Таратылған жадылы есептеу жүйелері

Таратылған жадылы есептеу жүйелерін құрастыру идеясы өте қарапайым. Есептеу тораптарының бірнешеуі алынып, олар бір-бірімен қандай да бір коммуникациялық ортада біріктіріледі. Мұндағы әрбір есептеу торабы бір немесе бірнеше процессорлардан және осы процессорларға бөлінген өзінің жеке жергілікті жадысынан тұрады. Әрбір процессордың тек өз торабының жергілікті желісіне ғана қолжетімді болуын ж адының таратылуы деп түсінеміз. Басқа тораптар жадыларындағы орналастырылған деректерге қатынас ұзағырақ орындалады және басқа күрделірек тәсілдермен жүзеге асырылады. Соңғы кездері тораптар ретінде өз сыртқы құрылғылары да болуы мүмкін толықфункционалды компьютерлер жиі пайдаланылуда. Коммуникациялық ортаға келетін болсақ, ол берілген есептеу жүйесі үшін арнайы жобалануы болмаса рыноктағы қолжетімді стандартты желі де болуы мүмкін.

Параллель компьютерлерді осылай ұйымдастыру схемасының артықшылықтары көп. Мысалы, сатып алушы өз қаражатының мөлшеріне және қандай есептеу қуатының қажеттілігіне байланысты компьютер конфигурациясын дәл таңдай алады. Басқа класқа кіретін компьютерлермен салыстырғанда таратылған жадылы жүйелерде баға/өнімділік қатынасы көп төмен. Және бастысы, мұндай схема жүйедегі процессорлар санын шексіз көбейтуге және жүйенің өнімділігін арттыруға мүмкіндік береді. Процессорлар санының көп болуы осы класқа жататын жүйелер үшін арнайы атауды анықтап берді десе де болады: ол массивті-параллель компьютерлер.

Осы тектес компьютерлер өткен ғасырдың 90-шы жылдарынан бастап кең тарала бастады. Олардың қатарына Intel Paragon, IBM SP1/SP2, Cray T3D/T3E және т.б. жатқызуға болады. Бұл компьютерлердің бір-бірінен айырмасы олардағы пайдаланылатын процессорлар және коммуникациялық ортаның ұйымдастырылуында. Intel Paragon компьютері, төртбұрышты екіөлшемді тордың(решетка) түйіндерінде орналасқан Intel i860 процессорларының негізінде тұрғызылған. IBM SP компьютерлерінің есептеу тораптарында, олардың даму барысына қарай Power PC, P2SC және POWER3 сияқты процессорлардың бірнеше түрі пайдаланылды. Олардың өзара қатынасы жоғары өнімді коммутаторлардың иерархиялық жүйесі арқылы жүреді, ал ол өз кезегінде әрбір тораптың кезкелген басқа тораптармен қатынасу мүмкіндігін береді. Cray T3D/T3E компьютерлері DEC Alpha процессорлары және үшөлшемді тор топологиясына негізделген.

Бұл параграфты біз қызықты да және қосымша ерекшеліктерге ие Cray T3D/T3E компьютерлерінің архитектурасын сипаттаудан бастаймыз. Cray T3D/T3E компьютерлері – бұл таратылған жадылы, максималды конфигурацияда 2000-нан аса процессорларды біріктіретін массивті-параллель компьютерлер. Осы класқа жататын кезкелген басқа компьютерлер сияқты олар негізгі екі компонентті қамтиды: тораптар және коммуникациялық орта. Компьютердің балық тораптары үш топқа бөлінеді. Пайдаланушы компьютерге қосылған кезде, ол басқарушы тораптарға келіп түседі. Бұл тораптар көппайдаланушы режимінде жұмыс істейді, осы тораптарда бірпроцессорлы бағдарламалар орындалады және командалық файлдар жұмыс істейді. Операциялық жүйенің тораптары пайдаланушыға тікелей қолжетімді емес. Бұл тораптар операциялық жүйенің көптеген жүйелік сервистік функцияларының орындалуын қамтамасыз етеді, дербес жағдайда файлдық жүйемен жұмыс істейді. Компьютердің есептеу тораптары монопольді режимде пайдаланушы бағларламаларын орындауға арналған. Бағдарламаны жүктеген сәтте оған талап етілген тораптар саны бөлінеді және ол тораптар бағдарлама жұмысы аяқталғанша бекітіліп беріледі. Бағдарлама жұмыс істеп тұрған кезде оған бұл бекітілген есептеу тораптарын басқа ешқандай бағдарлама пайдалана алмауына кепілдік беріледі. Әр типтің тораптар саны жүйе конфигурациясына байланысты. Мысалы, Cray T3E компьютерінің екі нақты конфигурациясынан алынған деректер: 24/16/576 немесе 7/5/260 (басқарушы тораптар/ОЖ тораптары/есептеу тораптары).

