Рязанский Государственный Университет им.С.Есенина

 

 

Оглавление:

 

Оглавление:

Оглавление: 2

Введение 2

Линейка процессоров супер-ЭВМ. 4

Супер ЭВМ 5

Что же вообще такое –  суперкомпьютеры? 5

Для чего же необходимы суперкомпьютеры? 7

Принципы  обработки данных 9

Параллельная  обработка 10

Конвейерная обработка 11

Современные суперкомпьютеры. 12

Четыре  направления идёт развитие высокопроизводительной вычислительной техники: 12

Суперкомпьютеры в России. 15

Зарубежные  суперкомпьютеры 17

Заключение 19

 

Введение

     На  сегодняшний день информационные технологии и электронно-вычислительная техника  играют очень большую роль в нашей  жизни. Но потребности общества растут практически с каждым днем, и, соответственно, уровень производительности компьютеров  возрастает также быстро. За 50 лет  производительность компьютеров возросла в несколько раз, да и это  еще  мягко сказано.

     Какие-то 35 лет назад пределом технического совершенства был простейший калькулятор, и переход компании с арифмометра  на «электронно-вычислительную технику» очень поднимал престиж организации. И никому и в голову не могло  придти, что произойдет через пару десятилетий. Что через пару десятков лет компьютер, хотя и очень простой, будет стоять не только в каждой уважающей себя фирме, компании, офисе, предприятии, но и во многих квартирах. Что его можно будет использовать не только для решения сложнейших задач, но и для обучения, общения  и развлечений. И тем более  никто и не мог подумать о развитии электронно-вычислительной техники  до того уровня, на котором она находится  сегодня.

     Хотя, в принципе, такая ситуация существует и сейчас. Сегодня программами, составляющими  расписание, торгуют многие компании по созданию программного обеспечения, причем за сравнительно низкую плату, и это уже никого не удивляет. Излишне говорить, что сегодняшние  персональные компьютеры отлично справляются  с задачей, поставленной программистами.

     Если  рассматривать более глобальные проблемы, можно вспомнить о, например, прогнозировании погоды. Лет 25-30 назад, все данные рассчитывались метеорологами  вручную, соответственно, и погрешность  в измерениях была столь высокой, что «прогнозы погоды» на деле оказывались лишь предсказаниями. Сегодня  же ученые в состоянии не только точно прогнозировать климат в отдельном  регионе, но и составлять общемировую  сводку погоды, как- то делается, например, при расчете траектории движения торнадо в США.

     В 1969 году в корпорацию Intel поступил заказ на специализированные микросхемы для бухгалтерских калькуляторов, появившихся после «технической революции» - создания микропроцессора, над которым трудились все инженеры этой, только что созданной, компании. Тогда, в рамках данного заказа Гордоном Муром и Робертом Нойсом был создан однокристальный микропроцессор, предназначенный для применения в калькуляторах, получивший название 4004 (4-разрядная шина данных и 16-контактный корпус). Для того времени это было величайшим изобретением компьютерщиков. Краткие технические описания различных процессоров

     Процессор 8088, родоначальник большинства процессоров для персональных компьютеров, состоял из 29 тысяч транзисторов, производился по 3-микронной технологии и имел общую площадь подложки 33 кв.мм. Для сравнения, современный процессор Pentium 4 состоит из 42 млн. транзисторов, производится по 0,18-микронному техпроцессу и имеет площадь, равную 217 кв.мм.

     После этого началось, можно сказать,  стремительное развитие ЭВМ. Теперь они, вместо здания, подвала или комнаты, занимали лишь часть помещения, а  то и умещались на столе (начиная  с компьютеров на базе процессора 80286). Единственным недостатком было отсутствие возможности постоянного  хранения информации, но и эта проблема была решена американскими учеными, в   году разработавшими проект под  кодовым названием «винчестер».

     Начиная с процессора 80286, в Intel Architecture появляется защищенный режим.  В нем содержимое сегментных регистров используется в качестве указателей на таблицы дескрипторов, которые давали возможность 24-разрядной адресации, что составляло 16 мегабайт адресного пространства. К тому же, появилась возможность проверки границ сегментов, опций read и execute-only для сегментов и 4 уровня защиты кода операционной системы от приложений и защита приложений друг от друга.

     А Intel 80386 стал первым 32-разрядным процессором. В архитектуру введены 32-разрядные регистры общего назначения, подходящие как для хранения адресов, так и для операндов. Нижняя и верхняя половина сохранили возможность работы в качестве самостоятельных регистров для обеспечения совместимости с предыдущими процессорами. Для обеспечения эффективного выполнения кода, созданного под ранние процессоры, на 32-разрядных процессорах, был введен виртуальный х86 режим. Имея 32-разрядную шину адреса, 80386 процессор поддерживал адресацию до 4 гигабайт памяти. При этом была возможность использования как сегментированной памяти, так и «плоской», при которой все сегментные регистры содержали указатель на один и тот же адрес, и в каждом сегменте доступно все 4-х гигабайтное адресное пространство.

