Реферат: Развитие суперкомпьютеров

 Еще одна известная в компьютерном мире фирма - Digital Equipment Corp. - в октябре 1989 г. анонсировала новую серию мэйнфреймов с векторными средствами обработки. Старшая модель VAX 9000/440 оснащена четырьмя векторными процессорами, повышающими производительность ЭВМ до 500 MFLOPS.

Высокая стоимость суперЭВМ и векторных мэйнфреймов оказалась не по карману достаточно широкому кругу заказчиков, потенциально готовых воспользоваться компьютерными технологиями параллельных вычислений. К их числу относятся мелкие и средние научные центры и университеты, а также производственные компании, которые нуждаются в высокопроизводительной, но сравнительно недорогой вычислительной технике.

С другой стороны, такие крупнейшие производители суперЭВМ, как Cray Research, Fujitsu, Hitachi и NEC, явно недооценили потребности "средних" пользователей, сосредоточившись на достижении рекордных показателей производительности и, к сожалению, еще более рекордной стоимости своих изделий. Весьма гибкой оказалась стратегия Control Data, которая после неудачи с CYBER-205 основное внимание уделила выпуску научных компьютеров среднего класса. На конец 1988 г. производство машин типа CYBER-932 вдвое превысило выпуск старших моделей серии CYBER-900 и суперЭВМ с маркой CDC. Основным конкурентом Control Data на рынке малогабаритных параллельных компьютеров, которые получили общее название "мини-суперЭВМ", стала будущий лидер в мире мини-суперкомпьютеров фирма Convex Computer. В своих разработках Convex первой реализовала векторную архитектуру с помощью сверхбольших интегральных схем (СБИС) по технологии КМОП. В результате пользователи получили серию относительно недорогих компьютеров по цене менее 1 млн. долл., обладающих производительностью от 20 до 80 MFLOPS. Спрос на эти машины превзошел все ожидания. Явно рискованные инвестиции в программу Convex обернулись быстрым и солидным доходом от ее реализации.  История развития суперкомпьютеров однозначно показывает, что в этой сложнейшей области инвестирование высоких технологий, как правило, дает положительный результат - надо только, чтобы проект был адресован достаточно широкому кругу пользователей и не содержал слишком рискованных технических решений. Convex, которая, получив такое преимущество на старте, стала успешно развиваться. Сначала она выпустила на рынок семейство Convex C-3200, старшая модель которого C-3240 имеет производительность 200 MFLOPS, а затем - семейство Convex C-3800, состоящее из четырех базовых моделей в одно-, двух- , четырех- и восьмипроцессорной конфигурации. Самая мощная машина этой серии Convex C-3880 имеет производительность, достойную "настоящей" суперЭВМ 80-х годов, и при тестировании на пакете LINPACK обогнала по скорости вычислений такие системы, как IBM ES/9000-900 VF, ETA-10P и даже CRAY-1S. Отметим, что Cray Research, выпускает мини-суперЭВМ CRAY Y-EL, также реализованную на технологии КМОП-СБИС. Этот компьютер может поставляться в одно-, двух- или четырехпроцессорной конфигурации и обеспечивает производительность 133 MFLOPS на процессор. Объем оперативной памяти изменяется в зависимости от пожеланий заказчика в диапазоне 256-1024 Мбайт.

Доминирование векторных суперкомпьютеров в государственных программах и устойчивое положение "царя горы", занятое Cray Research, явно не устраивало сторонников MIMD-параллелизма. Первоначально в этот класс были включены многопроцессорные мэйнфреймы, а впоследствии к ним добавились суперЭВМ третьего поколения с мультипроцессорной структурой. И те и другие основаны на сформулированном фон Нейманом принципе управления вычислительным процессом по командам программы, или управления потоком команд (Instruction Flow). Однако примерно с середины 60-х годов математики стали обсуждать проблему разбиения задачи на большое число параллельных процессов, каждый из которых может обрабатываться независимо от других, а управление выполнением всей задачи осуществляется путем передачи данных от одного процесса к другому. Этот принцип, известный как управление потоком данных (Data Flow), в теории выглядит очень многообещающим. Теоретики DataFlow-параллелизма предполагали, что систему можно будет организовать из небольших и потому дешевых однотипных процессоров. Достижение сверхвысокой производительности целиком возлагалось на компилятор, осуществляющий распараллеливание вычислительного процесса, и ОС, координирующую функционирование процессоров. Внешняя простота принципа MIMD-параллелизма вызвала к жизни множество проектов.