Компьютердің соңғы модельдерінде әрбір торап процессорлық элементтен (ПЭ) және желілік интерфейстен тұрады. Процессорлық элемент бір Alpha процессорынан, жергілікті жадыдан және көмекші бағыныңқы жүйеден тұрады. Cray T3E-1200Е моделінде DEC Alpha 21164/600 микропроцессоры пайдаланылған, Cray T3E-1350 моделінде тораптарда тактілік иілігі 675 МГц және шектік өнімділігі 1,35 Гфлопс Alpha 21164А микропроцессоры пайдаланылады. Қызықтысы – Cray T3D сериялы компьютерлерде әрбір торапта бір-біріне тәуелсіз екі процессордан DEC Alpha 21164/150 бар болуы.

Әрбір процессорлық элементтің жергілікті жадысы тұтас компьютердің физикалық таратылған, бірақ логикалық бөлінетін жадысының бір бөлігі болып табылады. Жады физикалық таратылған, себебі әрбір процессорлық элементтің өз жергілікті жадысы бар. Кезкелген ПЭ өзінің желілік интерфейсі арқылы кезкелген басқа ПЭ (оның жұмысын бөлмей) жадысына қатынай алуы себепті жады барлық ПЭ бөлінеді.

Тораптың желілік интерфейсі коммуникациялық ортаның бір бөлігі боып табылатын сәйкес желілік маршрутизатормен байланысқан. Барлық маршрутизаторлар үшөлшемді бүтінсанды төртбұрыш тордың (решетка) тораптарында орналасқан және бір-бірімен үшөлшемді тор топологиясына сәйкес жалғастырылған (30 сурет).

30 сурет. Cray T3E компьютерінің коммуникациялық торы

Бұл әрбір тораптың алты тікелей көршілері бар дегенді білдіреді және де тораптардың қайда орналасқанына байланыссыз: параллелепипед ішінде, қабырғасында, қырында немесе төбесінде.

Коммуникациялық желіні мұндай тәсілмен ұйымдастырудың көп артықшылықтары бар, олардың ішінен екеуін атап кетелік. Біріншіден, бұл бұзылған байланыстарды айналып өту үшін альтернативті маршрут таңдау мүмкіндігі. Екіншіден, әртүрлі ПЭ өзара қатынасы кезінде шекаралық тораптардың жылдам байланысы және тордағы орын ауыстырулардың кішігірім орта саны.

Екі торап арасындағы әрбір элементарлық байланыс – бұл деректерді берудің екі бірбағытталған каналдары, ол қарама-қарсы бағыттарда деректерді бір мезгілде алмастыруға мүмкіндік туғызады. Cray T3E-1200Е моделінде тораптар арасындағы деректерді жіберудің максимал жылдамдығы 480 Мбайт/с, аппараура деңгейіндегі латенттігі 1 мкс көп емес.

