вывода на печатающее устройство. В БЭСМ существовали специальные команды изменения центрального и местного управления командами ИЦУК и ИМУК, обеспечивающие переход к подпрограммам с возвратом в исходную точку программы. В то же время управление БЭСМ было построено по последовательной схеме организации работы всех основных устройств - АУ, УК (управление командами), ОЗУ, барабана, ленты, печати и перфокарт. Операция I Операция II Операция III
Рис.1. Временная работа БЭСМ. NK - время обращения за командой, А1, А2 - время приема двух операндов, АУ - время работы арифметического устройства, A3 - время записи результата, МБ - время обращения к магнитному барабану, А1, ... Ап - время обращения к памяти по записи или считыванию (пслов). Согласно жесткой последовательности работы устройств БЭСМ (Рис. 1), сначала из ОЗУ считывался код команды, которая организовывала необходимые обращения к ОЗУ за считыванием первого и второго числа, выдавала необходимую 6
временную диаграмму для выполнения операции на АУ, записывала результат и считывала следующую команду. При обращении к ленте, барабану или внешним устройствам, центральное управление обеспечивало все операции поиска информации, ее считывания или записи, для чего использовалось АУ. В 1953-1956 годах в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) АН СССР проводились работы по автоматическому съему данных и сопровождению целей с радиолокационной станции (РЛС), которые открыли путь к созданию радиолокационных и ракетных комплексов на новой информационно-вычислительной основе. В 1955 году на макете радиолокационной станции обзорного действия был проведен эксперимент одновременного сопровождения нескольких реальных целей (самолетов) при опережающем расчете их траектории. Выдача координат осуществлялась в дискретном цифровом виде. В 1956 году этот эксперимент был повторен на серийной станции П-30 с посылкой оцифрованного сигнала управления на самолет перехвата целей. Работы проводились с использованием специальных ЭВМ "Диана I" и "Диана II". Оцифровку и селекцию данных, построение траекторий целей для их сопровождения осуществляла "Диана I", а решение задачи перехвата и выдачу команд управления "Диана II". Эти работы позволили в 1960 году построить радиолокационный комплекс наведения противоракеты на баллистическую ракету противника с целью ее уничтожения осколочным зарядом с диапазоном отклонения от цели не более 25 метров. Для решения этой проблемы потребовалось создать высокопроизводительную вычислительную сеть. Производительность центральной ЭВМ этой сети достигала 40 тысяч оп/с при объеме ОЗУ в 4096 40-разрядных слов. Создание этой машины под названием М-40 было закончено в 1958 году. Для достижения столь высокой производительности были существенно пересмотрены принципы организации системы управления ЭВМ. Каждое устройство машины УК, АУ, ОЗУ, УВУ (управление внешними устройствами) получили автономное управление, что позволило реализовать их параллельную во времени работу. С этой целью был создан мультиплексный канал обращения к ОЗУ со стороны УК, АУ и УВУ.
/ - V - временные диаграммы выполнения арифметических операций, VI - временная диаграмма выполнения операций обращения к внешним устройствам, А1, А2 - времена обращений к ОЗУ за операндом, А3 - время записи результата, NK - время считывания команды, АУ - время работы АУ. 7
Эти устройства рассматривались как самостоятельно работающие процессоры, обращающиеся к общему ОЗУ, то есть как машина, фактически представлявшая собой многопроцессорный комплекс. Согласно временной диаграмме М-40 (Рис.2), обращение к памяти УК (А, А2, A3 и NK) и работы управления внешних устройств (УВУ), включая систему передачи данных, процессор ввода-вывода данных (ПВВ), происходят, как правило, на фоне работы АУ, УК, УВУ и ПВВ. В экспериментальном комплексе противоракетной обороны (ПРО) эта машина осуществляла обмен информацией по пяти дуплексным одновременно и асинхронно работающим радиорелейным каналам связи с объектами, находящимися от нее на расстоянии от 100 до 200 километров; общий темп поступления информации через радиорелейные линии превышал 1 МГц (Рис.3). 