Из наиболее известных разработок систем класса MIMD стоит упомянуть IBM RP3 (512 процессоров, 800 MFLOPS), Cedar (256 процессоров, 3,2 GFLOPS; компьютер одноименной фирмы), nCUBE/10 (1024 процессора, 500 MFLOPS) и FPS-T (4096 процессоров, 65 GFLOPS). К сожалению, ни один из этих проектов не завершился полным успехом и ни одна из упомянутых систем не показала объявленной производительности. Дело в том, что, как и в случае с матричными SIMD-суперкомпьютерами, слишком много технических и программных проблем было связано с организацией коммутатора, обеспечивающего обмен данными между процессорами. Кроме того, процессоры, составляющие MIMD- систему, оказались на практике не столь уж маленькими и дешевыми. Как следствие, наращивание их числа приводило к такому увеличению габаритов системы и удлинению межпроцессорных связей, что стало совершенно очевидно: при существовавшем в конце 80-х годов уровне элементной базы реализация MIMD-архитектуры не может привести к появлению систем, способных конкурировать с векторными суперкомпьютерами.

Неординарное решение проблемы коммутационной сети процессоров MIMD- системы предложила мало кому известная фирма Denelcor, которая выполнила разработку многопроцессорной модели HEP-1. Этот суперкомпьютер был задуман как MIMD-система, содержащая от 1 до 16 исполнительных процессорных элементов и до 128 банков памяти данных по 8 Мбайт каждый. Система из 16 процессоров должна была обладать максимальной производительностью 160 MFLOPS при параллельной обработке 1024 процессов (по 64 процесса в каждом из 16 ПЭ). Любопытной архитектурной особенностью HEP-1 было то, что MIMD-обработка множества процессов выполнялась без использования коммутационной сети, которую заменила так называемая "вертушка Флинна".

Напомним, что идея "вертушки Флинна" заключается в организации мультипроцессора как нелинейной системы, состоящей из группы процессоров команд (ПрК), каждый из которых "ведет" свой поток команд, и общего для всех ПрК набора арифметических устройств, циклически подключаемых к каждому из ПрК для выполнения их команд. Нетрудно заметить, что эффект "вертушки Флинна" состоит в сокращении объема, занимаемого арифметическими устройствами в многопроцессорной системе, поскольку на "арифметику" может приходиться до 60% аппаратных ресурсов центрального процессора.

На первый взгляд структура HEP-1 практически не отличается от классической "вертушки Флинна" - такой же циклический запуск команд, принадлежащих разным процессам, и те же общие для множества процессов арифметические устройства. Однако на входе исполнительных устройств переключаются не процессоры команд, а процессы с помощью специального механизма выборки, сохранения и восстановления слов состояния каждого исполняемого процесса. Во-вторых, в HEP-1 применяются конвейерные исполнительные устройства, что позволяет арифметическим устройствам обрабатывать существенно больше операций, чем прототипам мэйнфреймов. Казалось бы, наконец найдено решение, объединяющее достоинства MIMD- архитектуры и конвейерной обработки данных (отсюда название "MIMD-конвейеризация") и к тому же исключающее основной недостаток MIMD-структуры - наличие сетевого коммутатора процессоров. Однако после довольно успешных тестов суперЭВМ HEP-1 и одобрительных отзывов аналитиков запущенный в производство проект следующей подобной машины HEP-2 был закрыт по причине отсутствия заказов. Подобно множеству других проектов создания суперкомпьютеров с MIMD- архитектурой, программа HEP не получила одобрения пользователей из-за недостатков системного ПО. Дело в том, что в отличие от векторных суперкомпьютеров, которые успешно справляются с задачами, представленными на стандартных языках последовательного типа, для эффективного программирования MIMD-систем потребовалось введение в обиход совершенно новых языков параллельного программирования.

Если проектировщикам суперкомпьютеров класса MIMD удастся разрешить проблемы системного ПО, доступных языков параллельного программирования, а также компиляторов для этих языков, то в развитии вычислительной техники надо ожидать весьма крутого и драматического поворота событий.

