Системы с конвейерной обработкой информации 4 страница

Автор: csaa ·

RoadRunner построен по гибридной схеме из двухядерных процессоров AMD Opteron и из процессоров IBMCell 8i, смонтированных на специальных блейд-модулях (печатных платах) TriBlades (рис. 5.8), соединенных с помощью коммуникационной сети Infiniband. По данным разработчиков установка занимает 560 , весит 226 тонн. Общее энергопотребление установки – 2,35 МВт, при энергоэффективности (энергопотребление на миллион операций в секунду) – 437 Mflop/s/Вт. Стоимость компьютера оценена в 133 млн. долларов. Пиковая производительность составила 1,378 Pflop/s, а на тесте Linpack – 1,026 Pflop/s.

Министерство Энергетики США планирует использовать компьютер RoadRunner для расчета старения ядерных материалов и анализа безопасности и надежности ядерного арсенала США. А также планируется его использование для научно-финансовых, транспортных, аэрокосмических расчетов.

Основой компьютера являются, так называемые, модули TriBlade (рисунок 5.14), состоящие из одной печатной платы LS21, платы расширения (Expansion blade) и двух плат QS22. Плата LS21 содержит 2 двухядерных процессора AMD Opteron 2210, работаю-

щих с тактовой частотой 1,8 ГГц, и имеющих 16 Гбайт оперативной памяти, по 4 Гбайта на ядро.

Каждая плата QS22 содержит также два процессора, но уже другого типа — PowerxCell 8i фирмы IBM для обработки данных, работающих на частоте 3,2 ГГц. Каждый процессор включает в себе одно универсальное ядро Power (PPE) и 8 специальных ядер для операций с плавающей точкой (SPE), а также по 4 Гбайта оперативной памяти на каждый процессор. Кроме этого на плате уста-новлены еще два процессора – Infiniband 4 x DDR, обеспечивающие ввод-вывод данных, либо, если нет операций ввода-вывода, выполняющие вычислительные операции.

Плата расширения соединяет платы QS22 через четыре разъема PCI x 8 (по два на плату QS22) с платой LS21.

Таким образом, один блейд-модуль TriBlade состоит из четырех печатных плат и занимает соответственно 4 слота (разъема) на объединительной печатной плате, названной шасси – BladeCenter H. На шасси размещены три блейд-модуля –12 печатных плат: 3 платы LS21, 6 плат QS22 и 3 платы расширения. На рисунке 5.14 схематически представлены конструкции шасси.

Шасси (рисунок 5.15) объединены в объединенные модули по схеме, представленной на том же рисунке 5.15 – конструктивные блоки. Объединенный модуль – это 60 шасси BladeCenter H с установленными блейд-модулями TriBlades, — всего 180 TriBlades. На рисунке 5.16 показана структура объединенного модуля, из которого видно, что все TriBlades подсоединены к 288 – портовому маршрутизатору Voltaire ISR2012 Infiniband (объединяющая связка) с помощью которого реализуется связь с другими объединенными модулями, образующими кластер.

Каждый объединенный модуль также подсоединен к файловой системе Panasas через 12 серверов (систем ввода-вывода) System x 3755. На нижеследующем рисунке 5.16 представлена архитектура объединенного модуля, где отчетливо прослеживается система с массивным параллелизмом.

Итоговую информацию по составу объединенного модуля можно представить следующим образом:

— 360 2-х ядерных процессоров Opteron c 2,88 Тбайтами памяти;

— 720 процессоров PowerXCell с 2,88 Тбайтами памяти;

— 12 серверов – узлов ввода-вывода – System x 3755 с двумя линиями Ithernet — 10 Мбит/с каждая;

— 288-портовый маршрутизатор Voltaire ISR2012 со 192 Infinitiband x 4 DDR (180 TriBlades и 12 узлов ввода-вывода).

Чтобы читатель мог более наглядно

представить себе конструктивное исполнение объединенного модуля, на рисунке 5.11 приведен примерный вид его конструкции.

Семнадцать таких объединенных модулей соединяются с помощью дополнительных 8 маршрутизаторов ISR2012 второго уровня в кластер. На рисунке 5.17 схематично изображена архитектура кластера, выделенная цветом. Каждый объединенный модуль подключен к соответствующему маршрутизатору через 12 каналов связей. Кластеры образуют систему с общедоступной памятью (см. 4 главу настоящей книги) благодаря межкластерным связям. Таким образом, формируется общая архитектура суперкомпьютера RoadRunner, как это представлено на рисунке 5.17. Суммарная вычислительная мощность кластера обеспечивается 6120 процессорами Opteron с 49 Тбайтами памяти на 3060 платах LS21 и 12240 процессорами Cell с такими же 49 Тбайтами памяти на 6120 печатных платах QS22. Связь с периферией кластеру обеспечивают 204 узла ввода-вывода System x 3755.