Рис.3. Вычислительная сеть экспериментальной системы ПРО. РТН - радиолокаторы точного наведения, СМ - специальные вычислительные машины, СД - станция дальнего обнаружения, М-4 - электронная вычислительная машина М-4, РПР - радиолокатор противоракеты (передача сигналов управления на противоракету), СТ - стартовая установка противоракет, ППД - процессор приема и передачи данных, М-40 и М-50 - универсальные электронные вычислительные машины М-40 и М-50, Б - запоминающее устройство на магнитном барабане, УУБ - устройство управления барабаном, КРА - контрольно-регистрирующая аппаратура, РЛ - радиорелейные линии. Проблема обмена информацией с асинхронно работающими объектами была решена с помощью процессора ввода-вывода (ПВВ), работа которого основывалась 8
на принципе мощного мультиплексного канала, имеющего свою память, доступную для всех каналов.
Рис.4. Временная диаграмма работы М-20. /, //, IV - временные диаграммы выполнения арифметических операций, III - временная диаграмма выполнения операции обращения к магнитной, ленте (МЛ), A1, A2 - времена обращений к ОЗУ за операндом, A3 - время записи результата, NK - время работы АУ. ЭВМ М-20 хорошо зарекомендовала себя в эксплуатации и более десяти лет была основной ЭВМ общего назначения в СССР. М-20 была модернизирована (выполнена на полупроводниковой элементной базе), после чего она серийно выпускалась под названием БЭСМ-4. Опыт эксплуатации экспериментального комплекса ПРО показал, что его вычислительные средства можно рассматривать как мозг всей системы; малейшие отклонения от нормы их функционирования приводят к нарушению работы всего комплекса, что может вызывать опасные ситуации. Поэтому при создании вычислительных средств на полупроводниковых элементах для боевого комплекса особое внимание было уделено устойчивости их работы при сбоях и отказах. 9
Рис.5. Вычислительная сеть ПРО. ММК - многомашинный комплекс. Вычислительная сеть системы ПРО (Рис.5) имела протяженность несколько сот километров. Она состояла из вычислительных комплексов, каждый из которых был построен из идентичных боевых ЭВМ, обладающих полным пооперационным аппаратным контролем. Резервирование в комплексе обеспечивалось на уровне машин. На Рис.6 показана структурная схема центрального 12 машинного комплекса системы ПРО со скользящим резервированием. На десять функционально работающих машин (Ml - М10) предусматривалось две машины (М11- М12) для горячего резервирования, которые работали в режиме "подслушивания" и были готовы в течение нескольких десятков миллисекунд заменить любую из вышедших из строя ЭВМ. Сигнал неисправности ЭВМ вырабатывался аппаратно системой пооперационного контроля каждой ЭВМ и посылался в систему прерывания всех машин. По межмашинному обмену наряду с данными боевого цикла передавалась необходимая экспресс-информация для ЭВМ, находящейся в резерве. В этом комплексе шесть ЭВМ (M1 - М6) решали задачу обнаружения целей по данным радиолокатора дальнего действия и построения их траекторий. Четыре ЭВМ (М7 - М10) решали задачи управления системой, включая распределение целей по стрельбовым комплексам. 10
Главный вычисли- Система дальнего Скользящий резерв тельный центр обнаружения (СДО) (Режим подслушивания) системы (ГВЦ)
Рис.6. Система сквозного резервирования на уровне машин. M1 - М12 - универсальные ЭВМ 5Э926, АК - система аппаратного контроля. Эти ЭВМ, под названием 5Э526, имели производительность 0,5 млн. оп/с над числами с фиксированной запятой и ОЗУ объемом 32 тысячи 48 разрядных слов. Все основные устройства ЭВМ имели автономное управление, а управление внешними устройствами осуществлялось процессором передачи данных, имеющим довольно развитую специализированную систему команд. Серийный выпуск этих машин для управления различными стационарными средствами вооружения был начат с 1966 года. Машина была модернизирована в части введения арифметики с плавающей запятой и мультипрограммного режима. Модернизированная ЭВМ имела название 5Э51 и серийно выпускалась с 1967 года для построения мощных вычислительно-информационных центров повышенной надежности. Благодаря автономной работе ее основных устройств и, в первую очередь, процессора ввода-вывода, на базе общего ОЗУ эти машины успешно использовались при создании многомашинных комплексов с единой внешней памятью, состоящей из большого количества барабанов, дисков и лент. Структурная схема одного из таких комплексов, Центра контроля космического пространства (ЦККП), показана на Рис.7. Центр контроля космического пространства (ЦККП)
Рис.7. Многомашинная работа на единую внешнюю память. M1 - М4 - ЭВМ 5Э51, УВУ - устройства управления внешней памятью и устройствами ввода-вывода, ВУ - внешние устройства (внешняя память, управление каналами обмена и устройствами ввода-вывода). 11
В.С.Бурцев. Значение создания ENIAC в развитии информационно-вычислительных и управ-ляющих систем России 
В это же время, в институте на аналогичной полупроводниковой элементной базе создается универсальная ЭВМ БЭСМ-6 (Рис.8), которая в течение двадцати лет широко использовалась как основная быстродействующая ЭВМ в различных вычислительных комплексах Советского Союза. 
