Суперкомпьютеры: прошлое, настоящее, будущее

степень векторизации программ (порядка 1 тыс. элементов в векторе), т.е.

потенциально самая мощная суперЭВМ 70-х годов реально могла эффективно

обрабатывать только ограниченный класс задач. Конечно, подобный просчет

негативно отразился на рыночной судьбе CYBER-205 и на всей программе

суперЭВМ компании Control Data. После CYBER-205 фирма CDC прекратила

попытки освоения рынка суперЭВМ.

Использование в суперкомпьютерах NEC SX архитектуры "регистр-регистр"

позволило нейтрализовать недостатки многоконвейерной обработки, и модель

NEC SX-2 с 16 векторными конвейерами стала первой суперЭВМ, преодолевшей

рубеж в миллиард операций с плавающей точкой за секунду - ее пиковая

производительность составила 1,3 GFLOPS. Фирма Hitachi пошла по другому

пути. В суперкомпьютерах серии S-810 ставка была сделана на параллельное

выполнение сразу шести векторных команд. Далее Hitachi, продолжает линию

этого семейства моделями S-810/60 и S-810/80; последняя занимает достойное

третье место по результатам тестирования производительности на пакете

LINPACK, уступая только грандам из CRAY и NEC. Относительную коммерческую

стабильность суперкомпьютеров Hitachi можно объяснить тем, что они, как и

суперЭВМ фирмы Fujitsu, полностью совместимы с системой IBM/370 по

скалярным операциям. Это позволяет применять программы, созданные на IBM VS

FORTRAN и в стандарте ANSI X3.9 (FORTRAN 77), а также использовать

стандартную операционную среду MVS TSO/SPF и большинство системных

расширений IBM, включая управление вводом/выводом для IBM-совместимых

дисковых и ленточных накопителей. Другими словами, японские суперЭВМ фирм

Hitachi и Fujitsu первыми в мире суперкомпьютеров использовали

дружественный интерфейс для пользователей наиболее распространенной в то

время вычислительной системы - IBM/370.

Натиск японских производителей был впечатляющим, но тут С. Крей

наносит своевременный контрудар - в 1982 г. на рынке появилась первая

модель семейства суперкомпьютеров CRAY X-MP, а двумя годами позже в

Ливерморской национальной физической лаборатории им. Лоуренса был

установлен первый экземпляр суперЭВМ CRAY-2. Машины от Cray Research

опередили конкурентов в главном - они ознаменовали зарождение нового

поколения ЭВМ сверхвысокой производительности, в которых векторно-

конвейерный параллелизм дополнялся мультипроцессорной обработкой. Крей

применил в своих компьютерах неординарные решения проблемы увеличения

производительности. Сохранив в CRAY-2 и CRAY X-MP архитектуру и структурные

наработки CRAY- 1, он сокрушил конкурентов сразу на двух фронтах: достиг

рекордно малой длительности машинного цикла (4,1 нс ) и расширил

параллелизм системы за счет мультипроцессорной обработки. В итоге Cray

Research сохранила за собой звание абсолютного чемпиона по

производительности: CRAY-2 продемонстрировала пиковую производительность 2

GFLOPS, обогнав NEC SX-2 - самую быструю японскую суперЭВМ - в полтора

раза. Для решения проблемы оптимизации машинного цикла Крей пошел дальше

японцев, которые уже владели технологией ECL-БИС, позволившей в Fujitsu VP

достичь длительности машинного цикла в 7,5 нс. Помимо того что в CRAY-2

были использованы быстродействующие ECL-схемы, конструктивное решение

блоков ЦП обеспечивало максимальную плотность монтажа компонентов. Для

охлаждения такой уникальной системы, которая выделяла ни много ни мало 195

кВт, была использована технология погружения модулей в карбид фтора -

специальный жидкий хладагент производства американской фирмы 3M.

Второе революционное решение, реализованное в суперкомпьютере CRAY- 2,

заключалось в том, что объем оперативной памяти был доведен до 2 Гбайт.

