CC BY
4Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 49
www.mai.ru/science/trudy/
УДК 004.27
Генезис и альтернативы развития высокопроизводительной вычислительной техники
В.К.Левин
В работе охарактеризованы концепции построения и факторы развития высокопроизводительных вычислительных систем, приведены прогнозные данные.
производительность; суперкомпьютер; массово-параллельные кластеры; гибридные вычислительные модули; многопотоковая обработка данных.
Представление, передача и хранение информации дискретными электрическими сигналами, электронная схемотехника, реализующая логические операции «И», «ИЛИ», «НЕ», а также триггерные счетчики импульсов - все это было известно до 1940 г. В конце 1945 г. в США была введена в действие первая электронно-ламповая цифровая вычислительная машина с программным управлением - ЕМАС в составе 18 тыс, электронных ламп. Эта машина имела производительность (или, как тогда говорилось, быстродействие) порядка 100 арифметических операций в секунду. При создании последующих машин к 1950 г. концепция программного управления - так называемая «фон-неймановская» - сформировалась в довольно целостном виде. Эта концепция получила дальнейшее развитие и в настоящее время сохраняет свое значение как фундаментальная.
В развитии электронной вычислительной техники могут быть названы «поколения», «узловые» (или «переломные») моменты и драматические события. Однако, в целом, прошедший 65-летний период создания и применения этой техники выглядит как бурно протекающая эволюция, определяемая высоким темпом роста производительности и расширением применений компьютеров. Производительность этой техники растет за счет повышения физического быстродействия и количества компонентов, что связано с удешевлением, миниатюризацией, сокращением энергопотребления компонентов и параллелизмом их работы в структуре компьютера.
Как и во многих других областях, развитие в сфере вычислительной техники и ее применений можно представлять в виде восходящей спирали, поскольку на каждом новом этапе, наряду с ростом количественных показателей, происходит качественное обновление, в котором можно усматривать аналогии с тем, что было на предыдущих этапах.
В качестве компьютерной базы электронные лампы на рубеже 1960 г. сменились на транзисторную схемотехнику (компьютеры 2-го поколения), а на сегодня - прежде всего, многоядерные микропроцессоры и СБИС памяти. В последнее 10-летие в построении наиболее мощных вычислительных средств - суперкомпьютеров доминируют массово-параллельные кластеры (MPP-структуры), строящиеся как объединение серийных вычислительных модулей и сетевых средств. Этому предшествовали системные структуры SIMD и SMP, которые сейчас, по существу, вошли в структуру многоядерных микропроцессоров.
Производительность наиболее мощной вычислительной установки возрастала, в среднем, 10-кратно за пятилетие, а в течение последних 25 лет - более чем 20-кратно, т.е. 1000-кратно за 11 лет (рис. 1) [1]. Появившаяся в 2008 г. вычислительная система-кластер Roadrunner (ф. IBM, США) имеет производительность 1 Petaflops (1015 - квадриллион оп./с) по тесту Linpack. В 2010 г. зарегистрировано 7, а в 2011 г. - 10 суперкомпьютеров, имеющих производительность более 1 Pflops. В России также активизируются работы этого
направления [2, 5-8]. В прогнозных оценках предсказывается выход на уровень
18
производительности 100 Pflops в 2015-16 гг. и 1 Exaflops (10 оп./с) - в 2018-20 гг. (подразумевая оценки производительности сопоставимыми способами, поскольку тест Linpack может быть чем-то заменен).
Развитие суперкомпьютеров
www.top500.org п
ПРОГНОЗ
I I 1/Ь I
100 С - Пф*
1 СИв-,-»^--
•• 0,4 Ий
1995.06 2000.06 2005.06 2010.06 2015.06 Г. м.
Рис. 1. Развитие суперкомпьютеров
В «стержневом русле» развития вычислительной техники, имеются многочисленные ответвления, некоторые из них выделились как самостоятельные направления. Естественно, это развитие сопровождалось рассмотрением разного рода альтернативных подходов и решений [3-8].
Требования повышения производительности и доступности суперкомпьютеров определяются возрастанием объемов вычислений и усложнением методов применений по мере развития компьютерного моделирования сложных процессов и объектов. Происходит «интеллектуализация» машинной обработки данных, сопоставление функций автоматов и биологических организмов.
В качестве основополагающих альтернатив можно назвать:
- сопоставление (или сочетание) универсальности и специализации систем - мягкая и жесткая (узкая) специализация, «нетрадиционные» структуры и устройства;
- усложнения структур - крупноблочные либо «мелкозернистые» структуры; однородные и гетерогенные; конвейерные и непосредственно-параллельные.
Функционально-специализированные структуры могут применяться для непосредственного моделирования процессов в виде заказной или перенастраиваемой (реконфигурируемой, структурно-программируемой) аппаратуры под конкретные задачи или классы задач.