     Для виртуального управления памятью вводится страничный метод, при котором адресное пространство делится на фиксированные  страницы размером по 4 килобайта, эффективность  которого значительно превышала  использование сегментов. 16-разрядные  инструкции, доставшиеся в наследство от предыдущих процессоров, получили возможность  работы с 32-разрядными операндами и  адресами, а также был добавлен ряд новых 32-разрядных инструкций.   В поисках новых технологий для  увеличения быстродействия, в 80386 впервые  реализована возможность параллельной работы нескольких блоков процессора.

     Процессор же 80486, на мой взгляд, стал родоначальником современных суперкомпьютеров, так как в нем использовался принцип конвейерной обработки информации, блестяще реализованный в современных, наиболее мощных ЭВМ. В данной модели это был пяти-стадийный конвейер, в котором каждая стадия, по мере надобности, выполнятся параллельно с другими, исполняя до пяти команд на разных стадиях работы. Конвейерные микропроцессоры выполняют команды подобно сборочной линии: полная обработка каждой инструкции занимает несколько тактов, но, разбивая процесс на несколько этапов, и начиная выполнение следующей команды сразу вслед за тем, как предыдущая команда пройдет первый этап, можно быстро выдать несколько завершенных команд. При этом нельзя не отметить и такие технологические инновации, как 8-килобайтный кэш первого уровня в чипе для обеспечения полноценной загрузки конвейера, интегрированный х87 сопроцессор, а также расширения для поддержки внешнего КЭШа 2-го уровня и многопроцессорных систем.   486-й микропроцессор обладал достаточным для того времени быстродействием.

     Чуть  выше я несколько раз употребил  термин «кэш», и мне хотелось бы расшифровать этот термин для тех, кто никогда  не сталкивался в данном понятием. Кэш (от англ. cashe – сверхоперативная память) – очень быстрая и очень дорогая память, служащая буфером между процессором и оперативной памятью и используемая для хранения излишка информации.

Линейка процессоров супер-ЭВМ.

   Немного позже началось самое активное развитие персональных ЭВМ. Появились процессоры Pentium, Pentium Pro, Pentium II, Pentium III и, наконец, Pentium IV. Кроме тактовой частоты и количества кэш-памяти они не имели серьёзных различий, поэтому я не буду подробно останавливаться на каждом из них. Достаточно лишь сказать, что частота работы процессора изменилась с 75 MHz до современных значений – более 2 GHz, то есть, более чем в двадцать пять раз. Частота шины изменилась с 33 MHZ до 800 MHz, а вот количество кэш-памяти по большей части не изменилось – 512 Kb, хотя также выпускаются процессоры со 128 Kb кэша, стоящие в два раза дешевле; кроме того, на сегодняшний день, существует конкурирующая с Intel’ом и выпускающая два типа процесcоров – Athlon и Duron, но с ними наблюдается та же ситуация, что и с Intel’ом – процессорами Pentium и Celeron. Но одновременно с этим началось активное развитие и тех устройств, о которых я и хочу рассказать – суперкомпьютеров, или суперЭВМ.

 

Супер ЭВМ

Что же вообще такое –  суперкомпьютеры?

     Считается, что супер-ЭВМ - это компьютеры с  максимальной производительностью. Однако быстрое развитие компьютерной индустрии  делает это понятие весьма и относительным: то, что десять лет назад можно  было назвать суперкомпьютером, сегодня  под это определение уже не подпадает. Производительность первых супер-ЭВМ начала 70-х годов была сравнима с производительностью  современных ПК на базе традиционных процессоров Pentium. По сегодняшним меркам ни те, ни другие к суперкомпьютерам, конечно же, не относятся.

     В любом компьютере все основные параметры  взаимосвязаны. Трудно себе представить  универсальный компьютер, имеющий  высокое быстродействие и мизерную оперативную память либо огромную оперативную  память и небольшой объем дисков. Отсюда простой вывод: супер-ЭВМ  — но компьютер, имеющий не только максимальную производительность, но и максимальный ли объем оперативной  и дисковой памяти и совокупности со специализированным программным  обеспечением, с помощью которого этим монстром можно эффективно пользоваться.

     Суперкомпьютерам  не раз пытались давать универсальные  определения — иногда они получались серьезными, иногда ироничными. Например, как-то предлагалось считать суперкомпьютером машину, вес которой превышает  одну тонну. Несколько лет назад  был предложен и такой вариант: суперкомпьютер — это устройство, сводящее проблему вычислений к проблеме ввода/вывода. В самом деле, задачи, которые раньше вычислялись очень  долго, на супер-ЭВМ выполняются  мгновенно, и почти все время  теперь уходит на более медленные  процедуры ввода и вывода данных, производящиеся, как правило, с прежней  скоростью.

