Назначение компьютерных телекоммуникационных вычислительных систем и комплексов

Обновлено: 15.01.2025

Запускаем на канале рубрику, посвященную компьютерным сетям. Буду выпускать цикл статей, которые раскроют максимальное количество полезной информации по данному направлению.

Сегодня начнем с общих понятий, терминов и видов компьютерных сетей, так сказать, чтобы у вас сложилось общее впечатление, а с каждой статьей будем с вами углубляться в более сложные и технологичные моменты.

Компьютерная или вычислительная сеть - совокупность устройств, система, которая обеспечивает обмен информацией и данными между вычислительными машинами, связанными между собой логически или физически. Сеть может состоять как из двух устройств, так и из тысячи.

Для более понятной картины, разделим участников сети на группы:

Оконечное устройство (хост) - узел, как часть компьютерной сети, который осуществляет прием или передачу данных. Такие устройства образуют интерфейс между пользователем и сетью. В качестве оконечных узлов выступают: компьютеры, планшеты телефоны, также в некоторых источниках к хостам относят и принтеры.
Промежуточные устройства - узлы сети, которые осуществляют соединение оконечных устройств между собой. Основная задача передать информацию. Промежуточные устройства не создают данные и не изменяют их. К ним относятся: коммутаторы и точки доступа, маршрутизаторы, межсетевые экраны.
Среда передачи - призвана осуществлять коммуникацию в сети для транспортировки данных. Среда дает физический канал, при помощи которого, информация переходит от с источника к адресату. Существует три основных вида сред: радиоканал (беспроводная передача), оптическое волокно, металлические провода (медный кабель).

Если с устройствами в сети, все более или менее понятно, подробно мы будем это обсуждать в процессе нашего цикла, то с классификаций сети все более разрознено.

Компьютерные сети разделяются по их назначению и характеристикам

Территориальное разделение:

WAN (Wide Area Network) - глобальная сеть, покрывает географически крупные регионы, включает себя меньшие по охвату сети, соединяет в единую цепочку пользователей со всего мира.
MAN (Metropolitan Area Network) - сеть в пределах, города, области, соединяет на своем уровне сети от различных провайдеров.
LAN (Local Area Network) - локальная компьютерная сеть, замкнутая инфраструктура, доступ к которой имеют только ее участники. Под локальной сетью подразумевается объединение различных сетевых устройств в рамках одной небольшой территории. Например, офис или предприятие, ваши домашние устройства.

Архитектурное разделение:

Одноранговые сети
Многоранговые сети по типу Клиент - сервер

Разделение по виду среды передачи данных:

Проводные - передача данных посредством укладки кабеля между устройствами (витая пара, телефонные провода, коаксиальный кабель, оптическое волокно)
Беспроводные - передача информации по радио каналу с определённым частотным диапазоном

Разделение по топологии (схема построения сети):

Разделение по типу передачи:

Коммутация каналов - передача данных осуществляется после того, как канал связи будет установлен. В процессе одной передачи, вторая и последующие невозможны. Яркий пример, телефонная связь, поступает звонок, при ответе, устанавливается канал, который для второго звонка уже будет занят.
Коммутация пакетов - при передаче от одного устройства к другому данные делятся на части (пакеты), которые доставляются к оконечному узлу по сетевым маршрутам. Каждая часть не зависит друг от друга, передается отдельно, что позволяет в одном физическом канале передавать данные нескольким устройствам.

Разделение сети по типу передачи данных:

Широковещательная рассылка (broadcast)
Многоадресная рассылка (multicast)
Одноадресная рассылка (unicast), иногда используется термин точка-точка

Для первого вводного раза, думаю, информации будет достаточно. В следующих статьях данного цикла будем подробно раскрывать термины и характеристики, которые были затронуты в данном материале. Следите за появлением новых публикаций.

На этом все, спасибо за внимание.

Ставьте лайки, пишите комментарии, подписывайтесь на блог, буду регулярно размещать интересные материалы, которые возникают в процессе работы.

Обработка информации при помощи ЭВМ развивается по двум направлениям:

с использованием вычислительных комплексов ;

с использованием вычислительных сетей .

