К суперкомпьютерам относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов — десятки миллиардов операций в секунду. Типовая модель суперкомпьютера 2001 года:
-высокопараллельная многопроцессорная вычислительная система с быстродействием порядка 100 000 MFloPS;
-емкость; оперативной памяти 10 Гбайт, дисковой памяти 1-10 Тбайт (1 Тбайт -- 1000 Гбайт);
- разрядность 64-128 бит.
В декабре 1996 года фирма Intel объявила о создания суперкомпьютера Sand in, впервые в мире преодолевшего терафлопный барьер быстродействия. За 1 час 40 минут компьютер выполнил 6,4 квадриллиона вычислений с плавающей Запятой. Конфигурация, достигшая производительности 1060 MFLoPS по тесту МР Unpack, представляла собой 57 шкафов, содержащих более 7000 процессоров Pentium Pro с тактовой частотой 200 МГц и оперативную память 454 Гбайт. Окончательный вариант суперкомпьютера имеет производительность 1,4 TFLoPS. Oil состоит из 86 шкафов общей площадью 160 кв. м. В этих шкафах размещается 573 Гбайт оперативной и 2250 Гбайт дисковой памяти. Масса компьютера составляет около 45 тонн, а пиковое потребление энергии — 850 кВт. В 1998 году японская фирма NEC Corporation сообщила о создании суперкомпьютеров SX-5, выполняющих 4 триллиона FLoPS, содержащих 512 процессоре!» и обеспечивающих общую скорость передачи данных 32 Тбайт/с. Наконец, недавно фирма IBM объявила о разработке нового суперкомпьютера, который будет содержать более миллиона микропроцессоров Pentium III и иметь быстродействие порядка 1015 операций/с.
Создать такие высокопроизводительные компьютеры на одном микропроцессоре (МП) не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленного конечным значением скорости распространения электромагнитных ноли (300 000 км/с), ибо 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).
Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей.
1. 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).
2. ВекторныеМПВС, 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).
Принцип SIMD используется и для повышения производительности микропроцессоров — суперскалярные (векторные) МП Pentium III, Pentium 4, Power PC и т. д.
3. МатричныеМПВС, у которых микропроцессор одновременно выполняет разные операции над последовательными потоками обрабатываемых данных многократный лоток команд с многократным потоком данных (МКМД и MIMD - Multiple Instruction Multiple Data).
Условные структуры однопроцессорной (SISD) и названных многопроцессорных ВС показаны на рис. 12.
В суперкомпьютере используются все три варианта архитектуры МПВС:
1. Структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпьютере BSP фирмы Burrought);
2. Параллельно-конвейерная модификация, иначе MMISD, то есть многопроцессорная (Multiple) MISD-архитектура (например, в суперкомпьютерах «Эльбрус 3,4»);
3. Параллельно-векторная модификация, иначе MSIMD, то есть многопроцессорная SIMD-архитектура (например, в суперкомпьютере Cray 2).
Наибольшую эффективность показала MIMD-архитектура, поэтому в современных суперкомпьютерах чаще всего используется именно она (суперкомпьютеры фирм Cray, Fujistu, NEC, Hitachi и т. д.). Первый суперкомпьютер была задуман в 1960 и создан в 1972 году (машина ILLIAC IV с производительностью 20 M'FloPS), а начиная с 1974 года лидерство в разработке суперкомпьютеров захватила фирма Cray Research, выпустившая Cray 1 производительностью 160 MFloPS и объемом оперативной памяти 64 Мбайт, а в 1984 году — Cray 2, в полной мере реализовавший архитектуру MSIMD и ознаменовавший появление нового поколения суперкомпьютеров. Производительность Cray 2 — 2000 MFloPS, объем оперативной памяти -2 Гбайт. Классическое соотношение, ибо критерий сбалансированной ресурсов компьютера — «каждому MFloPS производительности процессора должносоответствовать не менее 1 Мбайт оперативной памяти.
Рис. 12.
Условные структуры МПВС: а — структура SISD — однопроцессорной суперЭВМ; 6 — структура MISD — конвейерной (магистральной] суперЭВМ; в — структура SIMD — векторной суперЭВМ; г —структура MIMD — матричной суперЭВМ
В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперкомпьютеров, начиная от простых офисных Cray EL до мощных Cray 3, Cray 4, Cray Y-MP C90фирмы Cray Research, Cyber 205 фирмы Control Data, SX-3 и SX-X фирмы NEC,VP 2000 фирмы Fujitsu (обе фирмы японские), VPP 500 фирмы Siemens (ФРГ)и т. д., производительностью несколько десятков тысяч MFloPS.
Среди лучших суперкомпьютеров можно отметить и отечественные суперкомпьютеры. В сфере производства суперкомпьютеров Россия, пожалуй, впервые, представила собственные оригинальные модели компьютеров (все остальные, включая и ПЭВМ, и малые ЭВМ, и универсальные компьютеры за редким исключением, например, ЭВМ «Рута 110», копировали зарубежные разработки и, в первую очередь, разработки фирм США).
В СССР, а позднее в России была разработана и реализуется (сейчас правда, почти заморожена) государственная программа разработки суперкомпьютеров. В рамках этой программы были разработаны и выпущены такие суперкомпьютеры, как повторяющая архитектуру Cray: «Электроника СС БИС»; оригинальные разработки: ЕС 1191, ЕС 1195, ЕС 1191.01, ЕС 1191.10, «Эльбрус 1, 2,3».
Разработка ЕС 1191 с производительностью 1200 MFloPS из-за нехватки средств заморожена; офисные варианты ЕС 1195, ЕС 1191.01 имеют производительность соответственно 50 MFloPS и 500 MFloPS; практически заморожена и разработка ЕС 1191.10 с производительностью 2000 MFloPS.
Рис. 13.
На Рис. 13 приведена структура суперкомпьютера «Эльбрус-3».
Характеристики суперкомпьютера «Эльбрус-3»:
- производительность 10 000 MFloPS;
- разрядность 64 бит (можно работать и с 128-разрядными словами);
- 16 магистральных процессоров по 7 арифметико-логических устройств и 16 Мбайт оперативной памяти в каждом (итого - 256 Мбайт);
-общая оперативная память - 8 блоков по 256 Мбайт (итого 2048 Мбайт);
-8 процессоров ввода-вывода, каждый из которых имеет:
■ медленный канал;
■ быстрый капал;
■ дисковый канал для обмена данными, соответственно, с внешними устройствами, модульными комплексами телеобработки и накопителями на магнитных дисках, часто с дисковыми массивами типа RAID.
Используются операционные системы «Эльбрус» и UNIX, поддерживающие большое число языков программирования: Эль, Фортран, Паскаль, Кобол, Пролог и т, д, Суперкомпьютер «Эльбрус ЗБ» медленно, но продолжает разрабатываться, ожидаемая его производительность - 20 000 MFloPS.
Для суперкомпьютера «Эльбрус» разработан один из первых в мире микропроцессор «Эль2К», имеющий VLIW-архитектуру.