Журнал Наука и жизнь, 2000 № 05

Конвейерная обработка

Что необходимо для сложения двух вещественных чисел, представленных в форме с плавающей запятой? Целое множество мелких операций, таких, как сравнение порядков, выравнивание порядков, сложение мантисс, нормализация и т. п. Процессоры первых компьютеров выполняли все эти «микрооперации» для каждой пары слагаемых последовательно, одну за другой, до тех пор, пока не доходили до окончательного результата, и лишь после этого переходили к обработке следующей пары слагаемых.

Идея конвейерной обработки заключается в расчленении операции на отдельные этапы, или, как это принято называть, ступени конвейера. Каждая ступень, выполнив свою работу, передает результат следующей ступени, одновременно принимая новую порцию входных данных. Получается очевидный выигрыш в скорости обработки. В самом деле, предположим, что в операции сложения можно выделить пять микроопераций, каждая из которых выполняется за один такт работы компьютера. Если есть одно неделимое последовательное устройство сложения, то 100 пар аргументов оно обработает за 500 тактов. Если теперь каждую микрооперацию преобразовать в отдельную ступень конвейерного устройства, то на пятом такте на разной стадии обработки будут находиться первые пять пар аргументов, и далее конвейерное устройство будет выдавать результат очередного сложения каждый такт. Очевидно, что весь набор из ста пар слагаемых будет обработан за 104 единицы времени — ускорение по сравнению с последовательным устройством почти в пять раз (по числу ступеней конвейера).

Идеи параллельной обработки появились очень давно. Изначально они внедрялись в самых передовых, а потому единичных компьютерах своего времени. Затем после должной отработки технологии и удешевления производства они спускались в компьютеры среднего класса, и наконец сегодня все это в полном объеме воплощается в рабочих станциях и персональных компьютерах. Все современные микропроцессоры, будь то Pentium III или РА-8600, Е2К или Power2 SuperChip, используют тот или иной вид параллельной обработки.

Для того чтобы лишний раз убедиться, что все новое — это хорошо забытое старое, достаточно лишь нескольких примеров. Уже в 1961 году создается компьютер IBM STRETCH, имеющий две принципиально важные особенности: опережающий просмотр вперед для выборки команд (при котором одновременно с текущей считываются команды, выполняемые позднее) и расслоение памяти на два банка — реализация параллелизма при работе с памятью. В 1963 году в Манчестерском университете разработан компьютер ATLAS, использующий конвейерный принцип выполнения команд. Выполнение команд разбито на четыре стадии: выборка команды, вычисление адреса операнда, выборка операнда и выполнение операции. Это позволило уменьшить время выполнения команд в среднем с 6 до 1,6 микросекунды. В 1969 году Control Data Corporation выпускает компьютер CDC-7600 с восемью независимыми конвейерными функциональными устройствами.

CRAY SV1— векторно-конвейерный компьютер фирмы Тега Computer Company, использующий 8-конвейерные векторные многопоточные процессоры (MSP) производительностью 4,8 миллиарда операций в секунду. Процессоры объединяются в узлы, каждый из которых может содержать 6 MSP и 8 стандартных процессоров. Система содержит до 32 таких узлов.

А что же сейчас используют в мире? По каким направлениям идет развитие высокопроизводительной вычислительной техники? Таких направлений четыре.

Векторно-конвейерные компьютеры

Две главные особенности таких машин: наличие конвейерных функциональных устройств и набора векторных команд. В отличие от обычных команд векторные оперируют целыми массивами независимых данных, то есть команда вида А = В + С может означать сложение двух массивов, а не двух чисел. Характерный представитель данного направления — семейство векторно-конвейерных компьютеров CRAY, куда входят, например, CRAY EL, CRAY J90, CRAY T90 (в марте этого года американская компания TERA перекупила подразделение CRAY у компании Silicon Graphics, Inc.).

Массивно-параллельные компьютеры с распределенной памятью

Идея построения компьютеров этого класса тривиальна: серийные микропроцессоры соединяются с помощью сетевого оборудования — вот и все. Достоинств у такой архитектуры масса: если нужна высокая производительность, то можно добавить процессоры, а если ограничены финансы или заранее известна требуемая вычислительная мощность, то легко подобрать оптимальную конфигурацию. К этому же классу можно отнести и простые сети компьютеров, которые сегодня все чаще рассматриваются как дешевая альтернатива крайне дорогим суперкомпьютерам. (Правда, написать эффективную параллельную программу для таких сетей довольно сложно, а в некоторых случаях просто невозможно). К массивно-параллельным можно отнести компьютеры Intel Paragon, ASCI RED, IBM SP1, Parsytec, в какой-то степени IBM SP2 и CRAY T3D/T3E.

Параллельные компьютеры с общей памятью

Вся оперативная память в таких компьютерах разделяется несколькими одинаковыми процессорами, обращающимися к общей дисковой памяти. Проблем с обменом данными между процессорами и синхронизацией их работы практически не возникает. Вместе с тем главный недостаток такой архитектуры состоит в том, что по чисто техническим причинам число процессоров, имеющих доступ к общей памяти, нельзя сделать большим. В данное направление суперкомпьютеров входят многие современные SMP-компьютеры (Symmetric Multi Processing), например сервер НР9000 N-class или Sun Ultra Enterprise 5000.

Вычислительный кластер Московского государственного университета urn. М. В. Ломоносова — минимальная стоимость, суперкомпьютерная производительность. В настоящий момент это самая мощная вычислительная система, установленная в вузе России.

Кластерные компьютеры

Этот класс суперкомпьютеров, строго говоря, нельзя назвать самостоятельным, скорее, он представляет собой комбинации предыдущих трех. Из нескольких процессоров, традиционных или векторно-конвейерных, и общей для них памяти формируется вычислительный узел. Если мощности одного узла недостаточно, создается кластер из нескольких узлов, объединенных высокоскоростными каналами. По такому принципу построены CRAY SV1, HP Exemplar, Sun StarFire, NEC SX-5, последние модели IBM SP2 и другие. В настоящее время именно это направление считается наиболее перспективным.

Два раза в год составляется список пятисот самых мощных вычислительных установок мира (его можно посмотреть в Интернете по адресу http://parallel.ru/top500.html). Согласно последней редакции списка top500, вышедшей в ноябре прошлого года, первое место занимает массивно-параллельный компьютер Intel ASCI Red. На второй позиции стоит компьютер ASCI Blue-Pacific от IBM, объединяющий 5808 процессоров PowerPC 604e/332MHz. Оба эти суперкомпьютера созданы в рамках американской национальной программы Advanced Strategic Computing Initiative, аббревиатура которой и присутствует в названии. Производительность компьютера, стоящего на последнем, 500-м, месте в списке самых мощных, составляет 33,4 миллиарда операций в секунду.