Классификация вычислительных систем.

Одним из наиболее распространенных способов классификации ЭВМ является систематика Флинна (Flynn), в рамках которой основное внимание при анализе архитектуры вычислительных систем уделяется способам взаимодействия последовательностей (потоков) выполняемых команд и обрабатываемых данных. В результате такого подхода различают следующие основные типы систем:

· SISD (Single Instruction, Single Data) – системы, в которых существует одиночный поток команд и одиночный поток данных; к данному типу систем можно отнести обычные последовательные ЭВМ;

· SIMD (Single Instruction, Multiple Data) – системы c одиночным потоком команд и множественным потоком данных; подобный класс составляют многопроцессорные вычислительные системы, в которых в каждый момент времени может выполняться одна и та же команда для обработки нескольких информационных элементов;

· MISD (Multiple Instruction, Single Data) – системы, в которых существует множественный поток команд и одиночный поток данных; относительно данного типа систем нет единого мнения – ряд специалистов говорят, что примеров конкретных ЭВМ, соответствующих данному типу вычислительных систем, не существует, и введение подобного класса предпринимается для полноты системы классификации; другие же относят к данному типу, например, систолические вычислительные системы или системы с конвейерной обработкой данных;

· MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data) – системы c множественным потоком команд и множественным потоком данных; к подобному классу систем относится большинство параллельных многопроцессорных вычислительных систем.

Хотя систематика Флинна широко используется при конкретизации типов компьютерных систем она приводит к тому, что практически все виды параллельных систем (несмотря на их существенную разнородность) относятся к одной группе MIMD. Как результат, многими исследователями предпринимались неоднократные попытки детализации систематики Флинна. Так, например, для класса MIMD предложена практически общепризнанная структурная схема, в которой дальнейшее разделение типов многопроцессорных систем основывается на используемых способах организации оперативной памяти в этих системах.

Данный подход позволяет различать два важных типа многопроцессорных систем – multiprocessors (мультипроцессоры или системы с общей разделяемой памятью) и multicomputers (мультикомпьютеры или системы с распределенной памятью).

Мультипроцессоры

Для систематики мультипроцессоров учитывается способ построения общей памяти. Возможный подход – использование единой (централизованной) общей памяти– см. рис. 1. Такой подход обеспечивает однородный доступ к памяти и служит основой для построения векторных параллельных процессоров и симметричных мультипроцессоров.

Рис.1 Архитектура многопроцессорных систем с общей (разделяемой) памятью: системы (а) с однородной и (б) неоднородным доступом к системе.

Одной из основных проблем, возникающих при организации параллельных вычислений на таких системах системах, является доступ с разных процессоров к общим данным и обеспечение, в этой связи, однозначности (когерентности) содержимого разных кэшей. При наличии общих данных копии значений одних и тех же переменных могут оказаться в кэшах разных процессоров. Если при наличии копий общих данных один из процессоров выполнит изменение значения разделяемой переменной, то значения копий в кэшах других процессорах окажутся не соответствующими действительности и их использование приведет к некорректности вычислений.

Использование распределенной общей памяти (distributed shared memory or DSM) упрощает проблемы создания мультипроцессоров, но возникающие при этом проблемы эффективного использования распределенной памяти (время доступа к локальной и удаленной памяти может различаться на несколько порядков) приводят к существенному повышению сложности параллельного программирования.

Мультикомпьютеры

Мультикомпьютеры (многопроцессорные системы с распределенной памятью) уже не обеспечивают общий доступ ко всей имеющейся в системах памяти – см. рис.2. При всей схожести подобной архитектуры с системами с распределенной общей памятью (рис. 1,б), мультикомпьютеры имеют принципиальное отличие – каждый процессор системы может использовать только свою локальную память, в то время как для доступа к данным, располагаемых на других процессорах, необходимо выполнить операции передачи сообщений. Данный подход используется при построении двух важных типов многопроцессорных вычислительных систем - массивно-параллельных систем и кластеров.

Следует отметить чрезвычайно быстрое развитие многопроцессорных вычислительных систем кластерного типа. Под кластером обычно понимается множество отдельных компьютеров, объединенных в сеть, для которых при помощи специальных аппаратно-программных средств обеспечивается возможность унифицированного управления (single system image), надежного функционирования (availability) и эффективного использования (performance). Кластеры могут быть образованы на базе уже существующих у потребителей отдельных компьютеров, либо же сконструированы из типовых компьютерных элементов, что обычно не требует значительных финансовых затрат. Применение кластеров может также в некоторой степени снизить проблемы, связанные с разработкой параллельных алгоритмов и программ, поскольку повышение вычислительной мощности отдельных процессоров позволяет строить кластеры из сравнительно небольшого количества (несколько десятков) отдельных компьютеров. Это приводит к тому, что для параллельного выполнения в алгоритмах решения вычислительных задач достаточно выделять только крупные независимые части расчетов.