Организация и функционирование компьютеров

Суперкомпьютер, как и мейнфрейм, – это мощная вычислительная система общего назначения, обладающая ресурсами большой локальной сети и быстродействием, несравнимым с быстродействием миникомпьютеров. Можно сказать, что суперкомпьютер – это объединение машин, представляющее собой единое целое для операционной системы, системного программного обеспечения, прикладных программ и пользователей. Главное качественное отличие суперкомпьютера от мейнфрейма – это связанная система центральных процессоров, предназначенных для выполнения параллельных вычислений. Мейнфреймы также включают несколько процессоров, но там они выполняют каждый свои функции. Процессоры суперкомпьютера позволяют ему поручить те вычисления, которые могут выполняться одновременно, разным процессорам, что позволяет во много раз уменьшить время вычислений.

Задачи, связанные с выполнением параллельных вычислений, очень сложны и математически, и технически. Они потребовали и новых технологических решений, и разработки новых операционных систем, и разработки новых языков программирования, и решения ряда математических проблем. Особенно важны суперкомпьютеры для сверхсложных научных вычислений в области космических исследований, авиационных технологий, а также для обслуживания супербольших баз данных.

Современный подход к суперкомпьютерам предполагает организацию системы параллельных процессоров в форме кластеров, которые могут подключаться независимо. Первой концепцию кластерной системы анонсировала компания DEC, определив ее как группу объединенных между собой вычислительных машин, представляющих собой единый узел обработки информации с общей внешней памятью, обеспечивающую единый механизм управления и администрирования. Работа любой кластерной системы определяется двумя главными компонентами: высокоскоростным механизмом связи процессоров между собой и системным программным обеспечением, которое обеспечивает клиентам прозрачный доступ к системному сервису.

Суперкомпьютер характеризуется следующими свойствами:

• существует ряд аппаратных и системных возможностей параллельного выполнения заданий на процессорах кластера;

• разделение ресурсов между процессорами: процессоры в кластере имеют доступ к общим дисковым накопителям и обращаются к их файлам данных как к локальным;

• если происходит отказ одного процессора, задания его пользователей автоматически могут быть перенесены на другой; то же относится к контроллерам внешних накопителей и других периферийных устройств;

• прикладные программы могут инсталлироваться однажды на общих дисках кластера и разделяться между всеми процессорами кластера.

• увеличение вычислительной мощности кластера достигается подключением к нему дополнительных процессоров; дополнительные накопители на магнитных дисках становятся доступными для всех процессоров, входящих в кластер.

Двумя основными проблемами построения вычислительных систем для критически важных приложений являются обеспечение сверхвысокой производительности и сверхнадежности функционирования системы. Задача обеспечения продолжительного функционирования системы имеет три составляющих: надежность, готовность и удобство обслуживания. Суперкомпьютеры относятся к типу «систем высокой готовности» (High Availability Systems). Системы высокой готовности имеют общую цель – минимизацию времени простоя. Имеется два типа времени простоя компьютера: плановое и неплановое. Плановое время простоя требуется для проведения работ по модернизации системы и для ее обслуживания. Неплановое время простоя является результатом отказа системы или компонента. Следует отметить, что высокая готовность не дается бесплатно. Стоимость систем высокой готовности намного превышает стоимость обычных систем.