Коммуникациялық желі Х, У, Z бағыттарындағы тораптардың желілік маршрутизаторларын жалғастыратын үшөлшемді торды құрайды. Екі А және В тораптары арасындағы деректермен алмасу үшін маршрут таңдау келесі түрде жүргізіледі. А төбесінен шыға отырып кезектегі транзиттік торап пен В төбесінің координатасы Х өлшемі бойынша қашан теңескенше, желілік мапшрутизаторлар алғашында Х өлшемі бойынша ығысуды орындайды. Онан кейін осындай процедура У бойынша, соңында Z бойынша орындалады (32 сурет). Ығысу оң да теріс те бола алатындықтан, бұл механизм желі бойынша орын ауыстырулар санын минимумдауға және бұзылған байланыстарды айналып өтуге көмектеседі. Желілік маршрутизаторлар әрбір үш өлшем Х, У, Z бойынша деректерді бір мезгілде параллель тасымалдауға болатындай етіп жобаланған.

Компьютер архитектурасындағы қызықты ерекшеліктердің бірі барьерлік синхрондауды аппаратық қолдау болып табылады. Барьер – ол бағдарламадағы нүкте, әрбір процесс осы нүктеге жетісімен, қашан қалған процесстер осы барьерге жеткенінше күтуі тиіс. Сонан кейін ғана, яғни барлық процестер барьерге жеткенде ғана процесстердің бәрі жұмыстарын ары қарай жалғастыра алады. Синхрондаудың бұл түрі бағдарламаларда жиі пайдаланылады, бірақ оны бағдарламалау жүйесінің құралдарымен іске асыру үлкен шығындарға алып келеді. Ал аппаратурада барьерлерді қолдау бұл шығындарды минимумдауға мүмкіндік береді.

Әрбір ПЭ колдау схемаларында бірнеше кіріс және шығыс синхрондау регистрлері қарастырылған. Бұл регистрлердің әрбір разряды барьерді іске асыратын өзінің тәуелсіз өрімдерімен жалғастырылған. Синхрондаудың барлық өрімі бірдей, ал олардың жалпы саны компьютердің конфигурациясына байланысты. Әрбір өрім құрылғының екі типі негізінде екілік ағаш қағидасы бойынша тұрғызылады (31 сурет). Бір құрылғылар логикалық көбейтуді (&) іске асырса, басқалары кірісті өзінің екі шығысына («1-2») қайталауды орындайды. Соңғы құрылғының шығысы (&) бірінші қайталау құрылғысының «1-2» кірісі болады. Қайталау құрылғысы алынған мәндерді өз өрімімен барлық ПЭ таратып және оларды шығыс регистрінің сәйкес разрядына жазып отырады.

31 сурет. Cray Т3D/T3E компьютерлеріндегі барьерлі синхрондау

Бір өрімнің жұмысын қарастырайық. Алғашқыда әрбір ПЭ кіріс және шығыс регистрінің сәйкес разряды нөлге тең. Процессорлық элементтің шығыс разрядында «бірдің» пайда болуы барлық процесстердің барьерге жеткендігінің белгісін береді. Процесс барьерге жетісімен сәйкес ПЭ кіріс регистрінің разряды бірге өзгертіледі. Кезкелген құрылғының шығысында (&) «бір» тек сол жағдайда ғана пайда болады, егер екі кірісте де бірлік болса. Егер қандай да бір процесс әлі барьерге жетпесе, онда осы ПЭ кірісіндегі нөл логикалық көбейту құрылғыларының өрімімен өтеді және соңғы құрылғының (&) шығысында нөлді анықтайды. Бұдан шығары: әрбір ПЭ шығыс разрядтарында да нөлдер болады. Соңғы процесс қалай өзінің кіріс разрядына бірді жазса, солай соңғы құрылғының (&) шығысында бірлік пайда болады және қайталау құрылғылары өрімімен әрбір ПЭ шығыс разрядтарына жеткізіледі. Шығыс разрядының мәні бойынша әрбір процесс қалған барлық процесстердің барьерлік синхрондау нүктесіне жеткенін біледі.

