Новосибирский государственный университет

Факультет информационных технологий

Словарь терминов в коллекции "Вычислительные системы"

МВС

Вычислительные системы семейства МВС (МВС-100 и МВС-1000) созданы Научно-исследовательским институтом «Квант» (Москва) в содружестве с институтами РАН. Руководителем работ являлся В.К. Левин (1929; академик РАН с 2002 г.). Системы МВС вобрали в себя отечественные и зарубежные достижения в области архитектуры ВС и производства микропроцессорных БИС.

Современная элементная база индустрии обработки информации - это большие интегральные схемы, среди которых выделяются: микропроцессоры и микросхемы памяти (статические и динамические). В 1980-х и 1990-х годах электронная промышленность освоила производство высокопроизводительных микропроцессоров и микросхем памяти большой емкостью. Особенностью рынка БИС в те годы было огромное разнообразие универсальных микропроцессоров, а также сигнальных и медийных микропроцессоров.Заметной вехой в вычислительной индустрии стала одна из разработок фирмы Inmos (Великобритания), именно - транспьютер (Transputer). Под транспьютером понимается микропроцессор с собственной внутренней памятью и коммуникационными каналами (линками) для соединения с другими транспьютерами. Первый транспьютер - Т414 - был разработан фирмой Inmos в 1983 г.; он выпускался серийно с 1983 г. и имел следующие технические характеристики: разрядность - 32 двоичных разряда; тактовая частота - 20 МГц; быстродействие - 10 MIPS; объем внутренней памяти - 2 К байт; число линков - 4; скорость передачи информации по линку - 5, 10, 20 Мбит/с.
Транспьютер являлся простейшим вариантом ЭМ; он служил для реализации не только вычислительных, но и коммуникационных функций. В 1980-х годах транспьютер был эффективным функционально-конструктивным элементом для построения ВС с массовым параллелизмом. Однако в 1990-х годах транспьютер использовался лишь только в качестве коммуникационного элемента для построения ВС.

Среди универсальных высокопроизводительных микропроцессоров перспективными для построения ВС были семейства:

i 860 компании Intel;
PowerPC альянса компаний IBM, Apple и Motorola;
Alpha корпораций DEC и Compaq.

Для микропроцессоров названных семейств диапазон производительности (с точностью до порядков) составляет от 100 MFLOPS до 10 GFLOPS.

В середине 1990-х годов промышленность стала выпускать сигнальные и медийные микропроцессоры, которые наряду с большими вычислительными возможностями обладали развитыми коммуникационными средствами. Примером служит семейство TMS 320С4х компании Texas Instruments, микропроцессоры которого обеспечивают от четырех до шести коммуникационных портов с пропускной способностью каждого в несколько десятков Мбайт в секунду.
Таким образом, в начале 1990-х годов элементная база ВТ (универсальные и коммуникационные микропроцессоры) была достаточно развита и позволяла приступить к созданию MIMD-систем с производительностью 10⁹...10¹² FLOPS.
Научно-исследовательский институт «Квант» (Москва) Министерства радиопромышленности Советского Союза был одним из наиболее мощных отечественных коллективов по проектированию ВС с массовым параллелизмом. Институт, пройдя путь от специализированных ЭВМ и ВС с архитектурой SIMD, в те же годы приступил к созданию ВС с MIMD-архитектурой. В указанные годы к средствам обработки информации стали предъявляться требования по производительности, надежности и живучести, которые никак не могли быть удовлетворены концепцией ЭВМ фон Неймана и SIMD-архитектурой. Именно к этому времени активизировалось сотрудничество НИИ «Квант» с несколькими научными группами Сибирского отделения АН СССР; особенно плодотворным и многолетним оно было с Отделом вычислительных систем СО РАН.

Семейство МВС (многопроцессорных вычислительных систем) - это, по сути, промышленное расширение ряда: МИКРОС-1 , МИКРОС-2 , МИКРОС-Т . Данное семейство имеет несколько генераций, среди которых: МВС-100 (1992-1996), МВС-1000 (1997-2000) и МВС-15000ВМ (2003-2005).

Архитектура систем семейства МВС:

MIMD-архитектура;
распределенность средств управления, обработки и памяти;
массовый параллелизм при обработке информации;
программируемость структуры сети межмашинных связей;
масштабируемость, модульность и однородность.

