Общеизвестно что компьютеры имеют разную внутреннюю структуру, элементы и разные виды связей между ними.

Например по архитектуре можно классифицировать компьютеры следующим образом:

ь компьютеры с шинной архитектурой

ь компьютеры с канальной архитектурой

Параллельные и конвейерные архитектуры

Рассмотрим также понятие параллельной обработки. Затраты времени как при числовой, так и нечисловой обработке легко снизить путем распараллеливания операций. Это означает, что сходные действия над группами данных выполняются одновременно одинаковыми процессорами. Параллелизм - это естественное решение проблемы обработки больших наборов данных с повторяющейся структурой.

Для организации параллельной обработки требуется:

Составление параллельных программ, т.е. отображение в явной форме параллельной обработки с помощью специальных конструкций языка, ориентированного на параллельные вычисления;

Автоматическое обслуживание параллелизма. Последовательная программа может быть автоматически проанализирована и выявлена явная или скрытая параллельная обработка. Она должна быть преобразована в явную

Отображение параллельной обработки вручную или автоматически на рабочие алгоритмы, использующие специфические характеристики заданной архитектуры.

При этом параллельные архитектуры, в особенности такие как матричные процессоры достигают высокой производительности именно с учетом архитектурных ограничений.

Конвейерная обработка. Конвейерная обработка улучшает использование аппаратных ресурсов для заданного набора процессов. Пример конвейерной организации сборочный транспортер на производстве. Если транспортер использует аналогичные, но не тождественные изделия, то это - последовательный конвейер., если же все изделия одинаковые, то это - векторный конвейер. В архитектуре вычислительных машин традиционными примерами последовательных конвейеров являются конвейерное устройство обработки команд и арифметико-логическое устройство. Конвейеры содержащие циклы называются циклическими. Конвейеры можно подразделять на однофункциональные и многофункциональные, а также на статические и динамические. Многофункциональный конвейер может перестраиваться при переходе от одной группы заданий к другой, тогда как в динамическом конвейере такая перестройка может производится между отдельными заданиями. Конвейерное устройство умножения, выполняющее одну определенную функцию, называется однофункциональным статическим конвейером.

Неклассические типы архитектур вычислительных машин

В ЭВМ классической архитектуры, чтобы найти значение элемента данных мы указываем начальное значение адреса блока памяти, а затем смещение конкретно элемента относительно начального адреса. Эти два значения складываются и получается искомый адрес. Этот вид памяти называется адресуемым. При ассоциативной адресации данные выбираются не по адресу, а по содержимому полей. Вначале пытались отразить ассоциативную адресацию и параллельную обработку на ЭВМ классической архитектуры, в которой один процессор обращается к памяти по адресу. В этой архитектуре для обработки всей информации мы располагаем всего лишь одним процессором. При этом миллиарды символов информации находятся в состоянии ожидания передачи через канал и обработки. При этом затраты времени будут очень большими. При использовании вышеизложенных концепций на этом уровне требуется внести в архитектуру два изменения:

А) использовать параллельные процессоров, т.е. параллелизм обработки;

Б) приблизить процессоры к данным, чтобы устранить постоянную передачу данных, т.е. распределенную логику. Кроме того в ЭВМ классической архитектуры обращение к памяти происходит по адресу, что приемлемо при числовой обработке, однако для организации нечисловой обработки, где обращение происходит по содержание приходится вводить режим эмуляции ассоциативной адресации с помощью основного адресного доступа. При этом создаются специальные таблицы для перевода ассоциативного запроса в адрес. Учитывая, количество информации , легко представить с какими затратами связана обработка этих таблиц.

Современные же СУБД должны уметь эффективно работать и с системами нечисловой обработки. В общих чертах новая архитектура должна удовлетворять следующим требованиям:

-параллелизм и использование процессоров в памяти;

ассоциативная память с ориентацией на обработку наборов данных;

специализированный набор команд с непосредственной аппаратной поддержкой;

эффективная работа в режиме разделения времени.

В прошлом разработка новых архитектур ЭВМ шла в двух направлениях. Одно направление, целью которого было устранении ограничений традиционной архитектуры при числовой обработке, концентрировалось на вопросах параллелизма и векторных операциях. Другое было посвящено параллельным ассоциативным структурам - ассоциативным процессорам. Однако отсутствие четко сформулированных проблем и недостаточное развитие технологий не позволяло до последнего времени реализовать эти проекты.

Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей:

магистральные (конвейерные) МПВС, в которых процессоры одновременно выполняют 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);

векторные МПВС, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными - однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD - Single Instruction Multiple Data);

матричные МПВС, в которых МП одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных - многократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД или МIМD - Multiple Instruction Multiple Data).

В суперЭВМ используются все три варианта архитектуры МПВС:

структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпьютере BSP фирмы Burroughs);

параллельно-конвейерная модификация, или MMISD, т. е. многопроцессорная (Multiple) MISD-архитектура (например, в суперкомпьютере Эльбрус 3);

параллельно-векторная модификация, или MMISD, т. е. многопроцессорная SIMD архитектура (например, в суперкомпьютере Cray 2).

Наибольшую эффективность показала MSIMD-архитектура, поэтому в современных супер-ЭВМ чаще всего используется именно она (суперкомпьютеры фирм Cray, Fujitsu, NEC, Hitachi и др.).

Первая суперЭВМ была задумана в 1960 г. и создана в 1972 г. (машина ILLIAC IV с производительностью 20 MFLOPS), а начиная с 1974 г. лидерство в разработке суперЭВМ захватила фирма Cray Research, выпустившая ЭВМ Cray 1 с производительностью 160 MFLOPS и объе-мом оператив¬ной памяти 64 Мбайта, а в 1984 г. - ЭВМ Cray 2, в полной мере реализовавшую архитектуру MSIMD и ознаменовавшую появление нового поколения суперЭВМ. Производительность Cray 2 составляла 2000 MFLOPS, объем оперативной памяти - 2 Гбайта. Классическое соотношение, так как критерий сбалансированности ресурсов ЭВМ - каждому MFLOPS производительности процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайта оперативной памяти.

В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперЭВМ (в 1991 г. - 900 шт.) начиная от простеньких офисных Cray EL до мощных Cray 3, Cray 4, Cray Y-MP C90 фирмы Cray Research, Cyber 205 фирмы Control Data, SХ-3 и SX-X фирмы NEC, VP 2000 фирмы Fujitsu, VPP 500 фирмы Siemens и другие. Их производительностью составляет несколько десятков тысяч MFLOPS. Среди лучших суперЭВМ можно отметить и отечественные суперкомпьютеры.

Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы:

1. Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными).

2. Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.

3. Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.

Классификация компьютеров по функциональным возможностям

Схема классификации компьютеров, исходящая из их производительности, размеров и функционального назначения, приведена на рис. 1. Следует отметить, что вопрос об отнесении конкретного компьютера к одной из категорий этой схемы может иметь неоднозначный ответ, привязанный к конкретной исторической обстановке или доминирующему поколению ЭВМ.

Место супер-ЭВМ в этой иерархии уже обсуждалось. Определить супер-ЭВМ можно лишь относительно: это самая мощная вычислительная система, существующая в соответствующий исторический период. В настоящее время наиболее известны мощные супер-ЭВМ Cray и IBM SP2 (США). Модель Сгау-3 , выпускаемая с начала 90-х годов на основе принципиально новых микроэлектронных технологий, является 16-процессорной машиной с быстродействием более 10 млрд. операций в секунду (по другим данным 16) над числами с “плавающей точкой” (т.е. длинными десятичными числами; такие операции гораздо более трудоемки, чем над целыми числами); в модели CS 6400 число процессоров доведено до 64. Супер-ЭВМ требуют особого температурного режима, зачастую водяного охлаждения (или даже охлаждения жидким азотом). Их производство по масштабам несопоставимо с производством компьютеров других классов (так, в 1995 г. корпорацией «Cray» было выпущено всего около 70 таких компьютеров).

Суперкомпьютеры -- это очень мощные компьютеры с производительностью свыше 100 мегафлопов (1 мегафлоп -- миллион операций с плавающей точкой в секунду). Они называются сверхбыстродействующими. Эти машины представляют собой многопроцессорные и (или) многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Различают суперкомпьютеры среднего класса, класса выше среднего и переднего края (high end).