С.Крею удалось выполнить критерий балансировки производительности и емкости

оперативной памяти по Флинну: "Каждому миллиону операций производительности

процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайт емкости оперативной

памяти". Суть проблемы заключается в том, что типичные задачи гидро- и

аэродинамики, ядерной физики, геологии, метеорологии и других дисциплин,

решаемые с помощью суперЭВМ, требуют обработки значительного объема данных

для получения результатов приемлемой точности. Eстественно, при таких

объемах вычислений относительно малая емкость оперативной памяти вызывает

интенсивный обмен с дисковой памятью, что в полном соответствии с законом

Амдала ведет к резкому снижению производительность системы.

Все-таки новый качественный уровень суперкомпьютера CRAY-2 определялся

не столько сверхмалой длительностью машинного цикла и сверхбольшой емкостью

оперативной памяти, сколько мультипроцессорной архитектурой, заимствованной

у другой разработки Cray Research - семейства многопроцессорных суперЭВМ

CRAY X-MP. Его три базовые модели - X-MP/1, X-MP/2 и X-MP/4 - предлагали

пользователям одно-, двух- или четырехпроцессорную конфигурацию системы с

производительностью 410 MFLOPS на процессор. Спектр доступных вариантов

расширялся за счет возможности установки памяти разного объема (от 32 до

128 Мбайт на систему). Такой ориентированный на рынок подход к построению

суперкомпьютера впоследствии принес фирме Cray Research ощутимый

коммерческий эффект. Мультипроцессорная архитектура суперкомпьютеров

производства CRAY была разработана с учетом достижений и недостатков

многопроцессорных мэйнфреймов, в первую очередь фирмы IBM. В отличие от

"классических" операционных систем IBM, которые используют для

взаимодействия процессов механизм глобальных переменных и семафоров в общей

памяти, мультипроцессорная архитектура CRAY предполагает обмен данными

между процессорами через специальные кластерные регистры, кроме того, для

обслуживания взаимодействия процессов в архитектуре CRAY предусмотрены

аппаратно-реализованные семафорные флажки, которые устанавливаются,

сбрасываются и анализируются с помощью специальных команд, что также

ускоряет межпроцессорный обмен и в итоге увеличивает системную

производительность. В результате этих новшеств коэффициент ускорения

двухпроцессорной суперЭВМ CRAY X-MP/2 по отношению к однопроцессорной CRAY

X-MP/1 составляет не менее 1,86.

В отличие от семейства CRAY X-MP, модели которого работают под

управлением операционной системы COS (Cray Operating System), CRAY-2

комплектовалась новой операционной системой CX-COS, созданной фирмой Cray

Research на базе Unix System V.

Во второй половине 80-х годов Control Data, "сошедшая с дистанции"

после неудачи с моделью CYBER-205 вновь появляется на рынке сперЭВМ. Строго

говоря, за разработку новой восьмипроцессорной суперЭВМ взялась ETA Systems

- дочерняя фирма CDC, - однако в этом проекте был задействован практически

весь потенциал Control Data. Вначале проект под названием ETA-10,

получивший поддержку правительства через контракты и дотации потенциальным

пользователям вызвал оживление среди специалистов по сверхскоростной

обработке. Ведь новая суперЭВМ должна была достичь производительности в 10

GFLOPS, т.е. в пять раз превзойти CRAY-2 по скорости вычислений. Первый

образец ETA-10 с одним процессором производительностью 750 MFLOPS был

продемонстрирован в 1988 г., однако дальше дела пошли хуже. Во втором

квартале 1989 г. Control Data объявила о свертывании деятельности компании

ETA Systems из-за нерентабельности производства.

Не остался в стороне от проблем сверхвысокой производительности и

гигант компьютерного мира - фирма IBM. Не желая уступать своих

пользователей конкурентам из Cray Research, компания приступила к программе

выпуска старших моделей семейства IBM 3090 со средствами векторной

обработки (Vector Facility). Самая мощная модель этой серии - IBM 3090/VF-

600S оснащена шестью векторными процессорами и оперативной памятью емкостью

512 Мбайт. В дальнейшем эта линия была продолжена такими машинами

архитектуры ESA, как IBM ES/9000-700 VF и ES/9000-900 VF,

производительность которых в максимальной конфигурации достигла 450 MFLOPS.

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,

Страницы: 1, 2, 3