После коммерческого успеха моделей CRAY X-MP фирма Cray Research выпустила модифицированное семейство суперкомпьютеров CRAY Y-MP, обладающих большим числом процессоров (до восьми) и пониженной длительностью машинного цикла (6 нс). Старшая модель этого семейства CRAY Y-MP/832 имела пиковую производительность 2666 MFLOPS и занимала двенадцатую позицию в рейтинге Дж. Донгарра по результатам тестирования на пакете LINPACK.

Первые же пять позиций принадлежали представителям  CRA Y-MP C90, старшая модель которого - 16-процессорная машина CRAY Y-MP C90/16256 - имела оперативную память емкостью 2 Гбайт и могла демонстрировать производительность на уровне 16 GFLOPS. Все 16 процессоров и оперативная память этого компьютера размещались в одной стойке весьма скромных размеров: 2,95x2,57x2,17 м3. Подсистема ввода/вывода CRAY Y-MP C90 имела до 256 каналов с общей пропускной способностью 13,6 Гбайт/с, встроенный кремниевый диск емкостью 16 Гбайт и поддерживала дисковую память общей емкостью до 4 Тбайт. "Суперпараметры" модели CRAY Y-MP C90 эффектно дополняются развитым программным обеспечением, центральным ядром которого являются компиляторы CF77 Fortran, Cray Standard C Compiler, Cray ADA и Pascal.

Примерно в это время Сеймур Крей оставляет основанную им фирму Cray Research и создает новую компанию Cray Computer в целях разработки суперкомпьютеров нового поколения CRAY-3 и CRAY- 4. Причинами этого шага стали два обстоятельства: во-первых, руководство Cray Research не хотело подвергать фирму финансовому и моральному риску в случае неудачи новых проектов, а во-вторых, сам Крей предпочел заниматься пионерскими разработками, оставив для Cray Research задачу закрепления рыночного успеха уже созданных продуктов. В результате, освободившись от бремени проектирования CRAY-3 и CRAY-4, его прежнее детище сосредоточилось на "шлифовке" аппаратного и программного обеспечения семейства CRAY Y-MP, а новое занялось поиском технических решений, позволяющих кардинально повысить производительность векторно-конвейерной обработки. Дело в том, что в конце 80-х годов Крей сумел предугадать ситуацию, которая сложилась в области векторных суперкомпьютеров к середине 90-х: архитектурные и программные возможности увеличения производительности за счет многопроцессорной обработки и совершенствования операционных систем и компиляторов для суперЭВМ этого класса оказались практически исчерпаны, а их традиционная элементная база - ECL и BiCMOS БИС со степенью интеграции порядка 10 тыс. вентилей на кристалл - не позволяет преодолеть порог длительности машинного цикла в 2-3 нс. В основу проекта CRAY-3 была заложена идея перехода на принципиально новую элементную базу - БИС на основе арсенида галлия, которая теоретически позволяет обеспечить субнаносекундную продолжительность машинного цикла. Затея казалась весьма рискованной, тем более что в конце 80-х годов в мире не существовало промышленно освоенной технологии для производства подобной элементной базы. Во всяком случае проект CRAY-3 "затормозился" именно из-за неудовлетворительного состояния технологии разработки и производства GaAs-микросхем, а также сборки из них отдельных модулей. Тем не менее после примерно пяти лет работы над проектом CRAY-3 "вышел в свет" и сразу оказался в тройке рекордсменов производительности, обогнав все конкурирующие суперкомпьютеры по тактовой частоте.

Примерно в середине 90-х годов сумашедший темп развития суперкомпьютеров был потерян. В качестве основных причин следует привести следующие :  огромный спад государственной поддержки программы развития суперЭВМ, как результат прекращения ‘холодной войны’, плюс отсутствия рынка сбыта супермашин, что объясняется наличием вполне подходящих мини-суперЭВМ гораздо более дешевых и доступных. Большинство производителей стараются переориентироваться на создании архитектур с массовым параллелизмом (MPP).

1994г. Компания Cray Computer сообщила о выпуске в первой половине следующего года суперкомпьютера Cray-4 в четырех- и восьмипроцессорных конфигурациях. Фирма NEC представила на американском рынке свой суперкомпьютер SX-4, поставки которого начнутся в 1995 г. Выпуск массово-параллельного компьютера NCube 3, продемонстрированного компанией NCube и ориентированного на научный рынок, намечен на II квартал будущего года.