Вычислительные комплексы служат для повышения производительности и надежности обработки информации. Они объединяют несколько ЭВМ, территориально расположенных в одном месте, и делятся на два типа:

многомашинные комплексы (несколько самостоятельных ЭВМ, в том числе и резервных, объединенных общим управлением);

многопроцессорные комплексы (несколько процессоров, работающих с одной общей памятью с различными возможными типами доступа к ней ).

Использование вычислительных комплексов позволяет разделить поставленную задачу на несколько подзадач (если это позволяет сама задача) и решать их параллельно.

Вычислительная или компьютерная сеть (КС) – это совокупность ПО и компьютеров, соединенных с помощью каналов связи и специального сетевого оборудования (см. далее) в единую систему для распределённой обработки данных.

Компьютерные сети могут классифицироваться по разным критериям. Например, по территориальному признаку , т.е. по масштабу охвата территории, сети делят на локальные (LAN – Local Area NetWork), региональные (MAN – Metropolia Area NetWork) и глобальные (WAN – Wide Area NetWork):

- локальные сети, как правило, размещаются в одном здании или на территории одного предприятия (примером локальной сети является локальная сеть в учебном классе);

- региональные сети объединяют несколько предприятий или город (примером сетей такого типа является сеть кабельного телевидения);

- глобальные сети охватывают значительную территорию, часто целую страну или континент, и представляют собой объединение сетей меньшего размера (примером глобальной сети является сеть Интернет).

Информация в сети передаётся по каналам связи, которые могут быть:

кабельными каналами (телефонный кабель, витая пара, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель);

Для подключения к сети используется специальное оборудование - устройства сопряжения, предназначенные для согласования сигналов внутреннего интерфейса ЭВМ с сигналами сети:

модемы (при подключении через телефонную сеть);

сетевые адаптеры (при подключении к одному каналу);

мультиплексоры (при подключении к нескольким каналам),

Компьютерные сети используются в следующих целях:

совместного использования ресурсов (данных, оборудования, программ);

обеспечения надёжного хранения данных (в разных местах);

для передачи данных между удалёнными друг от друга пользователями.

Взаимодействие в КС происходит по определенным правилам – протоколам , которые обеспечивают подключение к сети разнотипных ЭВМ с различными ОС.

Основные характеристики компьютерных сетей:

скорость передачи (Мбит/с);

достоверность передачи информации (ошибок/знак);

надёжность (среднее время безотказной работы в сетях).

Компьютеры сети могут быть серверами и клиентами (рабочими станциями).

Сервер – компьютер, обеспечивающий пользователей сети ресурсами (оборудованием, данными и программами, выполняющими задания пользователей). Серверы могут быть файловыми ( предназначены для хранения и обработки большого объема данных для всех пользователей), выделенными (на них устанавливается общая сетевая ОС и общие внешние устройства – принтеры, модемы, винчестеры т.п.), а также – одновременно файловыми и выделенными.

Клиент – компьютер, через который пользователь получает доступ к сети.

Компьютеры, объединенные в локальную сеть, физически могут располагаться различным образом. Однако порядок их подсоединения к сети определяется топологией – усредненной геометрической схемой соединений узлов сети.

Наиболее распространенными топологиями локальных сетей, в которых передающей средой является кабель, являются кольцо, шина, звезда (рисунки 14, 15 и 16).

Последовательная организация обслуживания узлов сети снижает ее быстродействие, а выход из строя одного из узлов может привести к нарушению функционирования кольца (при отсутствии дополнительного контура).

Рисунок 14 - Топология кольцо

Рисунок 15 - Топология шина

Данная топология значительно упрощает взаимодействие узлов сети друг с другом, но в то же время работоспособность локальной вычислительной сети зависит от надежности работы центрального узла.

Рисунок 16 - Топология звезда

При построении реальных вычислительных сетей используются эти топологии, а так же их сочетания.

Сеть Интернет

Сеть Интернет – глобальная компьютерная сеть, точнее - сообщество сетей. В состав его на добровольной основе входят различные региональные и локальные сети. У этого сообщества нет единого центра управления.

Протоколы Интернета можно разделить на два типа:

протокол TCP - используется для управления передачей данных (регулировка, синхронизация, организация их в виде пакетов);

прикладные (обеспечивают функционирование служб сети Интернет – протоколы высокого уровня):

протокол FTP – используется для передачи файлов ;

протокол SMTP – используется для передачи электронной почты .

