Большие компьютеры

Большие компьютеры за рубежом часто называют мэйнфреймами (mainframe); к ним относят, как правило, компьютеры, имеющие:

·высокую производительность не менее 100 MIPS;

·большую основную память;

·внешнюю память не менее 100 Гбайт;

·многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от 16 до 1000 пользователей).

Основные направления эффективного применения мэйнфреймов — решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Последнее направление — использование мэйнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей — часто отмечается специалистами как наиболее актуальное.

Мэйнфреймы часто именуются большими серверами (серверами-мэйнфреймами). В принципе это допустимо, но иногда вносит путаницу в терминологию. Дело в том, что серверы — это многопользовательские компьютеры, используемые в вычислительных сетях. Серверы обычно относят к микрокомпьютерам, но по своим характеристикам мощные серверы можно отнести и к малым компьютерам, и даже к мэйнфреймам, а суперсерверы приближаются к суперкомпьютерам. Сервер — это классификационная группа компьютеров, выделяемая по сфере применения компьютеров, а микрокомпьютеры, малые компьютеры, мэйнфреймы, суперкомпьютеры — это классификационные группы компьютеров, выделяемые по размерам и функциональным возможностям.

Родоначальником современных больших компьютеров, по стандартам которых в последние несколько десятилетий развивались машины этого класса в большинстве стран мира, являются машины фирмы IBM. Модели IBM 360 и IBM 370 с их архитектурой и программным обеспечением взяты за основу и при создании отечественной системы больших машин ЕС ЭВМ.

Среди лучших разработок мэйнфреймов за рубежом следует в первую очередь отметить американские:

·IBM 3090, IBM 4300 (4331, 4341,.4361, 4381), пришедшие на смену IBM 380 в 1979 году (2-е поколение мэйнфреймов);

·IBM ES/9000, созданные в 1990 году (3-е поколение);

·S/390 и AS/400 (4-е поколение).

Распространенными в мире являются и японские компьютеры М 1800 фирмы Fujitsu и Millennium фирмы Amdahl (теперь дочернего предприятия корпорации Fujitsu), а также мэйнфреймы 8/*, 9/*, М2000 и С2000 немецкой фирмы Comparex Information Systems. Семейство мэйнфреймов М 1800 фирмы Fujitsu пришло в 1990 году на смену моделям V 780 и включает в себя 5 новых моделей: Model-20, 30, 45, 65, 85; старшие модели Model-45, 65, 85 — много-процессорные компьютеры, соответственно, с 4, 6 и 8 процессорами; последняя старшая модель имеет основную память емкостью 2 Гбайт и 256 каналов ввода-вывода.

Немецкая фирма Comparex выпускала мэйнфреймы 3-го поколения (сейчас поставляются second hand системы): модели 8/8х, 8/9х, 9/8хх, 9/9хх, 99/ххх, содержащие до 8 процессоров, оперативную память до 8 Гбайт и имеющие производительность от 20 до 385 MIPS. В настоящее время производятся мэйнфреймы 4-го поколения: М2000 и С2000, имеющие производительность, соответственно, до 990 и 870 MIPS, объем оперативной памяти до 8000 и 16 000 Мбайт. Среднее время наработки на отказ у этих систем чрезвычайно большое — 12 лет. По сравнению с машинами 3-го поколения существенно уменьшились габариты (конструктив 1-2 шкафа) и потребляемая мощность (8-процессорная модель М2000 потребляет 50 КБ А, а 8-процессорная модель 99/ххх — 171 КВА и требует водяного охлаждения).

Зарубежными фирмами рейтинг мэйнфреймов определяется по многим показателям, среди них:

· надежность,

· производительность;

· емкость основной и внешней памяти;

· время обращения к основной памяти;

· время доступа и трансфер внешних запоминающих устройств;

· характеристики кэш-памяти;

· количество каналов и эффективность системы ввода-вывода;

· аппаратная и программная совместимость с другими компьютерами;

·поддержка сети и т. д.

Малые компьютеры(миниЭВМ) — надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с мэйнфреймами возможностями.

Все модели миникомпьютеров разрабатываются на основе микропроцессорных наборов интегральных микросхем, 32, 64 и 128-разрядных микропроцессоров. Основные их особенности:

· широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения;

· аппаратная реализация большинства системных функций ввода-вывода информации;

· простая реализация многопроцессорных и многомашинных систем;

·высокая скорость обработки прерываний;

·возможность работы с форматами данных различной длины. К достоинствам миникомпьютеров можно отнести:

·специфичную архитектуру с большой модульностью;

·лучшее, чем у мэйнфреймов, соотношение производительность—цена;

·повышенную точность вычислений.

Миникомпыотеры ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов. Традиционная для подобных комплексов широкая номенклатура периферийных устройств дополняется блоками межпроцессорной связи, благодаря чему обеспечивается реализация вычислительных систем с изменяемой структурой. Наряду с использованием миникомпьютеров для управления технологическими процессами, они успешно применяются для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования не-сложных объектов, в системах искусственного интеллекта.

Родоначальником современных миникомпьютеров можно считать компьютеры PDP-11 фирмы DEC (США), они явились прообразом и наших отечественных миниЭВМ - Системы Малых ЭВМ (СМ ЭВМ): СМ 1, 2, 3, 4, 1400, 1700 и т. д. В настоящее время семейство миникомпьютеров PDP-11 включает большое число моделей, начиная от VAX-11 до VAX-3600; мощные модели миникомпьютеров класса 8000 (VAX-8250, 8820); суперминикомпыотеры класса 9000 (VAX-9410, 9430) и т. д.

