1.1. Классификация ВС по вычислительным возможностям
По вычислительным возможностям и размерам ЭВМ и вычислительные системы (ВС) можно разделить (рис. 2.2) на супер-ЭВМ, большие ЭВМ или Мейнфреймы, персональные ЭВМ и встраиваемые микро-ЭВМ.
ЭВМ и ВС
Суперкомпьютеры
Мейнфреймы
Микро-ЭВМ
стационарные (настольные)
переносные
Ноутбуки
Планшеты
Карманные
ПК
Однопользова-тельские ПК
Рабочие станции
Серверы
SMP
MPP
кластеры
Персональные
супер-компьютеры
Микрокон-троллеры
СнК (системы на кристалле)
Рис. 2.2. Классификация ЭВМ по вычислительным возможностям
Вычислительные возможности ЭВМ обуславливаются основными технико-эксплуатационными характеристиками.
Некоторые сравнительные параметры названных классов современных ЭВМ приведены в таблице 1.2.
Табл. 1.2.
Сравнительные параметры различных классов ВС
Параметр
|
Супер-ЭВМ
|
Мейнфреймы
|
Персональные ЭВМ
|
Микро-ЭВМ
|
Производительность
|
порядка 101 PFLOPS
|
≈104-5 MIPS
|
порядка 0.1 ТFLOPS
|
≈102 MIPS
|
Количество процессорных ядер
|
≈104-105 (2-16 ядер на 1 процессор)
|
порядка 102
|
порядка 101
|
1
|
|
Емкость ОП
|
≈102 Мбайт на один процессор
|
до ≈ 104-5 петабайт
|
≈ от 102 Мбайт до1-10 Гбайт
|
до неск. сот Мбайт
|
Разрядность
бит
|
64
|
32-64
|
32-64
|
8-64
|
Суперкомпьютеры – уникальные единичные экземпляры мощных, высокоскоростных вычислительных систем, значительно превосходящих по своим техническим параметрам большинство существующих ЭВМ и ВС.
В настоящее время суперкомпьютерами принято называть компьютеры с огромной вычислительной мощностью (порядка PFLOPS), что недостижимо на одном процессоре в связи из-за конечной скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/сек) в рамках одного устройства. Поэтому суперкомпьютеры с такой производительностью создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем.
Как правило, современные суперкомпьютеры представляют собой вычислительную систему с массовым параллелизмом (MPP-системы: Massively Parallel Processors), объединятющие в себе сотни и даже тысячи отдельных параллельно соединённых скалярных процессоров. Причём ими могли служить не только специально разработанные, но и общеизвестные и доступные в свободной продаже процессоры.
Определение понятия суперкомпьютер не раз было предметом многочисленных споров и дискуссий. В общеупотребительный лексикон термин «суперкомпьютер» вошёл благодаря распространённости компьютерных систем Сеймура Крея (CDC 6600, CDC 7600, Cray-1,…4), которые по сути становились основными вычислительными средствами правительственных, промышленных и академических научно-технических проектов США с середины 60-х годов до 1996 года. Большинство суперкомпьютеров 70-х оснащались векторными процессорами, а к началу и середине 80-х небольшое число (от 4 до 16) параллельно работающих векторных процессоров практически стало стандартным суперкомпьютерным решением. Конец 80-х и начало 90-х годов охарактеризовались сменой магистрального направления развития суперкомпьютеров от векторно-конвейерной обработки к большому (SMP-системы) и сверхбольшому (MPP-системы) числу параллельно соединённых процессоров. Симметричные мультипроцессоры (англ. Symmetric MultiProcessing) – архитектура многопроцессорных компьютеров, в которой два или более одинаковых процессоров подключаются к общей памяти и позволяют любому процессору работать над любой задачей независимо от того, где в памяти хранятся данные для этой задачи. Большинство многопроцессорных систем (но не суперкомпьютеров) сегодня используют архитектуру SMP.