1995г. Пожалуй, самым впечатляющим событием стал крах фирмы Cray Computer. Эти новости мало для кого оказались сюрпризом: не составляло тайны существование многочисленных долгов, накопившихся в результате того, что Cray Computer не смогла продать ни одного компьютера Cray-3 за два года, прошедших со дня представления системы.

Примерно в это же время Cray Research объявила о выпуске новой серии суперкомпьютеров CRAY T90, в которых впервые отсутствуют кабельные соединения. В этих системах, получивших на стадии разработки название Triton, количество процессоров варьировалось от 1 до 32, а максимальная производительность достигала 60 млрд. операций в секунду. По сравнению с 16-процессорными компьютерами CRAY C90, быстродействие которых достигает 16 Гфлопс, новые машины имеют в 3-5 раз лучшее соотношение производительность/стоимость.

В Японии же, Fujitsu представляет два векторных параллельных суперкомпьютера на базе КМОП-технологии : VX и VPP оснащены запатентованными БИС на КМОП-структурах, объемом памяти 8 Гбайт для модели VX и 32 Гбайт - для VPP300. При максимальной конфигурации (16 процессоров) производительность VPP300 составляет 35,2 Гфлопс, а модели VX при четырех процессорах - 8,8 Гфлопс.

Компания Parsytec Computer GmbH продемонстрировала первую систему с массовым параллелизмом GC/Power Plus на базе RISC- процессоров PowerPC 601. Количество процессорных элементов в GC/Power Plus может меняться от 32 до 1024, при этом производительность составляет от 2,5 до 80 GFLOPS

В 1996 г. Cray начинает коммерческий выпуск новой модели масштабируемых суперкомпьютеров CRAY T3E с пиковой производительностью 1,2 TFLOPS. Основная характеристика, на которой акцентировали внимание разработчики, - масштабируемость, не имеющая аналогов в истории суперкомпьютеров. Минимальная конфигурация, содержащая восемь микропроцессоров, допускает увеличение их количества в 256 раз. Увеличение производительности может быть также достигнуто кластеризацией систем.

Тем не менее, проектирование MIMD машин по-прежнему в большей степени являлось искусством, правда следует отметить явное движение в это области. Так, MIMD-суперкомпьютеру Paragon с распределенной памятью, разработанному Intel, удалось выжить и вполне успешно существовать (построен на коммерческих микропроцессорах от Intel ) : с быстродействием 140 Гфлопс  установлен в лаборатории Sandia и 150 Гфлопс установлен в Oak Ridge National Lab. Еще одним примером может служить система HP Exemplar SPP1600, которая  была построена на микропроцессорах RISC PA-7200 и основана на архитектурном принципе MIMD с разделением памяти.

Fujitsu выпусакет семейство суперкомпьютеров VPP700 Series. Их конфигурация может наращиваться от базовой, включающей 8 процессорных блоков, до 256- процессорной с совокупной производительностью в 500 Гфлопс. IBM продолжает развивать свое семейство RS/6000 Scalable Powerparallel (SP). Она строит свой самый мощный параллельный компьютер с 472 процессорами и максимальной производительностью в 200 Гфлопс (превоначально планировалось, что в восьми корпусах разместятся 512 узлов, а общее число процессоров достигнет 4096).

Спустя год,  опять анонсировала суперкомпьютер CRAY Т3Е-900 на более быстрых процессорах, чем у предшествующей модели CRAY Т3Е. За счет этого достигнута рекордная производительность 1,8 TFLOPS. Тогда это единственная в мире система, мощность которой превысила триллион FLOPS. Новый суперкомпьютер представляет собой не кластер множества независимых узлов, а единую систему с централизованным управлением и сильносвязанными процессорными элементами. Максимальное число процессоров CRAY T3E-900 достигает 2048.

1997г.  может быть отмечен, как появлением корпорации Sun Microsystems на рынке суперкомпьютеров. Предпосылкой для этого служит выпуск нового семейства Ultra-Sparc III, на базе которого Sun планирует выпустить системы. При этом следует отметить, что Sun отдала предпочтение SMP (симметричной многопроцессорной) архитектуре : так, cуперкомпьютер UltraHPC может быть сконфигурирован на базе 64 процессоров Ultrasparc II (250 Mhz) и способен обеспечивать производительность до 32 Gflops; в то время, как большинство производителей суперЭВМ ‘исповедуют’ NUMA (архитектура с неоднородным доступом к памяти).