Каждому компьютеру, подключенному к сети Интернет (даже временно), присваивается числовой адрес , называемый IP -адресом . IP -адрес содержит информацию, необходимую для идентификации узла в сети. Он состоит из четырех чисел, разделенных точками.

IP -адрес трудно запоминаем пользователем, поэтому некоторые узлы в сети Интернет имеют символьные DNS -адреса ( Domain Name System – система доменных имен), например, www . site . net . В сети Интернет существуют специальные DNS -серверы, которые по DNS -адресу выдают его IP -адрес. DNS -адрес может иметь произвольную длину, образуется как символьный адрес в локальной сети и включает в себя несколько уровней доменов. Уровни доменов разделяются точками. Самый правый домен – домен верхнего уровня. Чем левее домен, тем ниже его уровень.

Для доступа к ресурсам расположенных в сети компьютеров используется унифицированный указатель ресурса – URL (Uniform Resource Locator). Адрес URL является сетевым расширением понятия полного имени ресурса, например, файла или приложения и пути к нему в ОС. В адресе URL, кроме имени файла и директории, где он находится, указывается сетевое имя компьютера, на котором этот ресурс расположен, и протокол доступа к ресурсу, который можно использовать для обращения к нему. Ресурсы предоставляются только для чтения и копирования.

Информация в сети передается небольшими порциями – пакетами ( группами байт фиксированной длины). Любой Клиент и любой Сервер умеют преобразовывать поток передаваемой информации в набор отдельных пакетов и "склеивать" полученные пакеты обратно в поток информации. Обычно размер пакетов в сети небольшой - от нескольких байт до нескольких килобайт.

Каждый пакет состоит из заголовка и информационной части. Заголовок - это аналог почтового конверта. В заголовке указывается, кому и от кого этот пакет передан - адрес отправителя пакета и адрес получателя, а также иная служебная информация, необходимая для успешной "склейки" пакетов получателем. В информационной части - собственно сама передаваемая информация. Адреса отправителя/получателя в заголовке пакета используется сетевым оборудованием для определения - куда какой пакет отправлять.

Применение пакетной передачи данных позволяет повысить надежность передачи информации и строить сеть таким образом, что маршруты доставки от одной точки сети до другой пакетов информации могут проходить по разным физическим каналам связи и, меняться в зависимости от их работоспособности или загрузки. Это значительно увеличивает "живучесть" сети в целом - даже если часть каналов связи будут неработоспособными, информация все равно может быть доставлена по другим работающим каналам.

Основные популярные сервисы сети Интернет:

почтовая служба ( e-mail );

информационный сервис ( www );

служба передачи файлов ( ftp ).

E - mail предназначена для обмена электронными письмами между пользователями. Она построена по принципу клиент-серверной архитектуры (пользователь работает с клиентской программой, которая взаимодействует с сервером почтового сервиса – mail . ru , gmail . com , yandex . ru , rambler . ru и т.п.). Зарегистрировавшись на сервере, пользователь получает адрес, который имеет следующий формат - <логин пользователя>@<имя почтового домена>. Используется в почтовой службе SMTP -протокол ( Simple Mail Transfer Protocol – протокол пересылки почты).

WWW -сервис является основной информационной службой Интернета, которая охватывает всю глобальную сеть (« world - wide - web » - «всемирная паутина» ). Информация в сети представляется в виде гипертекстовых документов (созданных с помощью языка HTML ) - web -страниц . Располагаются эти документы на специальных web -серверах .

Совокупность web -страниц, объединённых общей тематикой и связанных гиперссылками, - web -сайт .

Сайт, содержащий самостоятельно обновляемую пользователем информацию личного характера – блог .

Сайт, на котором можно общаться (и не только в реальном времени) по определённой тематике – форум .

Средство общения в реальном времени – чат .

FTP -сервис используется для удобной передачи файлов большого размера (программ, изображений, видеофайлов). Хранятся такие файлы на специальных ftp -серверах, для доступа к которым используются специальные программы, пересылающие файлы по ftp -протоколу ( file transfer protocol – протокол передачи файлов).