Массово-параллельная архитектура (англ. Massive Parallel Processing,) – класс архитектур, особенность которых состоит в том, что память физически разделена. Система строится из отдельных узлов, содержащих процессор, локальный банк оперативной памяти, коммуникационные процессоры или сетевые адаптеры, иногда — жёсткие диски и другие устройства ввода-вывода. Доступ к банку оперативной памяти данного узла имеют только процессоры из этого же узла. Узлы соединяются специально разработанными для данной ВС коммуникационными каналами (и потому уникальными и очень дорогими). Большинство массивно-параллельных компьютеров создавалось на основе мощных процессоров с архитектурой RISC, наподобие PowerPC или PA-RISC.
Другой способ построения сверхмощной ВС – создание компьютерных кластеров. Эти системы характеризует использование отдельных компьютеров или узлов на основе дешёвых и широко доступных компьютерных комплектующих для серверов и персональных компьютеров, объединённых при помощи высокоскоростной магистрали и программно-аппаратных решений. Такой способ получил широкое распространение в конце 90-х годов прошлого века. Несмотря на кажущуюся простоту, кластеры довольно быстро заняли достаточно большой сегмент суперкомпьютерного рынка, обеспечивая высочайшую производительность при минимальной стоимости решений.
Суперкомпьютеры используются для работы с приложениями, требующими наиболее интенсивных вычислений (например, прогнозирование погодно-климатических условий, моделирование ядерных испытаний и т. п.). Это отличает их от серверов и мейнфреймов – компьютеров с высокой общей производительностью, призванных решать типовые задачи (например, обслуживание больших баз данных или одновременная работа с множеством пользователей).
Иногда суперкомпьютеры используются для работы с одним единственным приложением, использующим всю память и все процессоры системы; в других случаях они обеспечивают выполнение большого числа разнообразных приложений.
В настоящее время в мире насчитывается несколько сотен супер-ЭВМ [3]. В ноябре 2012г. список самых производительных суперкомпьютеров мира возглавил американский суперкомпьютер Titan (с архитектурой МРР) производства компании Cray с пиковым быстродействием 27,113 квадриллиона операций с плавающей запятой в секунду (PFLOPS) и с общим числом ядер – 560640. По состоянию на ноябрь 2012 года система имела 18 688 процессоров AMD Opteron 6274 (16 ядер в каждом) и 18688 ускорителей (GPU) Nvidia Tesla.
Далее в списке следуют американский же суперкомпьютер Sequoia (с архитектурой МРР) производства IBM (1572864 процессорных ядра) с пиковым быстродействием в 20,133 PFLOPS, и японский K-computer (с кластерной архитектурой) фирмы Fujitsu (705024 процессорных ядра) с пиковым быстродействием в 11,28 PFLOPS, и др [3].
Наивысшее место, занятое Россией – 12-е в ноябре 2009 года, с суперкомпьютером Ломоносов (кластерная архитектура). На ноябрь 2012 года после обновления суперкомпьютер Ломоносов занимает 26-е место c производительностью 1,7 PFLOPS.
Мейнфреймы (от англ. «Mainframe») – большые универсальные высокопроизводительные ВС со значительным объёмом оперативной и внешней памяти, предназначенные для организации централизованных хранилищ данных большой ёмкости и выполнения интенсивных вычислительных работ. В контексте общей вычислительной мощности мейнфреймы проигрывают суперкомпьютерам и включают меньшее количество процессоров. Однако их число в мире значительно выше количества суперкомпьютеров.
Историю мейнфреймов принято отсчитывать с появления в 1964 году универсальной компьютерной системы IBM System/360. Сам термин «мейнфрейм» происходит от названия типовых процессорных стоек этой системы. В 1960-х – начале 1980-х годов System/360 была безоговорочным лидером на рынке. Её клоны выпускались во многих странах, в том числе – в СССР (серия ЕС ЭВМ: 1971-1995гг).
Мейнфреймы IBM используются в более чем 25 000 организациях по всему миру (без учёта клонов), в России их по разным оценкам от 1500 до 7000 (с учётом клонов). Около 70 % всех важных бизнес-данных обрабатываются на мейнфреймах.
В начале 1990-х начался кризис рынка мейнфреймов из-за дороговизны, больших размеров, сложности обслуживания и отсутствия совместимости с другими платформами. Многие аналитики заговорили о полном вымирании мейнфреймов, о переходе от централизованной обработки информации к распределённой на основе Unix- и PC-серверов (с помощью персональных компьютеров, объединённых двухуровневой архитектурой «клиент-сервер»).
Переход на новую элементную базу (технология КМОП) и 64-разрядную архитектуру позволил значительно снизить уровень энергопотребления мейнфреймов, упростить требования к системе электропитания и охлаждения, повысить производительность и уменьшить габариты. Современные мейнфреймы перестали быть закрытой платформой: они способны поддерживать на одной машине сотни серверов с различными операционными системами (ОС).
С 1994 года вновь начался рост интереса к мейнфреймам. Дело в том, что, как показала практика, централизованная обработка данных или централизованные вычисления на мейнфреймах решает многие задачи построения информационных систем масштаба предприятия проще и дешевле, чем распределённая обработка информации с помощью локальной сети.
Особенности и характеристики современных мейнфреймов заключаются в следующем.
1. Высокая надёжность (среднее время наработки на отказ оценивается в 12-15 лет).
2. Повышенная устойчивость систем. Мейнфреймы могут изолировать и исправлять большинство аппаратных и программных ошибок за счёт
-
дублирования (по два резервных процессора, резервные модули памяти, альтернативные пути доступа к периферийным устройствам);
-
горячей замены (без отключения питания) всех элементов вплоть до каналов, плат памяти и центральных процессоров).
3. Целостность данных. В мейнфреймах используется память с коррекцией ошибок на основе RAID-массивов с горячей заменой и встроенных средств резервного копирования защищают от потерь данных. Ошибки не приводят к разрушению данных в памяти, или данных, ожидающих вывода на внешние устройства.
4. Пропускная способность. Подсистемы ввода-вывода мейнфреймов разработаны так, чтобы работать в среде с высочайшей рабочей нагрузкой на ввод-вывод данных.
5. Масштабирование. Вертикальное масштабирование обеспечивается возможностью наращивания до дюжины центральных процессоров в одном компьютере с производительностью от 5 до 200 MIPS.
Горизонтальное масштабирование реализуется объединением нескольких десятков географически распределённых ЭВМ в многомашинный кластер (Sysplex=System Complex), выглядящий с точки зрения пользователя единым компьютером.
Программное масштабирование – на одном мейнфрейме может быть сконфигурировано несколько сотен различных серверов. Причем все серверы могут быть изолированы друг от друга так, как будто они выполняются на отдельных выделенных компьютерах и в то же время совместно использовать аппаратные и программные ресурсы и данные.
6. Встроенная аппаратная система защиты (криптографические устройства) и средства защиты операционных систем (Logical Partition Access Resources), дополненные программными продуктами RACF или VM:SECURE, обеспечивают надёжную защиту.
На данный момент доминирующее положение на мировом рынке занимают мейнфреймы фирмы IBM (IBM System z10 [4] с количеством процессоров до сотни с пиковым быстродействием до 1600 MIPS каждый, пропускной способностью канала ввода-вывода до 288 GB/сек), затем Hitachi, Fujitsu и Amdahl.
В сравнении с суперкомпьютерами, которые используются для научных и инженерных задач (например, в области метеорологии или моделирования ядерных процессов), мейнфреймы применяются для работы с большими базами данных, управления сетевыми ресурсами. Мейнфреймы нацелены на целочисленные операции с высокой скоростью обмена данными, на надёжность защиты данных и одновременную обработку множества процессов (например, инвентаризация товаров, резервирование авиабилетов, банковские операции). Производительность мейнфреймов, как правило, вычисляется в MIPS, а суперкомпьютеров – во FLOPS.