А как обстоят дела со всем этим в России ? Нет большого секрета и в том, что сегодня компьютерная индустрия России находится в коматозном состоянии.. К середине 80-х годов в СССР существовала достаточно стройная государственная программа по суперкомпьютерам, которая, помимо финансирования довольно широкого спектра проектов, включала действия по модернизации производства элементной базы и оснащению заводов необходимым технологическим оборудованием. В случае успеха этой программы в 1989 - 1991 гг. на свет должен был появиться целый ряд вполне современных суперкомпьютеров с производительностью от 100 MFLOPS до 1,2 GFLOPS. Кроме того, советская суперкомпьютерная программа предполагала значительное продвижение в области MIMD-систем. Строго говоря, к этому времени СССР уже обладал компьютерами "Эльбрус-2", параметры которых вполне соответствовали определению "суперЭВМ". Фаворитом суперкомпьютерной программы стал коллектив разработчиков этой машины - Институт точной механики и вычислительной техники им. Лебедева АН СССР (ИТМиВТ), известный такими запоминающимися проектами, как "БЭСМ", "Чегет" и "Эльбрус- 1". Именно в этом институте были заложены два (из четырех) основных проекта государственной программы - "Эльбрус-3" и "Модульный конвейерный процессор" (МКП). Одно  направление возглавил проект "Эльбрус-3", основанный на совершенно новой архитектуре широкой команды (Very Long Instruction Word, VLIW). Архитектура этого типа интересна тем, что центральный процессор выбирает из памяти и запускает на исполнение сразу несколько операций, упакованных компилятором в одно командное слово. Пиковая производительность полной конфигурации системы (16 процессоров) ожидалась на уровне 10 GFLOPS, что было бы совсем неплохо. Второе направление развития советских суперЭВМ предполагало достижение более скромных показателей производительности (около 1 GFLOPS на процессор) за счет применения проверенного практикой принципа векторно-конвейерной обработки, но без копирования зарубежных суперкомпьютеров. В ИТМиВТ параллельно с VLIW-системой "Эльбрус-3" стартовал проект МКП под официальным названием "Эльбрус-3Б", который предполагалось завершить созданием системы из 2-20 процессоров, обладающей суммарной пиковой производительностью 2-10 GFLOPS. Направление разработки векторно-конвейерных суперЭВМ оригинальной структуры было выбрано и для суперкомпьютеров Единой системы. Головной институт программы "ЕС ЭВМ" - Научно- исследовательский центр электронной вычислительной техники (НИЦЭВТ) - в 1986 г. анонсировал начало проекта по созданию суперкомпьютера ЕС1191 с производительностью 1,2 GFLOPS. Хотя эта машина по своим характеристикам и уступала "Эльбрусам", но потенциально ее конструктивные особенности могли оказаться весьма привлекательными для пользователей. Во-первых, оригинальное решение системы из четырех скалярных процессоров и одного общего векторного процессора позволило значительно уменьшить занимаемый объем: вся центральная часть машины размещалась в стойке, примерно равной по габаритам распространенному мэйнфрейму ЕС1066. Во-вторых, ЕС1191 реализовывала дружественный интерфейс пользователя ЕС ЭВМ (берущий начало от ОС фирмы IBM) с применением всего разнообразия системных и прикладных програмных продуктов. И наконец, "козырной картой" ЕС1191 была воздушная система охлаждения, которая резко снижала затраты на производство и эксплуатацию машины по сравнению с жидкостным охлаждением "Эльбрусов".

Если в разработке суперкомпьютера ЕС1191 инженеры НИЦЭВТ отошли от практики повторения зарубежных прототипов, то в полном соответствии с принципом "свято место пусто не бывает" идея быстрого достижения результата за счет повторения уже пройденного пути не могла не найти своих сторонников. Коллектив специалистов под руководством академика В. А. Мельникова принялся за разработку суперЭВМ "Электроника СС БИС", которая базировалась на структурных решениях и системе команд машин CRAY. В принципе, это направление хотя и предполагает постоянное отставание от прототипа (кто-кто, а российские пользователи хорошо ощутили разрыв между машинами ЕС ЭВМ и компьютерами IBM современного уровня), но практически "обречено на успех", особенно при детальном копировании оригинала. Во всяком случае Китай получил очень неплохие суперкомпьютеры VH-1 и VH-2 за счет копирования машин CRAY-1 и CRAY X-MP.