В связи с кризисом классической структуры ЭВМ дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и (или) ЭВМ. Здесь появляются огромные возможности совершенствования средств вычислительной техники. Но следует отметить, что при несомненных практических достижениях в области параллельных вычислений, до настоящего времени отсутствует их единая теоретическая база.

Термин вычислительная система появился в начале - середине 60-х гг. при появлении ЭВМ III поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу - интегральные схемы. Следствием этого явилось появление новых технических решений: разделение процессов обработки информации и ее ввода-вывода, множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Появились сложные режимы работы ЭВМ - многопользовательская и многопрограммная обработка.

Под вычислительной системой (ВС) понимают совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации.

Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет операционная система ВС.

Классификация вычислительных систем

Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы.

универсальные
специализированные.

многомашинные
многопроцессорные

процессоров;
оперативной памяти;
каналов связи.

Взаимодействие на уровне оперативной памяти (ОП) сводится к программной реализации общего поля оперативной памяти, что несколько проще, но также требует существенной модификации ОС. Под общим полем имеется в виду равнодоступность модулей памяти: все модули памяти доступны всем процессорам и каналам связи.

На уровне каналов связи взаимодействие организуется наиболее просто и может быть достигнуто внешними по отношению к ОС программами-драйверами, обеспечивающими доступ от каналов связи одной машины к внешним устройствам других (формируется общее поле внешней памяти и общий доступ к устройствам ввода-вывода).

Все вышесказанное иллюстрируется схемой взаимодействия компьютеров в двухмашинной ВС, представленной на рис. 1.

Рис. 1. Схема взаимодействия компьютеров в двухмашинной ВС

Ввиду сложности организации информационного взаимодействия на 1-м и 2-м уровнях в большинстве многомашинных ВС используется 3-й уровень, хотя и динамические характеристики (в первую очередь быстродействие), и показатели надежности таких систем существенно ниже.

Многопроцессорные системы (МПС) содержат несколько процессоров, информационно взаимодействующих между собой либо на уровне регистров процессорной памяти, либо на уровне ОП. Этот тип взаимодействия используется в большинстве случаев, ибо организуется значительно проще и сводится к созданию общего поля оперативной памяти для всех процессоров. Общий доступ к внешней памяти и устройствам ввода-вывода обеспечивается обычно через каналы ОП. Важным является и то, что многопроцессорная вычислительная система работает под управлением единой ОС, общей для всех процессоров. Это существенно улучшает динамические характеристики ВС, но требует наличия специальной, весьма сложной ОС.

Однако МПС имеют и существенные недостатки. Они, в первую очередь, связаны с использованием ресурсов общей оперативной памяти. При большом количестве объединяемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, в которых несколько процессоров обращаются с операциями типа ”чтение” и ”запись” к одним и тем же ячейкам памяти. Помимо процессоров к ОП подключаются все процессоры ввода-вывода, средства измерения времени и т.д. Поэтому вторым серьезным недостатком МПС является проблема коммутации и доступа абонентов к ОП. Процедуры взаимодействия очень сильно усложняют структуру ОС МПС. Опыт построения подобных систем показал, что они эффективны при небольшом числе объединяемых процессоров (от 2 до 10). Схема взаимодействия процессоров в ВС показана на схеме рис. 2. Типичным примером массовых многомашинных ВС могут служить компьютерные сети, примером многопроцессорных ВС — суперкомпьютеры.

Рис. 2. Схема взаимодействия процессоров в ВС

однородные системы
неоднородные системы.

Неоднородная ВС включает в свой состав различные типы компьютеров или процессоров. При построении системы приходится учитывать их различные технические и функциональные характеристики, что существенно усложняет создание и обслуживание неоднородных систем.

централизованные
децентрализованные
со смешанным управлением.

В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет известную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и, в частности, сетей ЭВМ, интерес к децентрализованным системам постоянно растет.

В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса, исходя из сложившейся ситуации.

По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций. В зависимости от типа ВС следует решать задачи статического или динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования.

территориально-сосредоточенные –это когда все компоненты располагаются в непосредственной близости друг от друга;
распределенные –это когда компоненты могут располагаться на значительном расстоянии, например, вычислительные сети;
структурно-одноуровневые –это когда имеется лишь один общий уровень обработки данных;
многоуровневые(иерархические) структуры –это когда в иерархических ВС машины или процессоры распределены по разным уровням обработки информации, некоторые машины (процессоры) могут специализироваться на выполнении определенных функций.