Персональные компьютеры (ПК) должны удовлетворять требованиям общедоступности и универсальности применения и иметь следующие характеристики:
-
малую стоимость, находящуюся в пределах доступности для индивидуального покупателя;
-
автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;
-
«дружественность» операционной системы и прочего программного обеспечения для пользователя;
-
высокую надежность работы (более 5000 ч. наработки на отказ).
Наибольшей популярностью в настоящее время пользуется ПК архитектурного направления (платформы) IBM с микропроцессорами фирмы Intel.
По конструктивным особенностям ПК можно разделить на
-
стационарные (однопользовательские ПК, рабочие станции, серверы),
-
переносные (ноутбуки) – портативные (наколенные) компьютеры типа «LapTop»,
-
планшеты,
-
карманные ПК (PDA – personal digital assistant (персональный цифровой помощник).
Как правило,
стационарные и
переносные персональные компьютеры комплектуются модулями памяти общей емкостью в сотни мегабайтов, жестким диском с данными на несколько десятков гигабайтов, приводом CD-ROM/DVD, модемом, звуковой картой, сетевым интерфейсом, монитором с высоким разрешением и рядом других периферийных устройств. На них устанавливаются сложные операционные системы, они расширяемы, при работе с ними используется широкий спектр программного обеспечения. Некоторые специалисты называют «персональными» компьютеры с процессорами Intel, отделяя их тем самым от машин, оснащенных высокопроизводительными RISC-микросхемами (такими как Sun UltraSPARC), которые в таком случае именуются «рабочими станциями». На самом деле, особой разницы между этими двумя типами нет.
Центральным компонентом любого персонального компьютера является печатная плата, на которой устанавливаются модули процессора, памяти и устройств ввода-вывода (как-то: звуковая и видео плата, модем), интерфейсы клавиатуры, мыши, дискового привода, сетевой платы и прочих периферийных устройств, а также расширительные гнезда.
Рабочие станции появились на рынке ЭВМ почти одновременно с ПК и находились впереди по своим вычислительным возможностям. Современная рабочая станция - это не просто большая вычислительная мощность, это тщательно сбалансированные возможности всех подсистем машины, чтобы ни одна из них не стала «узким местом», сводя на нет преимущества других. Всё это в значительной мере и определяло их область применения и проблемную ориентацию: автоматизированное проектирование, банковское дело, управление производством, разведка и добыча нефти, связь, издательская деятельность и др.
Ноутбуки, кроме своей компактности, ничем не отличаются от настольных ПК. В них устанавливаются аналогичные, хотя и меньшие по размеру, аппаратные компоненты. По возможностям выполнения и набору программ настольные и портативные компьютеры не различаются.
Серверы – это мощные персональные компьютеры или рабочие станции, которые используются в качестве сетевых серверов (центрального хранилища разделяемых ресурсов сети - файлов, приложений, служб и т.д) – как в локальных сетях (обычно в пределах одной организации), так и в глобальных. Сервером также называется компьютер, выделенный из группы персональных компьютеров (или рабочих станций) для выполнения какой-либо сервисной задачи без непосредственного участия человека (
выделенный сервер). Некоторые сервисные задачи могут выполняться на рабочей станции параллельно с работой пользователя. Такую рабочую станцию условно называют
невыделенным сервером.
Сервер и ПК (рабочая станция) имеют одинаковую аппаратную конфигурацию, так как различаются лишь по участию в своей работе человека за консолью. Консоль (обычно – монитор/клавиатура/мышь или в упрощенном виде: коммуникационный порт) и участие человека необходимы серверам только на стадии первичной настройки, при аппаратно-техническом обслуживании и управлении в нештатных ситуациях (штатно, большинство серверов управляются удаленно через сеть).
Серверы поставляются в однопроцессорной и мультипроцессорной конфигурациях. В системах из этой категории обычно устанавливаются модули памяти общим объемом в несколько десятков гигабайтов, жесткие диски емкостью в сотни гигабайтов и высокоскоростные сетевые интерфейсы. Серверы способны обрабатывать тысячи транзакций1 в секунду.