Все суперкомпьютерные проекты советского периода использовали однотипную элементную базу - матричные большие интегральные схемы по технологии ECL (эмиттерно-связанная логика) со степенью интеграции 1500 вентилей на кристалл и быстродействием порядка 0,5 нс на вентиль. Конечно, по сравнению с современными достижениями микроэлектронной технологии эти параметры, мягко говоря, не впечатляют, но для середины 80-х годов они были "вполне на уровне" и не отставали от элементной базы японских суперкомпьютеров Fujitsu, NEC или Hitachi.

К сожалению, именно на все это наложились известные события 1991 - 1992 гг., и вместо самой внушительной порции выделенных средств суперкомпьютерные проекты получили анархию в договорных отношениях между институтами и заводами. В результате "Эльбрус-3Б" и "Электроника СС БИС" сегодня существуют в виде опытных образцов, завершение проекта "Эльбрус-3" сильно затянулось, а работы над ЕС1191 заморожены.

Правда говорить о кончине российских суперкомпьютеров пока, по- видимому, преждевременно. Дело гораздо сложнее и значительно драматичнее, чем может показаться. Во-первых, еще существуют два ведущих компьютерных центра России - ИТМиВТ и НИЦЭВТ, которые в принципе способны справиться с задачей создания суперЭВМ, плюс в обоих институтах пока сохранилось небольшое, но вполне дееспособное ядро наиболее квалифицированных специалистов. Когда в 1991 г. стало ясно, что проект ЕС1191 не удастся завершить из-за нехватки средств на изготовление опытных образцов суперкомпьютера, было принято решение о замораживании проекта и развертывании на его основе работ по созданию семейства малогабаритных суперкомпьютеров ЕС119Х.Х, использующих все архитектурные, структурные и даже большую часть схемотехнических решений ЕС1191 (в базовых моделях этого семейства используется 60 - 70% БИС, разработанных для ЕС1191). В итоге всего через год -  небольшой коллектив инженеров завершил проектирование первой модели этого семейства - суперскалярной мини-суперЭВМ ЕС1195. В результате этих усилий родилась достаточно быстрая (50 MFLOPS при 256 Мбайт оперативной памяти) и весьма компактная (для ее установки требуется менее одного квадратного метра площади) машина, которая была впервые продемонстрирована на выставке "Информатика-93". Завершена разработка и началось изготовление второй базовой модели семейства ЕС119Х.Х - векторного суперкомпьютера ЕС1191.01, пиковая производительность которого составляет 500 MFLOPS. Наконец, проектируется гибридная система ЕС1191.10, объединяющая достоинства векторно-конвейерной и MPP-обработки. Ее минимальная конфигурация позволит получить производительность на уровне 2 GFLOPS. Все модели семейства ЕС119Х.Х предназначены для работы под Unix или OS/2 и сконструированы в так называемом "офисном исполнении.

Впрочем, разработчики ЕС119Х.Х отчетливо понимают, что у их детища есть "ахиллесова пята" - устаревшая элементная база (ECL-чипы со степенью интеграции 1500 вентилей на кристалл). Поэтому в развитие идей ЕС119Х.Х начались работы по созданию семейства суперкомпьютеров "АМУР" на базе КМОП-микросхем со степенью интеграции 200 тыс. вентилей на кристалл. Эта программа рассчитана на три года и должна завершиться выпуском трех базовых моделей суперкомпьютеров, позволяющих строить масштабируемые вычислительные системы с производительностью от 50 MFLOPS до 20 GFLOPS. Существенной особенностью всех базовых моделей семейства "АМУР" является использование единого комплекта из семи чипов (по сути, микропроцессоров) и размещение процессоров на одной плате, подобной "материнской" плате персонального компьютера. Естественно, что перечисленные особенности суперкомпьютеров "АМУР" означают значительное снижение затрат на производство и эксплуатацию этих машин, т.е. в конечном счете уменьшение их рыночной стоимости.