На рис. 3 представлена принципиальная схема классификации вычислительных систем.

Рис. 3. Принципиальная схема классификации вычислительных систем.

Суперкомпьютеры и особенности их архитектуры

К суперкомпьютерам относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов — десятки миллиардов операций в секунду. Создать такие высокопроизводительные компьютеры на одном микропроцессоре (МП) не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленного конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/с), т.к. время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 млрд операций/с становится соизмеримым со временем выполнения одной операции. Поэтому суперкомпьютеры создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).

Магистральные (конвейерные) МПВС, у которых процессор одновременно выполняет разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных. По принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или MISD — Multiple Instruction Single Data).
Векторные МПВС, у которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными — однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD — Single Instruction Multiple Data).
Матричные МПВС, у которых микропроцессор одновременно выполняет разные операции над последовательными потоками обрабатываемых данных —многократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД или MIMD — Multiple Instruction Multiple Data).

структура MIMD в классическом ее варианте;
параллельно-конвейерная модификация, иначе MMISD, то есть многопроцессорная (Multiple) MISD-архитектура;
параллельно-векторная модификация, иначе MSIMD, то есть многопроцессорная SIMD-архитектура.

Рис. 3. Условные структуры однопроцессорной (SISD) и названных многопроцессорных ВС

Кластерные суперкомпьютеры и особенности их архитектуры

Существует технология построения больших компьютеров и суперкомпьютеров на базе кластерных решений. По мнению многих специалистов, на смену отдельным, независимым суперкомпьютерам должны прийти группы высокопроизводительных серверов, объединяемых в кластер.

Кластер - это связанный набор полноценных компьютеров, используемый в качестве единого вычислительного ресурса.

Удобство построения кластерных ВС заключается в том, что можно гибко регулировать необходимую производительность системы, подключая к кластеру с помощью специальных аппаратных и программных интерфейсов обычные серийные серверы до тех пор, пока не будет получен суперкомпьютер требуемой мощности. Кластеризация позволяет манипулировать группой серверов как одной системой, упрощая управление и повышая надежность.

Важной особенностью кластеров является обеспечение доступа любого сервера к любому блоку как оперативной, так и дисковой памяти. Эта проблема успешно решается, например, объединением систем SMP-архитектуры на базе автономных серверов для организации общего поля оперативной памяти и использованием дисковых систем RAID для памяти внешней (SMP — Shared Memory multiprocessing, технология мультипроцессирования с разделением памяти).

Для создания кластеров обычно используются либо простые однопроцессорные персональные компьютеры, либо двух- или четырех- процессорные SMP-серверы. При этом не накладывается никаких ограничений на состав и архитектуру узлов. Каждый из узлов может функционировать под управлением своей собственной операционной системы. Чаще всего используются стандартные ОС: Linux, FreeBSD, Solaris, Unix, Windows NT. В тех случаях, когда узлы кластера неоднородны, то говорят о гетерогенных кластерах.

Первый подход применяется при создании небольших кластерных систем. В кластер объединяются полнофункциональные компьютеры, которые продолжают работать и как самостоятельные единицы, например, компьютеры учебного класса или рабочие станции лаборатории.
Второй подход применяется в тех случаях, когда целенаправленно создается мощный вычислительный ресурс. Тогда системные блоки компьютеров компактно размещаются в специальных стойках, а для управления системой и для запуска задач выделяется один или несколько полнофункциональных компьютеров, называемых хост-компьютерами. В этом случае нет необходимости снабжать компьютеры вычислительных узлов графическими картами, мониторами, дисковыми накопителями и другим периферийным оборудованием, что значительно удешевляет стоимость системы.

высокая суммарная производительность;
высокая надежность работы системы;
наилучшее соотношение производительность/стоимость;
возможность динамического перераспределения нагрузок между серверами;
легкая масштабируемость, то есть наращивание вычислительной мощности путем подключения дополнительных серверов;
удобство управления и контроля работы системы.

задержки разработки и принятия общих стандартов;
большая доля нестандартных и закрытых разработок различных фирм, затрудняющих их совместное использование;
трудности управления одновременным доступом к файлам;
сложности с управлением конфигурацией, настройкой, развертыванием, оповещениями серверов о сбоях и т.п.

1 пример из «жизни» систем

память: T2-P: PC1600/PC2100/PC2700/PC3200, до 2Гб, 2 DIMM слота
память: T2-R: PC1600/PC2100/PC2700, до 2Гб, 2 DIMM слота;
материнская плата: P4P8T, Intel 865G / ICH 5, 800/533/400МГц FSB
материнская плата: P4R8T, ATI RS300/IXP200, 800/533/400MГц FSB;
видео: интегрированная 64Mб
ATI Radeon 9100, DVI, 64Mб;
слоты: одинаковы для обеих систем: PCI, AGP 8x;
сеть: 10/100Mбит/с, Wireless 802.11b WiFi
сеть: 10/100Мбит/с;
аудио: 6-канальный AC97 S/PDIF выход кнопки Audio DJ, Audio CD, FM radio studio
аудио: 6-канальный AC97 S/PDIF выход;
карты памяти: Compact Flash Type I/II, Microdrive, Memory Stick, Memory Stick Pro, Secure Digital, MultiMedia Card, Smart Media Card
карты памяти: нет;
отсеки для приводов: 3.5 FDD, 3.5 HDD, 5.25 ODD
отсеки для приводов: 3.5 FDD, 3.5 HDD, 5.25 ODD;
выходы на задней панели: 4xUSB 2.0, PS/2 клавиатура, PS/2 мышь, VGA (D-SUB), Game / MIDI, RJ-45 LAN (10/100 Мбит/с), Line-in/out, выход динамиков, FM антенна, антенна адаптера 802.11b, GIGA LAN, ТВ-тюнер
выходы на задней панели: 2xUSB 2.0, PS/2 клавиатура, PS/2 мышь, VGA (D-SUB), Game / MIDI, RJ-45 LAN(10/100 Мбит/с), Line-in/out, выход наушников, FM антенна

Blue Gene будет установлен в Ливерморскую национальную лабораторию им. Лоуренса. Основные его задачи - моделирование погодных условий и изучение космического пространства.

Blue Gene будет состоять из 130 тысяч процессоров, и его производительность будет составлять 360 терафлопс.

Чипы IBM используются в системе, неформально называемой Big Mac. PowerPC 970 состоит из 1100 двухпроцессорных компьютеров Apple G5, занимая в общем списке третью строчку, с производительностью в 10,3 триллионов операций в секунду.

Процессоры Opteron используются в 2816-процессорном кластере, и его производительность составляет 8 триллионов операций в секунду.

Интересен факт, что общая производительность 500 лучших систем растет экспоненциально, увеличиваясь в десять раз примерно каждые четыре года. Порог в 1000 терафлопов (триллионов операций в секунду) планируется достигнуть к 2005 году.

Самые прочные позиции в списке у HP или IBM: соотношение числа систем - 165 против 159 в пользу HP

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации — это средства для оказания разнообразных информационных и вычислительных услуг организациям и частным лицам.

Основные термины и понятия

Электронная система – это любые электронные устройства, которые выполняют обработку информационных данных.
Задача– это комплекс функций, которые должна исполнить электронная система.
Быстродействие– это скоростные характеристики осуществления электронной системой её задач.
Гибкость – это возможность системы перестраиваться для работы с разными задачами.
Избыточность – это уровень соотношения сложности поставленной задачи и возможностей системы.
Интерфейс – это правила обмена информационными данными, которые подразумевают электронную, структурную и логическую возможность обмена между различными блоками, принимающими участие в таком обмене.

Рисунок 1. Блок-схема электронной вычислительной системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Вычислительные системы могут выполнены как программируемые или с жёсткой логической структурой. Системы с «жёсткой логикой» отличаются тем, что в них принципы работы и сохранения данных напрямую связаны с её схемной реализацией. То есть все системы, сделанные на основе «жёсткой логики», в любом случае являются специализированными, рассчитанными на узкий проблемный класс решаемых задач.

Готовые работы на аналогичную тему

Под программируемой или универсальной системой понимается вычислительная система, способная к адаптации под любой класс задач. Она может перенастраиваться на различные алгоритмы функционирования без изменения аппаратного обеспечения. Выбор другого алгоритма работы выполняется заданием системе новой информации для управления. Главным достоинством таких систем считается возможность изменения типа решаемых задач без схемотехнических модификаций системы.