Қарастырылып жатқан компьютерлерде бұл өрімдер басқаша да пайдаланылады. Егер схемада барлық логикалық көбейту құрылғыларын логикалық қосу құрылғыларымен алмастыратын болсақ, онда «Эврика» механизмін іске асыратын өрім алынады. Кезкелген логикалық қосу құрылғысының шығысында «бір» сол жағдайда пайда болады, егер бір оның кірісінің кемінде қандай да біреуінде бар болса ғана. Яғни, қалай бір ПЭ өзінің кіріс регистріне бірді жазып алса, берілген ПЭ қандай да оқиғаның орын алғанын білдіріп, бұл бір барлық ПЭ таратылады. Бұл қарастырылған механизмнің қолданылу аймағының бірі – іздеу есептері.

Cray T3E немесе IBM SP типті дәстүрлі суперкомпьютерлерден басқа, таратылған жадылы компьютерлер класы соңғы жылдары есептеу кластерлері есебінен белсенді түрде кеңеюде. Айта кету керек, компьютерлік әдебиетте «кластер» ұғымы әртүрлі мағынады қолданылады. Мысалы, «кластерлік» технология деректер базасы серверлерінің немесе Web-серверлер сенімділігі және олардың жұмыс істеу жылдамдығын арттыру үшін пайдаланылады. Бұл жерде біз есептеу сипатындағы есептерді шешуге бағытталған кластерлер туралы айтатын боламыз.

Классикалық суперкомпьютерлер әрқашанда өздерінің үлкен өлшемдерімен, жоғары өнімділіктерімен, үлкен жадысымен және де өте қымбат бағаларымен ерекшеленеді. Әрине, бұл түсінікті де, керемет бірегей шешімдер мен рекордтты көрсеткіштерге ие бұл машиналар арзан тұруы мүмкін емес те. Бірақ-та, соңғы уақыттағы электроникадағы прогресс айтарлықтай өзгерістер енгізуде. Өткен ғасырдың 90-шы жылдары әлем рыногында қымбат емес және өте тиімді микропроцессорлар мен коммуникациялық шешімдер пайда болды. Жаппай өндірістің құрамдас бөліктерінен суперкомпьютерлерді құрастырудың нақты мүмкіндіктері ұсынылды. Бұл өз кезегінде, параллель компьютерлердің дамуындағы жеке бағыттардың бірі болатын кластерлік есептеу жүйелерінің өмірге келуіне септігін тигізді.

Қысқаша айтар болсақ, есептеу кластері дегеніміз бір есепті шешуге арналған қандай да бір желі аймағында біріктірілген компьютерлер жиыны (32 сурет). Әдетте есептеу тораптары ретінде рынокта қолжетімді бірпроцессорлы компьютерлер, екі немесе төрт процессорлы SMP-серверлері пайдаланылады. Әрбір торап операциялық жүйенің өз көшірмесінің басқаруымен жұмыс істейді. Мұндай операциялық жүйелер ретінде көбіне стандартты ОЖ: Linux, Windows NT, Solaris және т.б. пайдаланылды. Тораптардың құрамы және қуаты бір кластер аймағында да өзгеруі мүмкін, ал ол біртекті емес жүйелерді құрастыруға мүмкіндік береді. Нақты коммуникациялық ортаны таңдау көптеген факторлармен анықталады: шешілетін есептер класының ерекшеліктері, қаржылық қолжетімділік, кластердің одан ары кеңейтілу қажеттілігінің туындауы және т.б. Кластер конфигурациясына арнайы компьютерлерді, мысалы, файл-серверді енгізу мүмкіндігі бар. Әрине, Интернет арқылы кластерге қашықтан қатынас мүмкіндігі де ескерілген.

32 сурет. Есептеу кластерінің жалпы схемасы

Кластерлерді жобалауда творчество үшін кеңістік өте кең екені түсінікті. Тораптарда жергілікті дискілер болмауы, коммуникациялық ортаның бірмезгілде әртүрлі желілік технологияларды пайдалана алу мүмкіндігі, тораптардың бәрі бірдей болуының міндетті еместігі және т.с.с. Шеткі нүктелерді қарастыра отырып, кластер ретінде жергілікті 10-мегабиттік Ethernet желісімен байланысқан дербес компьютерлер жұбын, бірнеше мыңдаған жұмыс станциялары біріктірілген жоғары жылдамдықты желілерді де есептеуге болады.

Дата добавления: 2015-10-29