Архитектурно компьютер RoadRunner имеет кластерную структуру, это иллюстрируется рисунком 5.18. Кластер включает 17 объединенных модулей, каждый из которых занимает объем компьютерной стойки (образно говоря — металлический шкаф). В

каркасе шкафа размещается некоторое количество модулей — металлических каркасных конструкций, заполненных конструкциями шасси, внешний вид которых иллюстрируется рисунком 5.15. Общий вид конструкции «Объединенного модуля» можно схематически представить так, как это выглядит на рисунке 5.17. Набор из семнадцати стоек объединенных модулей, стоек с коммутаторами и другим коммуникационным оборудованием и устройствами ввода-вывода образует кластер. Компьютер в целом является объединением 16 таких «наборов» и образует сооружение, состоящее из впечатляющего количества стоек – порядка трех сотен.

Завершим знакомство с суперкомпьютером RoadRunner тем, что он работает под управлением операционной системы Red Hat Enterprise Linux при поддержке программного обеспечения xCAT.

5.7 Прогнозируемое направление перспективного развития компьютерных и сетевых архитектур – архитектура Grid.

Определение этому «явлению» дается в следующей формулировке: «Grid – это метод использования распределенных компьютерных мощностей и распределенных систем хранения, ставший популярным благодаря схемам, позволяющим использовать незанятые вычислительные ресурсы, разбросанные по всему миру. Сегодня, в основном по причинам недостаточной безопасности, системы, построенные на принципах Grid, создаются чаще всего внутри предприятий, этот метод позволяет им более эффективно использовать вычислительные ресурсы».

Наряду со словом Grid в компьютерной терминологии появилось и словосочетание Grid-компьютинг, употребляемое там, где отдельный компьютер становится частью сложной вычислительной системы – «это новый класс инфраструктур, в которых из удаленных ресурсов складывается безопасный и масштабируемый вычислительный механизм. В состав этого механизма могут входить компьютеры, начиная от настольных до серверных ферм и суперкомпьютеров, программные средства и устройства ввода-вывода. В основе Grid лежат программные технологии, использующие новые стандарты и протоколы совместно с известными сетевыми и Internet-протоколами».

На современном уровне коммуникационной основой структуры Grid являются высокоскоростные сети, относящиеся к Internet 2, такие, как Albiene (10 Гбит/с), английская Super Janet, общеевропейская GEANTnet, канадская CA*net3, азиатская APAN и еще ряд других сетей. Особые надежды возлагаются на трансконтинентальную сеть Global Terabit Research Network (GTRN) или Tera-Grid, которая должна иметь каналы в Европе и Америке и быть логически объединенной с азиатскими сетями. Сеть в качестве национальной магистрали или магистрали предприятий должна обеспечить подключенным компьютерам услуги с пропускной способностью, соответственно, 1000, 100, 10 и 1 Гбит/с. Подключения могут быть реализованы с помощью волоконно-оптических линий связи или на основе витых пар. Первыми планируется подключение к магистрали суперкомпьютерных центров Иллинойского и Калифорнийского университетов, Национальной Аргонской лаборатории (ведущее подразделение в области Grid-технологий) и Калифорнийского технологического института в Пасадене. Ожидаемая совокупная вычислительная мощность этого объединения – 13,6 Tflops.

Отмечается и соответствующее развитие программного обеспечения для создания Grid-приложений. Особое место отводится ОС Linux, поскольку Linux-кластеры составят основу вычислительной мощности TeraGrid. Прорывом стала CORBA, технологии Jini и Java RMI. В 2001 году компания Sun Microsystems предложила проект Project JXTA, ориентированный на создание пятиуровневой сетевой операционной среды, где верхним уровнем может быть уровень Grid-приложений

“Grid-продукты”. Фирма Sun Microsystems, например, различает три основных категории сетей.

Cluster Grid – относительно простая вычислительная сеть, предоставляющая ресурсы пользователям одной рабочей группы, одного департамента, одного проекта.
Campus (Enterprise) Grid – вычислительная сеть корпоративного уровня, охватывающая несколько групп, работающих над различными проектами. Здесь должны быть реализованы политики разделения и обмена ресурсов.
Global Grid – сеть, которая эксплуатируется несколькими независимыми организациями, предоставляющими друг другу свои ресурсы. Между ними установлены определенные правила предоставления ресурсов, определенные протоколы взаимодействия.