Функциональная структура систем семейства МВС

Генерации МВС-100 и МВС-1000 имеют одну и ту же функциональную структуру элементарных машин (ЭМ) - структуру ЭМ системы МИКРОС-Т . Однако технические реализации ЭМ для МВС-100 и МВС-1000 различны - каждая из ЭМ комплектуется из микропроцессоров, соответствующих времени разработки систем.

коммуникационных процессоров - транспьютеры Inmos Т425 или Т805;
вычислительных процессоров - i860 (i80 360XR и i80860XP) или микропроцессор PowerPC (PowerPC 601 и PowerPC 503).

быстродействие - порядка 10² MFLOPS;
емкость главной памяти (ГОП) - 8...32 Мбайт;
емкость коммуникационной памяти (КОП) - 2...8 Мбайт;
пропускную способность канала межмашинной связи (одного из четырех линков) - 2 Мбайт/с.

коммуникационный процессор - либо транспьютероподобный микропроцессор TMS 320С44, имеющий четыре линка с пропускной способностью каждого 20 Мбайт/с, либо связной микропроцессор SHARC ADSP 21060 фирмы Analog Devices, имеющий шесть линков с пропускной способностью каждого 40 Мбайт/с;
вычислительный процессор - микропроцессор Alpha 21164.

быстродействие - 1...2 GFLOPS;
емкость ГОП - 0,1...2 Гбайт;
пропускная способность канала межмашинной связи (одного из четырех или шести линков) - 20 Мбайт/с или 40 Мбайт/с.

Структура сети межмашинных связей в ВС семейства МВС подобна двумерному тору (для 4-линковых ЭМ).
Структурный модуль ВС представляет собой «матрицу» из 4×4 связных ЭМ.

четыре линка угловых ЭМ матрицы - для организации двух диагональных связей;
оставшиеся четыре линка угловых машин - для подсоединения хост-компьютеров (Host - ведущая машина) и внешних устройств (ВУ) и для связи с ЭМ других модулей;
восемь линков - для соединений с пэдобными структурными модулями.

Максимальная длина пути между ЭМ (диаметр) в структурном модуле равна 3. Следует отметить, что этот параметр в гиперкубической структуре из 16 ЭМ равен 4. Следовательно, рассматриваемый 16-машинный структурный модуль характеризуется меньшими задержками при передаче информации между ЭМ в сравнении с 4-мерным гиперкубом.
Конструктивным модулем ВС семейства МВС является базовый вычислительный блок (БВБ), содержащий два структурных модуля или 32 ЭМ. Диаметр структуры вычислительного блока равен 5, как в 32-вершинном гиперкубе. Свободные линки (максимально 16) вычислительных блоков используются для организации конфигураций ВС с числом ЭМ не менее 64.
Для формирования многомашинных конфигураций ВС могут быть использованы дополнительные коммуникационные процессоры (транспьютеры).
При этом в композиции из БВБ и коммуникационного процессора (КП) один из внешних линков БВБ отождествляется с одним линком КП. Следовательно, в композиции БВБ & КП появляется два дополнительных внешних линка (по сравнению с БВБ).

Конструкция и управление вычислительной системой семейства МВС

Для размещения элементарных машин ВС используются стандартные стойки размером 0,6×0,8×2,2 м³ Каждая стойка имеет блоки вторичного электропитания и вентиляции. Стойка рассчитана на 64 ЭМ и два БВБ. Каждый БВБ смонтирован на типовой многослойной плате. Вес стойки - 200 кг, потребляемая мощность - 4 кВт.
В многомашинных конфигурациях ВС используется несколько стоек. Так, для достижения производительности ВС порядка 1 TFLOPS требуется 512 ЭМ, следовательно, система должна быть размещена в восьми стойках.
Для обеспечения доступа к ВС извне, для управления множеством процессоров и внешними устройствами используется хост-компьютер. В качестве хост-компьютера могут служить рабочая станция AlphaStation с процессором Alpha или персональный компьютер с архитектурой IBM PC.

