Кластерные суперкомпьютеры

Как уже упоминалось выше, в настоящее время развивается технология построе­ния больших и суперкомпьютеров на базе кластерных решений. По мнению МНО­ГИХ специалистов, на смену отдельным, независимым суперкомпьютерам должны прийти группы высокопроизводительных серверов, объединяемых в кластер. Удобство построения кластерных ВС заключается в том, что можно гибко регули­ровать необходимую производительность системы, подключая к кластеру с помо­щью специальных аппаратных и программных интерфейсов обычные серийные серверы до тех пор, пока не будет получен суперкомпьютер требуемой мощности, Кластеризация позволяет манипулировать группой серверов как одной системой, упрощая управление и повышая надежность.

Важной особенностью кластеров является обеспечение доступа любого сериерн к любому блоку как оперативной, так и дисковой памяти. Эта проблема успешно решается, например, объединением систем SMP-архитектуры на базе автономных серверов для организации общего поля оперативной памяти и использованием дисковых систем RAID для памяти внешней (SMP - Shared Memory multiРгоcessing), технология мультипроцессирования с разделением памяти). Программное обеспечение для кластерных систем уже выпускается. Примером мо­жет служить компонент Cluster Server операционной системы MS Windows NT 2000 Interprise Этот компонент, более известный под кодовым названием Wolfpack, oобеспечивает как функции управления кластером, так и функции диагностирования сбоев и восстановления (Wolfpack определяет сбой программы или отказ сервера и авто­матически переключает поток вычислений на другие работоспособные серверы), На конференции Supеrcomputing 2000 несколько фирм (Dell. SunMltrosysteip, IBM) уже продемонстрировали свои достижении и области суперкомпъютерных кластерных технологий (фирма IBM, например, продемонстрировала модель че­ловеческого сердца, реализованную в кластере серверов KS/6000). Эта же фирма в 2001 году представила одну из самых мощных кластерных систем ASCI White, содержащую 8192 микропроцессора IBM Power 3, основную память емкостью 6 Тбайт, дисковую память емкостью 160 Тбайт; общая производительность клас­тера 12,5 TFloPS (триллионов операций в секунду). Все фирмы отмечают суще­ственное снижение стоимости кластерных систем по сравнению с локальными су­перкомпьютерами, обеспечивающими ту же производительность. Основные достоинства кластерных суперкомпьютерных систем:

-высокая суммарная производительность;

-высокая надежность работы системы;

-наилучшее соотношение производительность/стоимость;

-возможность динамического перераспределения нагрузок между серверами;

-легкая масштабируемость, то есть наращивание вычислительной мощности путем подключения дополнительных серверов;

-удобство управления и контроля работы системы.

ЛЕКЦИЯ № 4

Функциональная и структурная организация ПК

Поскольку массовое распространение в настоящее время получили персональные компьютеры, их функциональную и структурную организацию рассмотрим подробно.

Основные блоки ПК и их назначение

Структурная схема персонального компьютера представлена на рис. 14.

Рис. 14

Микропроцессор

Микропроцессор (МП) — центральный блок ПК, предназначенный для управле­ния работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логичес­ких операций над информацией.

В состав микропроцессора входят:

1. Устройство управления (УУ): формирует и подает во все блоки машины в нуж­ные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие им­пульсы), обусловленные спецификой выполняемых операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выпол­няемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов.

2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ): предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной ин­формацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор.

3.Микропроцессорная память (МПП): предназначена для кратковременного хра­нения, записи и выдачи информации непосредственно в ближайшие такты ра­боты машины, используемой в вычислениях; МПП строится на регистрах и ис­пользуется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры — быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину один байт и более низкое быстродействие).

4. Интерфейсная система микропроцессора; предназначена для сопряжения и с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной.

Итак, запомним, что интерфейс (interface) — совокупность средств сопряже­ния и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимо­действие.

Порт ввода-вывода (I/O port) — аппаратура сопряжения, позволяющая подклю­чить к микропроцессору другое устройство ПК.

5. Генератор тактовых импульсов, генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту ма­шины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины. Частота гене­ратора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персо­нального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Системная шина

Системная шина — основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина включает в себя:

- кодовую шипу данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для па­раллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;

- кодовую шипу адреса (КША), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

-кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;

-шину питания, содержащую провода и схемы сопряжении для подключения
блоков ПК к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

-между микропроцессором и основной памятью;

-между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

- между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режи­ме прямого доступа к памяти).

Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифициро­ванные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляет­ся микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнитель­ную микросхему контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выпол­няется с использованием ASCII-кодов.

Основная память

Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена ин­формацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоми­нающее устройство (ОЗУ).

- ПЗУ (ROM — Read Only Memory) предназначено для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации позволяет оперативно только считывать информацию, хранящуюся в нем (изменить информацию в ПЗУ нельзя);

- ОЗУ (RAM — Random Access Memory) предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), исиосредг.пк.¹ но участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени.

Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка оперативной памяти следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).

Кроме основной памяти на системной плате ПК имеется и энергонезависимая память CMOSRAM (Complementary Metall-Oxide Semiconductor RAM), постоянно питающаяся от своего аккумулятора; в ней хранится информация об аппаратной конфигурации ПК (о всей аппаратуре, имеющейся в компьютере), которая проверяется при каждом включении системы.

Внешняя память '

Внешняя память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится всё программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными из них, имеющимися практически на любом компьютере, являются показанные па структурной схеме (рис. 16) накопители на жестких (НЖМД)и гибких (НГМД)машинных дисках.

Назначение этих накопителей: храпение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются НЖМД и НГМД конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации. В качестве устройства внешней памяти часто используются также накопители на оптических дисках (CD- RОМ— Compact Disk Read Only Memory) и реже — запоминающие устройства на
кассетной магнитной ленте (НКМЛ, стримеры).

Источник питания

Источник питания - блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

Таймер

Таймер — внутримашинные электронные часы реального времени, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономном но­му источнику питания — аккумулятору, и при отключении машины от сети про­должает работать.

Внешние устройства

Внешние устройства (ВУ) ПК — важнейшая составная часть любого вычислитель­ного комплекса, достаточно сказать, что по стоимости ВУ составляют до 80-85 % стоимости всего ПК.

ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользовате­лями, объектами управления и другими компьютерами.

К внешним устройствам относятся:

- внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;

- диалоговые средства пользователя;
- устройства ввода информации;

- устройства вывода информации;

- средства связи и телекоммуникации.

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеотерминалы (дис­плеи) и устройства речевого ввода-вывода информации.

- видеомонитор (дисплей) — устройство для отображения вводимой и выводи­мой из ПК информации;

-устройства речевого ввода-вывода — быстро развивающиеся средства мульти­медиа. Это различные микрофонные акустические системы, «звуковые мыши» со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произно­симые человеком буквы и слова, идентифицировать их и кодировать; синтеза­торы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.

К устройствам ввода информации относятся:

-клавиатура — устройство дня ручного ввода числовой, текстовой и управляю­щей информации в ПК;

-графические планшеты (дигитайзеры) — устройства для ручного ввода графи­ческой информации, изображений путем перемещения по планшету специаль­ного указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняется счи­тывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;

-сканеры (читающие автоматы) — устройства для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;

-устройства указания (графические манипуляторы), предназначенные для ввода графической информации па экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК (джойстик — рычаг, мышь, трекбол — шар в оправе, световое перо и т. д.);

-сенсорные экраны — для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.

К устройствам выводи информации относятся:

-принтеры — печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель;

-графопостроители (плоттеры) — устройства для вывода графической информации(графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель.

Устройства связи и телекоммуникации используются для связис приборамии другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т. п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим компьютерам и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы и карты, «стыки», мультиплексоры передачи данных, модемы).

В частности, показанный на рис. 15 сетевой адаптер относится к внешнему интерфейсу ПК и служит для подключения его к каналу связи с целью обмена информацией с другими компьютерами при работе в составе вычислительной сети, В качестве сетевого адаптера чаще всего используется модулятор-демодулятор. Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной группе средств мультимедиа,

Мультимедиа (multimedia — многосредовость) — это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и т. д. К средствам мультимедиа относятся устройства речевого ввода и вывода информации; микрофоны и видеокамеры, акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранам звуковые и видеоплаты, платы видезахвата, снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК; широко распространенные уже сейчас сканеры, позволяющие автоматически вводить в компьютер печатные тексты и рисунки; наконец, внешние запоминающие устройства большой емкости и оптических дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации.

Поиск по сайту: