Архитектуры вычислительных систем
Точно также, как однопроцессорные компьютеры, представлены архитектурами с одним потоком данных SISD и множеством потоков данных SIMD, так и многопроцессорные системы могут быть представлены двумя базовыми типами архитектур в зависимости от параллелизма данных:
MISD — множество потоков команд — один поток данных;
MIMD — множество потоков команд — множество потоков данных. Класс MISD долгое время пустовал, поскольку не существовало практических примеров реализации систем, в которых одни и те же данные обрабатываются большим числом параллельных процессов. В дальнейшем для MISD нашлась адекватная организация вычислительной системы — распределенная мультипроцессорная система с общими данными.
Наиболее простая и самая распространенная система этого класса — обычная локальная сеть персональных компьютеров, работающая с единой базой данных, когда много процессоров обрабатывают один поток данных. Впрочем, тут есть одна тонкость. Как только в такой сети все пользователи переключаются на обработку собственных данных, недоступных для других абонентов сети, MISD — система превращается в систему с множеством потоков команд и множеством потоков данных, соответствующую MIMD - архитектуре. Так как только MIMD-архитектура включает все уровни параллелизма от конвейера операций до независимых заданий и программ, то любая вычислительная система этого класса в частных приложениях может выступать как SISD и SIMD-система. Например, если многопроцессорный комплекс выполняет одну-единственную программу без каких-либо признаков векторного параллелизма данных, то в этом конкретном случае он функционирует как обычный SISD-компьютер, и весь его потенциал остается невостребованным. Таким образом, употребляя термин «MIMD», надо иметь в виду не только много процессоров, но и множество вычислительных процессов, одновременно выполняемых в системе. MIMD-системы по способу взаимодействия процессоров (рис. 6.1) делятся на системы с сильной и слабой связью.
Рис.6.1. Классификация вычислительных систем с МIМD-архитектурой
Системы с сильной связью (иногда их называют «истинными» мультипроцессорами) основаны на объединении процессоров на общем поле оперативной памяти.
Системы со слабой связью, как правило, представляются многомашинными комплексами, в которых отдельные компьютеры объединяются либо с помощью сетевых средств, либо с помощью общей внешней памяти (обычно — дисковые накопители большой емкости). Разница организации MIMD-систем с сильной и слабой связью проявляются при обработке приложений, отличающихся интенсивностью обменов между процессами.
6.2. Сильно связанные многопроцессорные системы
В таких системах, как правило, число параллельных процессов невелико (не больше 16) и управляет ими централизованная операционная система. Процессы обмениваются информацией через общую оперативную память. При этом возникают задержки из-за межпроцессорных конфликтов. При создании больших мультипроцессорных ЭВМ (мэйнфреймов, суперЭВМ) предпринимаются огромные усилия по увеличению пропускной способности оперативной памяти. В результате аппаратные затраты возрастают чуть ли не в квадратичной зависимости, а производительность системы упорно «не желает» увеличиваться пропорционально числу процессоров. Так, сложнейшие средства снижения межпроцессорных конфликтов в оперативной памяти суперкомпьютеров серии CRAY X-MP/Y-MP позволяют получить коэффициент ускорения не более 3,5 для четырехпропессррной конфигурации системы.
То, что могут себе позволить дорогостоящие и сложные мэйнфреймы и суперкомпьютеры, не годится для компактных многопроцессорных серверов. Для простой и «дешевой» поддержки многопроцессорной организации была предложена архитектура SMP — мультипроцессирование с разделением памяти, предполагающая объединение процессоров на общей шине оперативной памяти. За аппаратную простоту реализации средств SMP приходится расплачиваться процессорным временем ожидания в очереди к шине оперативной памяти.В большинстве случаев пользователи готовы добавить в сервер один или более процессоров (но редко — более четырех) в надежде увеличить производительность системы. Стоимость этой операции ничтожна по сравнению со стоимостью всего сервера, а результат чаще всего оправдывает ожидания пользователя. Архитектура SMP стала своего рода стандартом для всех современных многопроцессорных серверов (например, НР9000 и DEC Alpha Server AXP). Стремительное увеличение пропускной способности системных шин предопределяет широкое распространение SMP архитектуры.