С точки зрения архитектуры однопроцессорный сервер не слишком отличается от персонального компьютера. Он просто работает быстрее, занимает больше места, содержит больше дискового пространства и устанавливает более скоростные сетевые соединения. Серверы работают под управлением тех же операционных систем, что и персональные компьютеры, – как правило, это различные версии UNIX и Windows.
К персональным очень близки планшеты и карманные компьютеры (PDA). Они характеризуются компактностью, малой потребляемой мощностью и дружественным интерфейсом. Они еще меньше, чем ноутбуки, однако процессор, память, клавиатура, дисплей и большинство других стандартных компонентов персонального компьютера в них присутствуют, хотя часто сильно упрощённые по функциональным возможностям.
Наиболее близки по функционалу к стационарным и переносимым ПК планшетные компьютеры (англ. Tablet computer или же электронный планшет) – собирательное понятие, включающее различные типы компьютеров (устройств) с сенсорным экраном. Планшетным компьютером можно управлять прикосновениями руки или стилуса. Клавиатура и мышь доступны не всегда. ПК данного семейства в основном аппаратно совместимы с IBM PC-компьютерами и имеют полноценные операционные системы, такие как: Windows, Apple Mac OS X, Linux, что позволяет пользователю использовать без ограничений любое ПО, доступное на настольном компьютере.
К карманным компьютерам относят такие устройства, как электронная книга, смартфон, портативная игровая система, электронный переводчик и др. В отличие от планшентых и тем более стационарных компьютеров, карманные более просты, не имеют полноценных ОС, более специализированы. Они используют только специализированное ПО, не всегда совместимы с другими ПК.
Встраиваемые микро-ЭВМ, как правило, относятся к узкоспециализированным, ориентированы на решение определенного (постоянного) класса задач в течение периода своей эксплуатации. Ориентация специализированных ЭВМ осуществляется различными способами:
-
специальной аппаратурной организацией самих ЭВМ или их внешних связей;
-
созданием для ЭВМ специального программного обеспечения;
-
введением дополнительных аппаратных блоков, расширяющих те или иные функции, возлагаемые на ЭВМ,
-
и др.
Встраиваемые микро-ЭВМ входят составным элементом в промышленные и транспортные системы, технические устройства и аппараты, бытовые приборы. Они способствуют существенному повышению их эффективности функционирования, улучшению технико-экономических и эксплуатационных характеристик. Основная отличительная черта всех ВС данного класса – миниатюрность, пониженное энергопотребление и малая стоимость построенных на его базе устройств. За ними прочно закрепилось название «
микроконтроллер» (англ. Micro Controller Unit, MCU) – микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ или ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.
С появлением однокристальных микро-ЭВМ связывают начало эры массового применения компьютерной автоматизации в области управления. По-видимому, это обстоятельство и определило термин «контроллер» (англ. controller – управляющее устройство).
Первый патент на однокристальную микро-ЭВМ был выдан в 1971 г. В 1976 году[1] американская фирма Intel выпускает микроконтроллер i8048. В 1978 году фирма Motorola выпустила свой первый микроконтроллер MC6801, совместимый по системе команд с выпущенным ранее микропроцессором MC6800. На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров, совместимых с i8051, выпускаемых двумя десятками компаний, таких как Microchip Technology, Atmel, TI, ARM Limited, Renesas Electronics, Freescale, Samsung.
Список источников
1. А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. Учебник. 2-е изд., перераб. и доп. Под ред. А.П. Пятибратова. – М.: Финансы и статистика, 2004.
2. Хамахер К., Вранешич З., Заки С. Организация ЭВМ. – СПб.: Издательство «Питер», Киев: Издательская группа BHV, 2003.
3. Top500 – cписок 500 самых быстрых в мире (http://www.top500.org/).
4. ABCs of z/OS System Programming Volume (http://www.redbooks.ibm.com/ redbooks.nsf/ RedpieceAbstracts/sg246990.html)
5. Э. Таненбаум. Архитектура компьютера. – 5-е изд. – СПб.: Питер, 2011.
6. Под редакцией Шахнова В. А. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем. – М.: «Радио и связь», 1988.