Программное обеспечение вычислительных систем семейства МВС

Операционная система выполняет функции по оптимальному использованию ресурсов ВС (коллектива ЭМ, средств ввода-вывода информации) и обеспечивает доступ пользователей. Операционные системы Digital Unix (Tru64 Unix) для AlphaStation и Linux для IBM PC устанавливаются в хост-компьютерах.
Средства программирования представлены языками и компиляторами FORTRAN 77 , С и С++ .
Коммуникационное ПО в ВС семейства МВС (генерации МВС-1000) строится на основе специализированной «транспортной службы» Router⁺. В частности, на базе Router⁺ реализована адаптированная к МВС-1000 библиотека интерфейса параллельного программирования MPI (Message Passing Interface). Аналогичные реализации допустимы для интерфейсов PVM, GNS, DVM, HPF и др. Функции Router⁺ доступны из пользовательских программ.
Для задач визуализации разработана специализированная библиотека GraphLib.
В вычислительных системах генерации МВС-1000 реализован многопользовательский режим и удаленный доступ через специальный промежуточный компьютер (Gateway). Для пользователей обеспечивается Unix-совместимая среда компиляции и запуска программ.

Области применения вычислительной системы семейства МВС

Вычислительные системы семейства МВС - масштабируемые, следовательно, спектр областей их применения достаточно широк. Для каждой прикладной области может быть выбрана адекватная по составу и техническим параметрам конфигурация ВС. Системы предназначены прежде всего для решения сложных задач.

задачи расчета аэродинамики летательных аппаратов, в том числе интерференции при групповом движении;
расчет трехмерных нестационарных течений вязкосжимаемого газа;
расчет течений с локальными тепловыми неоднородностями в потоке;
квантовая статистика поведения вещества при экстремальных условиях;
структурообразование биологических макромолекул;
моделирование динамики молекулярных и биомолекулярных систем;
дифференциальные игры, динамические задачи конфликтов управления;
механика деформируемых твердых тел (с учетом процессов разрушения).

Данный список охватывает области фактического применения ВС генераций МВС-100 и МВС-1000.
Вычислительные системы генерации МВС-1000 используются для оснащения суперкомпьютерных центров России. Одна из первых 96-машинных систем МВС-1000 с производительностью 200 GFLOPS была установлена в Москве в Межведомственном суперксмпьютерном центре (МСЦ). Центр был открыт 5 ноября 1999 г.
В соответствии с планами развития МСЦ в 2001 г. была установлена система МВС-1000М с 768 процессорами, имеющая производительность 1 TFLOPS.
Вычислительная система МВС-1000М по своей архитектуре и функциональной структуре принципиально отличается от МВС-1000. Система МВС-1000М - это кластер, компонуемый из 2-процессорных вычислительных узлов. Каждый узел представляет собой композицию из двух микропроцессоров Alpha 21264 с тактовой частотой 667 МГц, оперативной памяти емкостью 2 Гбайт и внешней памяти на жестком диске. Узлы связаны между собой коммуникационной сетью Myrinet и работают под управлением ОС RedHat Linux 6.2. В качестве управляющей сети в МВС-1000М используется Fast Ethernet. Имеется реализация интерфейса MPI-MPICH-GM.
Вычислительная система МВС-1000М собрана в 18 стойках; потребляемая мощность - 120 кВт; стоимость системы - 10 млн долл.
С 2006 г. в МСЦ эксплуатируется кластерная вычислительная система МВС-15000 ВМ, состоящая из 1148 процессоров и имеющая пиковую производительность 10,1 TFLOPS (производительность на тесте LINPACK составляет 6,646 TFLOPS).
В основу архитектуры и функциональной структуры системы МВС-15000 ВМ заложена платформа IBM PowerPC. Для формирования ВС использованы микропроцессоры PowerPC 970 с тактовой частотой 2,2 ГГц и межпроцессорная коммуникационная сеть Myrinet.
В списке самых мощных компьютеров мира (Тор500) вычислительная система МВС-15000 ВМ в 2006 г. (в 28-й редакции) занимала 99 позицию, а в 2007 г. (в 29-й редакции) переместилась на 187 место.

Ключевые термины, связанные с термином "мвс":

Вычислительные системы с программируемой структурой

Литература

Дополнительная:

Хорошевский В.Г. Архитектура вычислительных систем: Учеб. пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 520 с.

Ключевые термины: вычислительные системы с программируемой структурой;

|Список основных тем курса|

Федотова Ольга

НГУ
ФИТ НГУ
ИВТ СО РАН

© 2012-2024, Новосибирский государственный университет, Новосибирск
© 2004-2024, Институт вычислительных технологий СО РАН, Новосибирск
© 2004-2024, Федотов А.М.
Дата последней модификации: 02.12.2013