Процессор

Основой всех вычислительных систем считается процессор, то есть модуль, выполняющий обработку информационных данных в вычислительной системе. Процессор является заменителем почти всей жёсткой логики, которая потребовалась бы в этом случае. Основные функции процессора следующие:

Выполнение арифметических операций.
Выполнение логических операций.
Операции временного сохранения кодов команд.
Обмен данными среди модулей микропроцессорной системы.

Другие модули вычислительных систем служат для осуществления вспомогательных операций:

Сохранение информационных данных, включая управляющую программу.
Обеспечение обмена данными с внешними модулями.
Обеспечение связи с пользователями.

Следует помнить, что процессорный модуль осуществляет весь набор действий поочерёдно, то есть исполняет последовательно весь прописанный набор команд. Это и хорошо, и плохо, так как последовательное выполнение команд приводит к прямой зависимости времени выполнения алгоритма от его объёма и уровня сложности.

Команда, которая осуществляется в данный момент времени, задаётся управляющей программой. Программа является комплексом инструкций, которые составил программист. Под командой понимается кодовый набор двоичных цифр, который процессор расшифровывает и понимает, что он должен исполнить. Разные команды имеют разное время исполнения и это означает, что интервал времени, требуемый для выполнения всей программы, зависит как от числа команд, так и от типа этих команд в программе. Весь набор команд, которые способен исполнить процессор, является системой команд процессора. Система команд процессора может состоять из набора от нескольких десятков до сотен команд.

Структурная организация вычислительной системы

Типовой вариант структуры вычислительной системы состоит из следующих модулей:

Процессорный модуль.
Модули памяти, которые включают оперативную и постоянную память.
Модули ввода и вывода, которые служат для обмена информацией с внешними модулями.

Весь набор модулей вычислительной системы объединён общей шиной или иначе каналом, или системной магистралью. Ниже приведена общая структура вычислительной системы:

Рисунок 2. Общая структура вычислительной системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Системная магистраль состоит из четырёх шин более низкого уровня:

Адресной шины
Шины данных.
Управляющей шины
Питающей шины.

Режимы работы вычислительной системы

Гибкость работы вычислительной системы обеспечивается тем, что все операции определяются программным обеспечением. Помимо этого, гибкость в работе даёт настройка режима информационного обмена по системной шине. Почти все вычислительные системы могут работать в трёх режимах информационного обмена по системной шине:

Режим программного обмена данными.
Режим обмена по прерываниям программы.
Режим обмена по прямому доступу к памяти.

Многомашинные вычислительные комплексы

Чтобы реализовать распределённую обработку данных, были разработаны многомашинные структуры вычислительных систем, действующие по следующим направлениям:

Многомашинные вычислительные комплексы являются группой ЭВМ, которые связаны специальными коммуникационными средствами. Такие комплексы могут делится на:

Локальные, когда все компьютеры находятся в одном помещении.
Дистанционные, когда компьютеры могут находиться на большом расстоянии от головной ЭВМ и для коммуникации применяются каналы связи по телефонным линиям.

Полноформатная вычислительная сеть, которая объединяет большое число компьютерных терминалов и другого оборудования, объединённых коммуникационными линиями связи.

Проблема высокопроизводительных вычислительных систем (High Performance Computing) относится к числу наиболее сложных научно-технических задач. Решение этой проблемы развивалось в нескольких направлениях – повышении мощности и быстродействия обычных компьютерных систем, создании специализированных суперкомпьютеров, формировании многокомпьютерных (кластерных) систем, применении GRI D-технологий, разработке методов параллельного программирования. Следует отметить, что успехи в развитии кластерных систем во многом обязаны интернет-технологиям [1].

Суперкомпьютеры и кластерные вычислительные системы

Рис. 5.1. Сrау-2 – самый быстрый компьютер 90-х гг. XX в.

Типичный суперкомпьютер включает скалярный процессор целочисленной арифметики, функциональные блоки сложения и умножения чисел с плавающей точкой, векторный процессор и общую память. Это компьютеры, построенные по технологии "разделяемая память – один поток управления – много потоков данных" ("Shared Memory – Single Instruction – Multi Data").