Главным правилом стратегии Grid становится превращение сотен и тысяч компьютеров, объединенных вычислительной сетью в единый компьютер. Распределение задач по вычислительным ресурсам как в многопроцессорном сервере: мониторинг, диспетчеризация, приоритеты. Выделение ресурсов хранения – как в дисковой системе: создал раздел, создал файловую систему, отдал приложению. Работа в сети тоже как в компьютере: единый адрес, управление трафиком, резервирование каналов. Расширение системы должно быть не сложнее добавления процессора в сервер. Каждый добавляющийся ресурс (вычислительный сервер, дисковая система, сетевой коммутатор) отдается в распоряжение диспетчеру сети, который распределяет приложения пользователей по эти ресурсам. Администратор сети будет управлять не отдельными компьютерами, дисками, коммутаторами, а службами, которые они представляют – сетевыми, вычислительными, хранения.

Очень выразительной представляется приводимая аналогия системGrid с электросетью, к которой каждый пользователь может подключиться через розетку в любое время и взять столько электроэнергии, сколько ему требуется.

Вопросы и задания для самопроверки

5.1. Перечислите прогнозируемые направления современного развития вычислительной техники.

5.2. Поясните определение векторно-конвейерных суперсистем. Приведите пример такой системы.

5.3. В чем проявляется симметричность «симметричных мультипроцессорных систем»? приведите пример такой системы.

5.4. Назовите проблемы, присущие симметричным суперкомпьютерным системам.

5.5. Какие вычислительные системы называют системами с массовым параллелизмом? В чем заключается основная идея?

5.6. Объясните понятие «транспьютерный линк». Как их используют?

5.7. Характеризуйте кластерные системы. Имеется ли эффективность от их применения?

5.8. Что представляет собой кластерно-параллельная архитектура и как она соотносится с гибридной схемой?

5.9. Дайте определение архитектуры Grid.

5.10. Поясните термин «Grid-компьютинг».

5.11. Как Вы считаете, почему в качестве операционной системы для Grid выбрана ОС Linux?

5.12. Какие три категории сетей Grid различают?

Глава шестая

Системы телеобработки

6.1 Определения и организация

Системой телеобработки называют систему, представляющую совокупность технических и программных средств, предназначенных для обработки данных, передаваемых между ЭВМ и пользователями по протяженным каналам связи. Понятие протяженность линии связи может определяться расстояниями от десятков до тысяч метров. В общем, виде конфигурация системы телеобработки может быть такой, какая представлена на рис. 6.1.

Создание такой системы стало возможным с появлением технических средств, позволивших оборудовать для пользователей рабочие места, которые получили название абонентских пунктов (АП) по аналогии с названием пользователей телефонных сетей. Подчеркнем, что первые пользователи подключались к ЭВМ через городские телефонные линии, коммутируемые (соединяемые) с помощью автоматических телефонных станций (АТС). Телефонная линия переключалась из режима разговора пользователя абонентского пункта с оператором ЭВМ к машине и начиналась работа пользователя с ЭВМ. Для передачи данных к машине по такой линии связи требуется еще дополнительное устройство, преобра-

зующее данные, форируемые на абонентском пункте в сигналы, «приспособленные» для передачи именно по такой линии связи Такие устройства определили как аппаратуру передачи данных (АПД) и включили их как в состав абонентских пунктов, так и в состав ЭВМ. Абонентские пункты снабдили и возможными устройствами для ввода и вывода данных (УВВ).

Система, состоящая из аппаратуры передачи данных и линий связи, образует канал связи. В общем случае для подключения пользователей-абонентов к ЭВМ может использоваться значительное число каналов связи, которые подключаются к ЭВМ через мультиплексор передачи данных (МПД), содержащий соответствующие устройства, обеспечивающие передачу информации (данных) между ЭВМ и многочисленной АПД каналов связи.

На практике используются различные конфигурации систем телеобработки, зависящие от состава и размещения абонентов, типов каналов связи и интенсивности потоков данных между абонентами и ЭВМ. Наиболее часто используются выделенные каналы связи (некоммутируемые) в виде специального отдельного кабеля, минующего АТС. Если канал предоставлен единственному абоненту (верхний канал на рис. 6.1), он образует двухточечное соединение, если каналом пользуются одновременно несколько абонентов, образуется многоточечное соединение (средний канал на рис. 6.1). Нижние на рисунке 6.1 каналы связи являются телефонными или телеграфными каналами общего пользования, обеспечивающие соединение абонентов с ЭВМ с помощью автоматических телефонных станций. Такие каналы названы коммутируемыми, так как связь устанавливается, например, набором телефонного номера вызываемого абонента.

Взаимодействие удаленных абонентов с ЭВМ обходится значительно дешевле, если используются каналы, обладающие высокой пропускной способностью — высокой скоростью передачи данных (более 105 би