Распараллеливания

Из всех показателей качества в большинстве случаев основными являются показатели производительности и надежности. Это в равной мере можно отнести и к машинам общего назначения, и к специализированным ЭВМ. Среди названных показателей доминирующими могут стать либо те, либо другие в зависимости от ориентации ЭВМ, сложности и важности решаемых задач. Так, для ЭВМ, предназначенных для проведения научных исследований, критерием качества, как правило, является производительность, для ЭВМ, функционирующих в экстремальных условиях – надежность. Однако рассматриваемые показатели не являются независимыми. Нетрудно показать, что при прочих равных условиях более быстродействующая ЭВМ обеспечивает и большую надежность.

Действительно такая ЭВМ позволяет уменьшить время решения задачи и, следовательно, его отношение к средней наработке на отказ, что равносильно увеличению последней. В результате возрастает вероятность успешного, своевременного решения задачи. С другой стороны, большая производительность может допустить многократное решение задачи или ее части в случае возникновения сбоя, не выходя за рамки предельного времени получения результатов. Кроме того, избыток производительности позволяет повысить интенсивность проведения тестового контроля, тем самым, увеличивая вероятность выявления потенциальных отказов.

Аналогичным образом можно показать влияние производительности и на другие показатели качества, в частности – объем оперативной памяти. В известном смысле рост производительности можно уподобить увеличению емкости памяти и этим компенсировать ее недостаток.

Помимо рассмотренных мотивов повышения производительности, которые целесообразно отнести к косвенным, следует назвать прямые. Они приводят к безусловной необходимости поиска путей улучшения названного показателя.

В первую очередь здесь следует указать на повышение оперативности решения задач, что приводит к снижению длительности цикла управления и поэтому актуально для компьютерных систем любого типа. Действительно, способность решения задач, являющаяся основным потребительским свойством вычислительных систем, главным образом определяется показателями производительности.

Так, точность решения некоторых классов задач, существенно зависит от времени их решения. Производительность в этом случае становится принципиальным ограничителем. Она же регламентирует периодичность решения многих задач, ибо недостаток производительности может привести к неудовлетворению требования решения подобных задач всякий раз, когда изменения обстановки оказываются достаточно существенными.

Во-вторых, постоянное совершенствование задач управления неизбежно приводит к усложнению алгоритмов их решения. Это, как правило, связано с увеличением потребного объема вычислений, и для сохранения прежних показателей оперативности необходимо увеличивать производительность ЭВМ.

В-третьих, высокопроизводительные ЭВМ позволяют ослабить требования к качеству программного обеспечения. Выражается это в допустимости разработки программ с меньшей степенью минимизации времени выполнения и объема занимаемой памяти. Учитывая, что стоимость программного обеспечения многократно превосходит стоимость аппаратных средств, снижение требований к программам имеет весьма важное значение. В частности, удается не только уменьшить затраты на создание заданной совокупности программ, но и сократить сроки их разработки. Кроме того, к созданию программного обеспечения может быть привлечен персонал невысокой квалификации

Таким образом, совершенствование ЭВМ в процессе их эволюции, по существу, можно рассматривать как непрерывный поиск путей повышения их производительности.

В настоящее время известно большое число различных способов повышения производительности. Часть из них широко используется в современных ЭВМ и комплексах, другие носят характер перспективных и найдут применение в будущих образцах. Несмотря на большое многообразие этих способов, каждый из них в общем случае может быть отнесен к одной из трех групп, объединяющих соответственно физические, алгоритмические либо структурные способы.

Физические способы связаны с повышением быстродействия элементной базы и обеспечением комфортных условий применения ЭВМ. Совершенствование элементной базы имеет естественные пределы, ограниченные возможностями технологических процессов. Обеспечение комфортных условий не всегда возможно, особенно для ЭВМ, функционирующих в экстремальных ситуациях.

Алгоритмические способы обычно ассоциируют с минимизацией алгоритмической сложности выполняемых программ. К ним следует отнести способы совершенствования не только прикладных и системных процедур. А это, в свою очередь, связано с поиском новых методов и алгоритмов организации вычислительного процесса и решения прикладных задач, что также не всегда возможно.

Структурные способы связаны со следующими направлениями. Во-первых, с усложнением схемных решений на построение основных элементов ЭВМ. Во-вторых, с изменением традиционной архитектуры ЭВМ (развитие системы ввода-вывода, организация многоуровневой системы памяти). В-третьих, с распараллеливанием вычислительных процедур, то есть с выделением в них независимых участков и их одновременным выполнением на различном оборудовании.

Целью распараллеливания вычислений является увеличение производительности ЭВМ за счет совмещения во времени независимых друг от друга процессов решения задачи или нескольких задач пользователей.

При распараллеливании вычислений решают следующие задачи, связанные с организацией вычислительного процесса:

1. Анализ алгоритмов и программ с целью выделения их частей (сегментов), допускающих параллельное выполнение на различных обрабатывающих устройствах (процессорах или ЭВМ).

2. Выбор адекватных средств реализации параллельных вычислений.

3. Распределение сегментов по обрабатывающим устройствам и организация их исполнения.

4. Оценка эффективности параллельного вычислительного процесса с целью его последующего совершенствования за счет изменения метода распределения ресурсов.