Конец 1980-х и начало 1990-х гг. охарактеризовались сменой магистрального направления развития суперкомпьютеров – от векторно-конвейерной обработки данных к большому и сверхбольшому числу параллельно соединенных скалярных процессоров. Использование серийных микропроцессоров позволило не только гибко менять мощность установки в зависимости от потребностей и возможностей, но и значительно удешевить производство. Примерами суперкомпьютеров этого класса могут служить Intel Paragon, IBM SP, Cray T3D/T3E и ряд других.

В ноябре 2002 г. фирма Cray Inc. анонсировала Cray X1 с характеристиками 52,4 Тфлопс и 65,5 Тб оперативно

Петафлопсный рубеж (тысяча триллионов операций с плавающей запятой в секунду) компания Cray Inc. обещает преодолеть к концу десятилетия. Схожие сроки сулят и японцы. В Токио в рамках соответствующего проекта GRAPE [grape.astron.s.u-tokyo.ac.jp/grape/] готовится модель GRAPE-6. Она объединяет 12 кластеров и 2048 процессоров и показывает производительность 2889 Тфлопс (с потенциальными возможностями 64 Тфлопс). В перспективе в GRAPE-решение будет включено 20 тыс. процессоров, а обойдется оно всего в 10 млн долл.

Однако следует отметить, что эти уникальные решения с рекордными характеристиками обычно недешевы, поэтому их нельзя пустить в массовое производство и широко использовать в бизнесе. Прогресс в области сетевых технологий сделал свое дело – появились недорогие, но эффективные решения, основанные на коммуникационных технологиях. Это и предопределило появление кластерных вычислительных систем, фактически являющихся одним из направлений развития компьютеров с массовым параллелизмом вычислительного процесса (Massively Parallel Processing – МРР).

Рис. 5.2. Структурная схема суперкомпьютера МВС-15 000

Вычислительный кластер – это совокупность компьютеров, объединенных в рамках некоторой сети для решения крупной вычислительной задачи. В качестве узлов обычно используются доступные однопроцессорные компьютеры, двух- или четырехпроцессорные SMP-серверы (Symmetric Multi Processor). Каждый узел работает под управлением своей копии операционной системы, в качестве которой чаще всего используются стандартные операционные системы: Linux, NT, Solaris и т.п. С учетом полярных точек зрения кластером можно считать как пару персональных компьютеров, связанных локальной 10-мегабитной сетью Ethernet, так и обширную вычислительную систему, создаваемую в рамках крупного проекта. Такой проект объединяет тысячи рабочих станций на базе процессоров Alpha, связанных высокоскоростной сетью Myrinet, которая используется для поддержки параллельных приложений, а также сетями Gigabit Ethernet и Fast Ethernet для управляющих и служебных целей [6].

Состав и вычислительная мощность узлов может меняться даже в рамках одного кластера, давая возможность создавать обширные гетерогенные (неоднородные) системы с задаваемой вычислительной мощностью. Выбор конкретной коммуникационной среды определяется многими факторами: особенностями класса решаемых задач, финансированием, необходимостью последующего расширения кластера и т.п. Возможно включение в конфигурацию специализированных компьютеров, например файл-сервера, и, как правило, предоставлена возможность удаленного доступа к кластеру через Интернет. Среди наиболее известных поставщиков готовых кластерных решений стоит отметить компании SGI, VALinux и Seal i Computer. Ведущими компаниями, обеспечивающими вычислительную инфраструктуру кластеров, стали крупные производители компьютерного оборудования и программного обеспечения – Dell, Intel и Microsoft.

Технологии суперкомпьютеров и кластеров первоначально "выросли" в основном из научных потребностей – для решения фундаментальных и прикладных задач физики, механики, астрономии, метеорологии, сопротивления материалов и т.д., где требовались огромные вычислительные мощности. А в каких рыночных нишах будет востребована подобная производительность? Прежде всего при проектировании сложных управляемых систем (подводных лодок, самолетов, ракет, космических станций), создании синтетических лекарств с заданными свойствами, в генной инженерии, при моделировании погодных явлений и природных катаклизмов, для повышения эффективности и надежности атомных электростанций, прогнозирования макроэкономических эффектов и т.д.

Читайте также: