Классификация архитектур вычислительных комплексов (вычислительных систем)

Являются принципиально новыми средствами по отношению к ЭВМ фоннеймановской модели (модели одного вычислителя). Реализуют следующие архитектуры: MISD, MIMD, SIMD.

В архитектурах классов MISD, SIMD, MIMD допустимо построение следующих типов ВС: конвейерные, матричные, мультипроцессорные, распределенные ВС с программируемой структурой.

Конвейерные ВС – простейший вариант коллектива вычислителей. Основа – конвейерный (цепочечный) способ обработки информации. Функциональная структура – последовательность элементарных блоков обработки (ЭБО). Все ЭБО работают параллельно. Каждый ЭБО реализует операцию над данными определенного типа общего потока данных. Относится к MIST-архитектуре. Схематично можно представить следующим образом:

В большинстве случаев – это мультиконвейерные системы. Принцип действия – единое устройство управления формирует поток команд и поток данных. Аналог конвейерной линии на производстве (например, при сборке автомобиля, где на каждом рабочем месте за один такт времени выполняются параллельно несколько различных элементарных операций)

Матричные ВС – выполняют одновременно большое количество операций на элементарных процессорах (ЭП), объединенных определенным способом в матрицу. Считается, что каждый ЭП представляет собой комбинацию из АЛУ и локальной памяти (ЛП). ЛП предназначена для хранения части данных процессора. Поток команд на ЭП формируется устройством управления (УУ имеет в своем составе память для хранения программы, выполняемой на матрице ЭП). Система относится к архитектуре SIMD. Современные матричные системы имеют способность варьировать количество модулей ЭП. Схематично можно представить следующим образом:

Мультипроцессорные ВС (в принципе все ВС являются мультипроцессорными, но здесь понимается несколько другое) – относятся к MIMD-архитектуре. Состоят из множества процессоров, как правило, связанных между собой через общий ресурс (например, память). Взаимодействие между элементами осуществляется через коммутатор (например, общую шину).

Распределенные ВС – системы, в которых нет единого для всех ресурса (например, общей реальной памяти). ВС основывается на принципах т.н. модульности и близкодействия. Основные компоненты распределенной ВС допускается представлять как композицию одинаковых элементов, взаимодействующих между собой при помощи локальных сетей или коммутаторов.

Один из вариантов реализации распределенной ВС – транспьютерная ВС – композиция одинаковых взаимосвязанных микропроцессоров, называемых транспьютерами, в состав которых входит непосредственно сам процессор, память, локальные средства коммутации и т.н. линки (средства взаимодействия с другими транспьютерами).

ВС с программируемой структурой – полностью основаны на принципе коллектива вычислителей и являются композицией связанных ЭВМ (элементарных машин). Каждая элементарная машина имеет в своем составе процессор, память, внешние устройства, интерфейс для подключения к коммутатору. Архитектура MIMD (впервые предложена сибирским отделением Академии наук СССР).

Кластерные ВС – разновидность мультипроцессорных систем, которые объединяют несколько ЭВМ, функционирующих как единое целое. Термин «кластер» впервые введен фирмой DEC (Digital E Corporation). Кластерные ВС относятся к различным типам архитектур: MISD, SIMD, MIMD. Основная особенность кластерных ВС – они состоят из набора т.н. массовых программно-аппаратных средств, т.е. возможность компоновать их доступной аппаратурой. Взаимодействие между узлами может осуществляться в т.ч. и через глобальные сети. Терминология называется DCE (Distributed Computer Environment).

Суперкомпьютеры – вычислительные средства, имеющие сверхвысокие показатели эффективности (например, количество процессоров). Intel – 80-ядерный процессор, 10 в 12 степени операций в секунду, потребляет мощность 62 Вт.