     Так что же такое современный суперкомпьютер? Самая мощная ЭВМ на сегодняшний  день — это система Intel ASCI RED, построенная по заказу Министерства энергетики США. Чтобы представить себе возможности этого суперкомпьютера, достаточно сказать, что он объединяет в себе 9632 (!) процессора Pentium Pro, имеет более 600 Гбайт оперативной памяти и общую производительность в 3200 миллиардов операций в секунду. Человеку потребовалось бы 100000 лет, чтобы даже с калькулятором выполнить все те операции, которые этот компьютер делает всего за 1 секунду!

     Создать подобную вычислительную систему —  всё равно, что построить целый  завод со своими системами охлаждения, бесперебойного питания и т.д. Понятно, что любой суперкомпьютер, даже в  более умеренной конфигурации, должен стоить не один миллион долларов США: ради интереса прикиньте, сколько стоят, скажем, лишь 600 Гбайт оперативной  памяти? Возникает естественный вопрос: какие задачи настолько важны, что  требуются компьютеры стоимостью в  несколько миллионов долларов? Или  еще один.

 

Для чего же необходимы суперкомпьютеры?

   Оказывается, существует целый ряд жизненно важных проблем, которые просто невозможно решать без использования суперкомпьютерных  технологий. Возьмем, к примеру, США, по территории которой два раза в  год проходят разрушительные торнадо. Они сметают на. своем пути города, поднимают в воздух автомобили и  автобусы, выводят реки из берегов, заливая тем самым гигантские территории. Борьба с торнадо —  существенная часть американского  бюджета. Только штат Флорида, который  находится недалеко от тех мест, где эти смерчи рождаются, за последние  годы потратил более 50 миллиардов долларов на экстренные меры по спасению людей. Правительство не жалеет денег на внедрение технологий, которые позволили  бы предсказывать появление торнадо  и определять, куда он направится. Как  рассчитать торнадо? Очевидно, что для  этого надо решить задачу о локальном  изменении погоды, то есть задачу о  движении масс воздуха и распределении  тепла в неком регионе. Принципиально  это несложно, однако на практике возникают  две проблемы. Проблема первая: чтобы  заметить появление смерча, надо проводить  расчет на характерных для его  образования размерах, то есть на расстояниях  порядка двух километров. Вторая трудность  связана с правильным заданием начальных  и граничных условий. Дело в том, что температура на границах интересующего  вас региона зависит от того, что  делается в соседних регионах. Рассуждая  дальше, легко убедиться, что мы не можем решить задачу о смерче, не имея данных о климате на всей Земле. Климат на планете рассчитать можно, что и делается каждый день во всех странах для составления среднесрочных  прогнозов погоды. Однако имеющиеся  ресурсы позволяют вести расчеты  лишь с очень большим шагом  — десятки и сотни километров. Ясно, что к предсказанию смерчей  такой прогноз не имеет никакого отношения. Необходимо совместить две, казалось бы, плохо совместить е  задачи: глобальный расчет, где шаг  очень большой, и локальный, где  шаг очень маленький. Сделать  это можно, но лишь собрав в кулаке действительно фантастические вычислительные ресурсы. Дополнительная трудность  состоит еще и в том, что  вычисления не должны продолжаться более 4 часов, так как за 5 часов картина  погоды смазывается совершенно, и  все, что вы считаете, уже не имеет  никакого отношения к реальности. Нужно не только обработать гигантский объем данных, но и сделать это  достаточно быстро. Такое под силу лишь суперкомпьютерам. Предсказание погоды — далеко не единственный пример использования суперкомпьютеров. Сегодня  без них не обойтись в сейсморазведке, нефти - и газодобывающей промышленности, автомобилестроении, проектировании электронных  устройств, фармакологии, синтезе новых  материалов и многих других отраслях. Так, по данным компании Ford, для выполнения crash-тестов, при которых реальные автомобили разбиваются о бетонную стену с одновременным замером необходимых параметров, со съемкой и последующей обработкой результатов, ей понадобилось бы от 10 до 150 прототипов для каждой новой модели. При этом общие затраты составили бы от 4 до 60 миллионов долларов. Использование суперкомпьютеров позволило сократить число прототипов на одну треть. Известной фирме DuPont суперкомпьютеры помогли синтезировать материал, заменяющий хлорофлюрокарбон. Нужно было найти материал, имеющий те же положительные качества: невоспламеняемость, стойкость к коррозии и низкую токсичность, но без вредного воздействия на озоновый слой Земли. За одну неделю были проведены необходимые расчеты на суперкомпьютере с общими затратами около 5 тысяч долларов. По оценкам специалистов DuPont, использование традиционных экспериментальных методов исследований потребовало бы 50 тысяч долларов и около трех месяцев работы — и это без учета времени, необходимого на синтез и очистку требуемого количества вещества.