Миникомпыотеры VAX полностью перекрывают весь диапазон характеристик этого класса компьютеров и в подклассе суперминикомпьютеров стирают грань с мэйнфреймами.

Среди прочих миникомпьютеров следует отметить:

·однопроцессорные: IBM 4381, HP 9000;

·многопроцессорные: Wang VS 7320, AT&T ЗВ 4000;

·суперминикомпыотеры HS 4000, по характеристикам не уступающие мэйнфреймам.

Микрокомпьютеры весьма многочисленны и разнообразны. Среди них можно выделить несколько подклассов (рис. 4.5).

· Многопользовательские микрокомпьютеры — это мощные микрокомпьютеры, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.

· Персональные компьютеры — однопользовательские микрокомпьютеры, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.

· Рабочие станции (workstation) представляют собой однопользовательские микрокомпьютеры, часто специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и т. д.).

· Серверы (server) — многопользовательские мощные микрокомпьютеры в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех рабочих станций сети.

Рис. 4.5. Классификация микрокомпьютеров

· Сетевые компьютеры (network computer) — упрощенные микрокомпьютеры, обеспечивающие работу в сети и доступ к сетевым ресурсам, часто специализированные на выполнение определенного вида работ (защита сети от несанкционированного доступа, организация просмотра сетевых ресурсов, электронной почты и т. д.).

Персональные компьютеры (ПК) относятся к классу микрокомпьютеров, но ввиду их массовой распространенности заслуживают особого внимания. ПК для удовлетворения требованиям общедоступности и универсальности применения должна обладать такими качествами, как:

·малая стоимость ПК, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя;

·автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

·гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптируемость к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;

·дружественность операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;

·высокая надежность работы (более 5000 часов наработки на отказ).

Среди современных ПК в первую очередь следует отметить компьютеры американской фирмы IBM (International Business Machine Corporation).

Широко известны персональные компьютеры, выпускаемые американскими фирмами: Apple (компьютеры Macintosh), Compaq Computer, Hewlett-Packard, Dell, DEC (Digital Equipment Corporation), а также фирмами Великобритании: Spectrum, Amstrad; Франции: Micral; Италии: Olivetti; Японии: Toshiba, Matsushita (Panasonic) и Partner.

Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются персональные компьютеры фирмы IBM, первые модели которых появились в 1981 году, и их аналоги других фирм; существенно уступают по популярности ПК фирмы Apple (Macintosh), занимающие по распространенности 2-е место.

В настоящее время мировой парк компьютеров составляет более четверти миллиарда штук, из них около 90% — это персональные компьютеры (компьютеров типа IBM PC более 80% всех ПК).

Отечественная промышленность (страны СНГ) выпускала микрокомпьютеры:

· Apple-совместимые — диалоговые, вычислительные комплексы ДВК-1-ДВК-4 на основе «Электроника МС-1201»; «Электроника 85», «Электроника 32» и т. п.;

· IBM PC-совместимые - ЕС1840-ЕС1842, ЕС1845, ЕС1849, ЕС1861, «Искра 1030», «Истра 4816», «Нейрон И9.66» и т. д.

По поколениям персональные компьютеры делятся на:

1-го поколения: используют 8-битовые микропроцессоры;

2-го поколения: используют 16-битовые микропроцессоры;

3-го поколения: используют 32-битовые микропроцессоры;

4-го поколения: используют 64-битовые микропроцессоры.

К суперкомпьютерам относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов — десятки миллиардов операций в секунду.

Создать такие высокопроизводительные компьютеры на одном микропроцессоре (МП) не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленного конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/с), поскольку время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 милли-ардов операций в секунду 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. Векторные МПВС, 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).

3. Матричные МПВС, у которых микропроцессор одновременно выполняет разные операции над последовательными потоками обрабатываемых данных – многократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД или MIMD – Multiple Instruction Multiple Data).

Наибольшую эффективность показала MSIMD архитектура, поэтому в современных суперкомпьютерах чаще всего находит применение именно она (суперкомпьютеры фирм Cray, Fujitsu, NEC, Hitachi и т. д.)

Первый суперкомпьютер был задуман в 1960 и создан в 1972 году (машина ILLIAC IV с производительностью 20 MFLOPS), а начиная с 1975 года лидерство в разработке суперкомпьютеров захватила фирма Cray Research, выпустившая Cray 1 с производительностью 160 MFLOPS и объемом оперативной памяти 8 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 сбалансированности ресурсов компьютера — «каждому MFLOPS производительности процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайт оперативной памяти»).

В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперкомпьютеров, начиная от простых офисных Cray EL до мощных Cray 3, Cray 4, Cray Y-MP C90 фирмы Cray Research, Cyber 205 фирмы Control Data, SX-3 и SX-X компании NEC, VP 2000 компании Fujitsu (обе фирмы японские Х VPP 500 компании Fujitsu Siemens (немецко-японская) 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 НО», копировали зарубежные решения, 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 спроектированы и выпущены такие суперкомпьютеры, как повторяющая Cray-архитектуру модель «Электроника СС БИС», оригинальные разработки: ЕС 1191, ЕС 1195, ЕС 1191.01, ЕС 1191.10, «Эльбрус».

Кластерные суперкомпьютеры. 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 сервера 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 multiprocessing, технология мультипроцессирования с разделением памяти).

Программное обеспечение для кластерных систем уже выпускается. Примером может служить компонент Cluster Server операционной системы MS Windows NT/2000 Enterprise. Этот компонент, более известный под кодовым названием Wolfpack, обеспечивает 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).

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.