Рис.8. Блок-схема центральной части машины БЭСМ-6. А - адрес оператора, A3 - буфер адресов записи, АК - буфер адреса команд, AM - адрес модификатора, АУВУ - адрес устройства управления внешними устройствами, БАК - базовый адрес команды, БРК - буферные регистры команд, БРЗ - буфер регистров записи результата, БРЧ - буферные регистры чисел, М - регистры модификаторов, МОЗУ - магнитное запоминающее устройство, М-0 - М-7 - модули оперативной памяти, РК - регистр команды, СМА - сумматор адреса, СчАК - счетчик адреса команд. За счет оригинальной схемотехники и конструкции БЭСМ-6 имела производительность 1млн. оп/с, объем ОЗУ 32 тысячи 50-разрядных слов, АУ параллельного типа с плавающей запятой. Существенного увеличения производительности БЭСМ-6 удалось достичь за счет использования конвейерного принципа организации вычислительного процесса и введения интерливинга в модульную память (интерливинг на 8 модулей). Для записи чисел были использованы регистры с ассоциативной выборкой (типа кэш). Эффективная работа с математической памятью обеспечивалась при аппаратной поддержке защиты в многопрограммном режиме работ. С этой же целью был введен специальный привилегированный режим работы для отдельных блоков операционной системы. В БЭСМ-6 сохранился централизованный принцип управления основными устройствами, что существенно сдерживало организацию параллельной работы внешних устройств и затрудняло создание комплексов с общей внешней памятью и работу с каналами связи. Чтобы обеспечить комплексирование БЭСМ-6, на той же элементно-конструктивной основе был разработан комплекс 12
АС-6, позволявший объединять ОЗУ нескольких машин в общую память высокопроизводительными каналами с пропускной способностью в 1,3 млн. слов в секунду каждый. В комплексе предусматривался второй уровень коммутации внешних устройств и каналов связи, для чего использовались автономные системы управления каналами связи и внешними устройствами; эти системы сопрягались со стандартным каналом связи внешних устройств производительностью 1,5 Мб/с. Управление комплексом осуществлялось новым процессором АС-6 с отличной от БЭСМ-6 системой команд. Система АС-6 была реализована в трех взаимно дублирующих вычислительных центрах обработки космической информации. Таким образом, С.А.Лебедев как главный конструктор всех разработок умело использовал финансовые и приоритетные возможности военных заказов, разрабатывая параллельно более дешевые высокопроизводительные ЭВМ гражданского применения. Так, в связи с необходимостью дальнейшего развития высокопроизводительных ЭВМ, уже в 1967 году встал вопрос о переходе на новую конструктивно-технологическую базу с использованием интегральных схем (ИС) и печатных плат. Это требовало переоснащения Института и работающих с ним заводов, освоения новых методов автоматизированного проектирования для размещения ИС, трассировки многослойных печатных схем и межблочного монтажа, создания тестово-диагностических программ. Такое переоснащение можно было осуществить, только взяв заказ на разработку серийной возимой вычислительной системы для противосамолетного комплекса С-300. По этой разработке ИТМ и ВТ впервые был заказчиком серии интегральных схем (ТТЛ) для цифровой техники в Министерстве электронной промышленности и получил достаточно средств на переоснащение заводов и Института. Так как комплекс требовал повышенной устойчивости при работе в сложных климатических и вибрационных условиях, он был реализован по крупномодульному принципу с полным автономным аппаратным контролем каждого модуля. Резервирование комплекса осуществлялось не на машинном уровне, а на уровне модулей основных устройств ЭВМ, что значительно эффективнее. ЭВМ 5Э26 (Рис.9) имела суммарную производительность трех процессоров 1 млн. оп/с, арифметико-логическое устройство (АЛУ) с фиксированной запятой с шириной слова в 35 разрядов, ОЗУ емкостью 32 Кбит. В дополнение к ОЗУ имелась память команд (ПК) объемом 64 Кбит. ПК была реализована на бибсах (ферритовых сердечниках с двумя взаимно перпендикулярными отверстиями), работала без разрушения считываемой команды и обеспечивала хранение информации без расхода энергии. Общий объем ЭВМ составлял менее 2,5 м3 , а потребляемая мощность имела значение порядка 5 кВт. Реализация вычислительного комплекса с такими параметрами стала возможной только при использовании ИС и конструкции на многослойных печатных платах. Комплекс 5Э26, несмотря на достаточно низкую надежность ИС на первом этапе их производства (λ > 10-6), обеспечивал функциональную надежность не ниже 0,99 в самых тяжелых условиях большого перепада температур, повышенной влажности и тряски при резервировании АУ и УК два из трех и стопроцентном резервировании ПК, ОЗУ и УВУ. 13
Рис.9. Система резервирования на уровне модулей устройств возимой ЭВМ 5Э26 АУ - арифметическое устройство, УУ - устройство управления, АК - пооперационный аппаратный контроль, КМ - разнесенный (по модулям) центральный коммутатор, ПК - неразрушаемая память команд, УВУ - устройство управления внешними устройствами, ОЗУ - оперативное запоминающее устройство. При этом удалось реализовать такую скорость замены дефектных устройств, что практически на всей временной диаграмме функционирования комплекса сбои и отказы устройств не влияли на нормальное продолжение его боевой работы. Естественным продолжением работ по многопроцессорной архитектуре ЭВМ было создание на этом принципе комплекса вычислительных средств, обладавшего предельной производительностью при частотных характеристиках элементов, которые обеспечивала технология того времени. В отличие от машины 5Э26, где многопроцессорный модульный принцип был использован, в основном, для обеспечения высоких надежностных характеристик, он, наряду с высокими показателями надежности в многопроцессорном вычислительном комплексе МВК "Эльбрус-2", обеспечил предельную производительность. Производительность многопроцессорной системы, в основном, ограничивается двумя факторами: пропускной способностью коммутатора между процессорами и ОЗУ и сложностью организации корректной работы сверхоперативной кэш памяти. Трудности, возникающие при решении этих двух проблем, существенно увеличиваются с ростом количества процессоров. Пропускная способность коммутатора "Эльбрус-2" достигала 2Гбайт/с. Корректность работы сверхоперативной памяти была обеспечена путем ее разбиения на несколько частей, каждая из которых имела свой алгоритм работы в соответствии с выполняемой функцией. Так, в МВК "Эльбрус-2" имеется: сверхоперативная память команд, массивов, локальных данных, безадресный буфер быстрых регистров, построенный по принципу потока данных и буфер глобальных данных. Корректность работы буфера глобальных данных с ОЗУ вызывает те же проблемы в многопроцессорном комплексе, которые возникают в сверхоперативной КЭШ. В МВК "Эльбрус-2" реализована схема корректности работы этого буфера, которая обеспечивает корректную работу комплекса, практически не замедляя ее вне зависимости от числа процессоров [4]. Аналогичные схемы, используемые в современных комплексах фирмы Hewlett Packard (SPP-2000) и Silicon Graphics, существенно уступают по эффективности схеме МВК "Эльбрус-2". МВК "Эльбрус-2" создавался в два этапа: - на первом этапе отрабатывались новые архитектурные принципы, включая программное обеспечение;
жүктеу/скачать 2.36 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|