В настоящее время все более широко используются гибридные вычислительные модули (процессор + сопроцессор) в рамках МРР-системы. Совершенствуются скалярная,
векторная, многопотоковая (multithreading) обработки, графические сопроцессоры (ГП) реконфигурируемые структуры (на базе ПЛИС - FPGA) и др. Можно вспомнить, что специализированные сопроцессоры, а на их основе гетерогенные и специализированные системы были в вычислительной технике 2-го поколения; позже появились array-processors.
В качестве сопутствующих и, отчасти (или на первых порах), специализированных направлений в вычислительной технике (информатике) можно назвать:
- аналоговые и аналого-цифровые системы;
- систолические, потоковые, ассоциативные структуры;
- средства машинного «интеллекта»;
- нейрокомпьютеры;
- устройства нечеткой логики; вероятностные автоматы;
- работоспособные построения при «ненадежных» базовых элементах;
- использование «нетрадиционной» физико-технологической базы - оптические,
магнитные, одноэлектронные, квантовые, химические, биологические элементы, среды и процессы;
- развивающиеся нанотехнологии.
В современных суперкомпьютерах продолжает развиваться многоуровневый □ параллелизм в иерархических (вертикальных) структурах с горизонтальными связями. При этом форсируются межпроцессорные обмены за счет повышения скорости (в потоке данных) и снижения латентности (задержки при доступе к данным). Используются сочетания структур коммутаций типа дерево, кольца, гиперкуб и др. Организуется виртуальная общая оперативная память (общая внешняя память возникла в мощных машинах 2-го поколения). Имеет место разнообразие подходов в использовании ГП и ПЛИС в сочетании с микропроцессорами общего применения.
Библиотеки и пакеты программ стали преемственным товарным продуктом. В целом, программирование усложняется (многие «старые» вопросы программирования обостряются в новое время). Программное обеспечение в условиях распараллеливания вычислений эволюционирует от описания процессов параллельной обработки к попыткам автоматизации распараллеливания программ.
После появления термина «суперкомпьютер»*-* и осознания трудностей применения таких систем появились «мини-суперкомпьютеры» - в том числе, для начального освоения параллельной обработки. Сейчас в этой роли выступают серверы серийного производства с относительно небольшим числом процессоров.
При создании вычислительной техники, можно сказать, изначально применялась автоматизация проектирования. Сейчас - это развивающиеся системы (САПР). Они используются также для настройки ПЛИС - это синтез: схемотехника + САПР + программирование.
Вся история вычислительной техники связана с обеспечением надежности в условиях отказов при наращивании объема аппаратуры.
На всех этапах обновляются подходы к размещению и конструктивному оформлению аппаратуры, энергообеспечению и теплоотводу (новое сопоставимо с решениями многолетней давности).
По мере развития вычислительной техники возникали новые возможности для построения встраиваемых систем и систем реального времени.
Видоизменяется и совершенствуется организация процессов обработки: концепция «клиент-сервер», роль main frame, удаленный доступ к вычислительным ресурсам и др. В 1959 г. А.И.Китов (1920-2005), обращаясь в правительственные инстанции, выдвинул предложения о построении сети вычислительных центров (ВЦ) - объединении ресурсов для решения больших задач, «не помещающихся» в одной вычислительной машине (вплоть до создания единой государственной сети - последующие проекты ОГАС, ЕГСВЦ). В том же направлении работал в Сибирском отделении РАН А.П.Ершов (1931-1988); ссылаясь на работы, проводившиеся в США, он пропагандировал концепцию удаленного доступа абонентов к сети ВЦ и с 1966 г. развернул работы по абонентским терминалам и операционным системам для режима разделения времени в ВЦ коллективного пользования (использовалось название АИСТ -автоматизированные информационные станции). Работы этого направления велись также под руководством В.М.Глушкова Специализированные вычислительные комплексы, обрабатывающие данные от удаленных источников и передающие результаты потребителям (объектам управления) строились еще на базе ламповой техники.
нЛ
- В 1929 г. в газете New York World термин Super Computing применен в связи с мощным электромеханическим табулятором ф. IBM (http://ru.wikipedia.org). В публикациях по
На сегодня для крупных ВЦ режим обслуживания удаленных пользователей стал повсеместным. Сети компьютеров, которые замышлялись на базе вычислительной техники 1-2 поколений, представлены Опё-технологиями и, так называемыми, облачными вычислениями с использованием мощных центров обработки и хранения данных (ЦОД). Вместе с тем, для многих применений вычислительная техника может оказаться относительно недорогой (по сравнению с объектами которые с ее помощью обслуживаются). Поэтому зачастую целесообразно использовать сосредоточенные вычислительные установки требуемой производительности непосредственно там, где надо, минимизируя затраты и организационные трудности применения средств высокоскоростной связи и защиты передаваемой информации. В общем, в современных системах имеет место сочетание сетевых концепций с централизацией обработки и хранения данных.
Необходимо сознавать и оценивать ограничивающие факторы в построении суперкомпьютеров, формировать технико-экономические показатели и критерии оценок системных построений. В той или иной форме соблюдается сбалансированность разного рода затрат в сферах собственно вычислительной техники, в её применениях и в физико-технологической и производственной базе, - эти затраты подразделяются на этапы разработки (НИР, ОКР), изготовления и эксплуатации систем. В пределах собственно системы должно быть обосновано соотношение различных аппаратных и программных средств (обработка, хранение и передача данных, управление, программное обеспечение системного и прикладного уровней); это относится также к системно-сетевому уровню (централизация, либо распределённость ресурсов). Проявляются факторы развития и консерватизма в таких вопросах как масштабирование (расширяемость) систем, стандарты, преемственность задела. Приходится также учитывать относительно быстрое моральное старение техники (создание большого суперкомпьютера может занимать немалое время, и для решения вновь возникающих задач он может оказаться устаревшим вскоре после его создания, т.к. обновляются поколения микроэлектроники и системно-структурные концепции).Современные мощные вычислительные системы строятся на передовой компонентной базе массового выпуска (используются те же микропроцессоры, что и в массовых компьютерах; создание каких-то уникальных и малотиражных компонентов (на сегодня - микроэлектронных) признается неоправданным. Однако в будущем могут проявляться и другие подходы (использоваться некоторые уникальные компоненты и проч.).
электронной вычислительной технике термин суперкомпьютер стал широко использоваться после 1965 г.
На сегодня упомянутая выше альтернатива - крупноблочные либо «мелкозернистые» структуры - применительно к микропроцессорам проявляется в том, что в списке Top 500 сосуществуют системы на базе микропроцессоров с тактовой частотой более 3 ГГц и с тактовой частотой менее 2 ГГц. Последние позволяют строить системы с меньшим энергопотреблением, но с увеличенным количеством ядер, а это усложняет программирование. В еще большей мере усложняется программирование для гибридных систем с ГП и процессорами типа Cell (в списке Top 500 от ноября 2011 г. они занимают 39 мест). Все это свидетельствует об острой конкуренции в области вычислительной техники и микроэлектроники.
Развертывание систем (наращивание мощности и освоение) осуществляется поэтапно. Системы формируются как гетерогенные с функционально-ориентированными подсистемами и работают в сетевой среде с рабочими станциями пользователей.
Формирование вышеупомянутой фон-неймановской концепции как основы электронной цифровой вычислительной техники несомненно опиралось на имевшийся к тому времени опыт использования численных методов решения вычислительных задач с применением электромеханической вычислительной техники. В дальнейшем, с ориентацией на электронику, численные методы интенсивно и всесторонне развивались. Вместе с тем сознается необходимость адаптации и взаимосвязи, с одной стороны, математических методов и программ, а с другой - специфики построения технических структур (параллельная обработка и др.) с соответствующей организацией прохождения потока задач (очередность, приоритеты).
В начавшемся десятилетии предстоит выяснить, как будут создаваться и применяться Exaflops-ные системы - эволюционно или революционно [7-9]. Будут развиваться и осваиваться проблемно-ориентированные территориально-распределенные гетерогенные системно-сетевые построения на прогрессирующей элементной базе.
Литература
1. http://www.top500.org (списки и обзор 500 наиболее мощных вычислительных установок мира, начиная с 1993 г.).
2. http://supercomputers.ru/ (списки и обзор 50 наиболее мощных вычислительных установок России и стран СНГ, начиная с 2004 г.).
3. Левин В.К. Очерк становления Единой системы ЭВМ. http://www.computer-museum.ru/histussr/es_levin.htm
4. Левин В.К. Структурно-технические характеристики и направления развития высокопроизводительных вычислительных систем. / Электронная вычислительная техника // Под ред. В.В.Пржиялковского. - М.: «Радио и связь», - 1988, - вып. 2, - С. 416.
5. Левин В.К. Радиоэлектроника и вычислительная техника. // Радиотехника, № 4-5, 1995, С.137-141.
6. Левин В.К. Этапы развития суперкомпьютеров. http://www.computer-museum.ru/histussr/super_phase_0.htm
7. Забродин А.В., Левин В.К. Суперкомпьютеры - состояние и развитие. // Автоматика и телемеханика, 2007, №5, С. 4-7.
8. Лацис А.О. и др. Гибридный суперкомпьютер К-100: что дальше? http://www.hpc-platform.ru/tiki-download_file.php?ШeId=77 http://www.kiam.ru/MVS/resourses/k100.html
9. Многоточие Стерлинга (беседа В.Воеводина и И.Левшина с Т.Стерлингом) // Суперкомпьютеры, 2010, №3, С. 17-20.
http://www.supercomputers.m/mdex.php?optюn=com_k2&view=item&id=94:многоточие-стерлинга&Itemid=2.
Левин Владимир Константинович; профессор Федерального государственного унитарного предприятия «Научно-исследовательский институт «КВАНТ»;д.т.н., академик РАН, член-корр. РАН; тел.:8(499)745-73-20, e-mail:levin@rdi-kvant.ru,