Оксфордский толковый словарь по вычислительной технике, изданный почти 10 лет назад, в 1986 году, сообщает, что суперкомпьютер - это очень мощная ЭВМ с производительностью свыше 10 MFLOPS (миллионов операций с плавающей запятой в секунду). Сегодня этот результат перекрывают уже не только рабочие станции, но даже, по крайней мере, по пиковой производительности, и ПК. В начале 90-х годов границу проводили уже около отметки в 300 MFLOPS. В этом году, судя по появившимся в печати сообщениям, специалисты двух ведущих "суперкомпьютерных" стран, - США и Японии, - договорились о подъеме планки до 5 GFLOPS.

Однако такой подход к определению суперЭВМ не совсем корректен. Очевидно, что, современный двухпроцессорный компьютер Cray C90 любой здравомыслящий человек назовет суперЭВМ. А тем не менее, его пиковая производительность меньше 2 GFLOPS. С этим вопросом тесно связаны и ограничения (ранее - КОКОМ, теперь - Госдепартамента США) на поставку высокопроизводительных средств вычислительной техники другим странам. Компьютеры с производительностью свыше 10 000 млн. теоретических операций в сек. (MTOPS), согласно определению Госдепартамента США, считаются суперкомпьютерами.

Более корректно, на наш взгляд, перечислить основные признаки, характеризующие суперЭВМ, среди которых кроме высокой производительности следует отметить:

? самый современный технологический уровень (например, GaAs-технология);

? специфические архитектурные решения, направленные на повышение быстродействия (например, наличие операций над векторами);

? цена, обычно свыше 1-2 млн. долл.

Архитектура суперкомпьютеров основана на идеях параллелизма и конвейеризации вычислений.

В этих машинах параллельно, то есть одновременно, выполняется множество похожих операций (это называется мультипроцессорной обработкой). Таким образом, сверхвысокое быстродействие обеспечивается не для всех задач, а только для задач, поддающихся распараллеливанию.

Что такое конвееpная обработка? Приведем сравнение -- на каждом рабочем месте конвейера выполняется один шаг производственного процесса, а на всех рабочих местах в одно и то же время обрабатываются различные изделия на всевозможных стадиях. По такому принципу устроено арифметико-логическое устройство суперкомпьютера.

Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами -- векторами и матрицами. В них встроены векторные регистры и параллельный конвейерный механизм обработки. Если на обычном процессоре программист выполняет операции над каждым компонентом вектора по очереди, то на векторном -- выдаёт сразу векторные команды.

Векторная аппаратура очень дорога, в частности, потому, что требуется много сверхбыстродействующей памяти под векторные регистры.

Наиболее распространённые суперкомпьютеры -- массово параллельные компьютерные системы. Они имеют десятки тысяч процессоров, взаимодействующих через сложную, иерархически организованую систему памяти.

В качестве примера рассмотрим характеристики многоцелевого массово-параллельного суперкомпьютера среднего класса Intel Pentium Pro 200. Этот компьютер содержит 9200 процессоров Pentium Pro на 200 Мгц, в сумме (теоретически) обеспечивающих производительность 1,34 Терафлоп (1 Терафлоп равен 10¹² операций с плавающей точкой в секунду), имеет 537 Гбайт памяти и диски ёмкостью 2,25 Терабайт. Система весит 44 тонны (кондиционеры для неё -- целых 300 тонн) и потребляет мощность 850 кВт.

Суперкомпьютеры используются для решения сложных и больших научных задач (метеорология, гидродинамика и т. п.), в управлении, разведке, в качестве централизованных хранилищ информации и т.д.

Элементная база -- микросхемы сверхвысокой степени интеграции

Можно ли как-то точно определить, что есть суперкомпьютер, а что есть высокопроизводительная установка? Ученые и специалисты спорят о критериях до сих пор. Но в одном нет сомнения: если в каждый момент времени взять 500 самых мощных машин мира, то все специалисты согласятся, что их можно смело называть суперкомпьютерами. Так что, вполне можно придерживаться такого определения.

C 1993 года в мире ведется рейтинг пятисот самых мощных компьютеров -- TOP-500 http://www.top500.org. Рейтинг обновляется 2 раза в год -- в июне и ноябре. На сайте TOP-500 есть база данных всех выпусков рейтинга с 1993 года, есть очень удобные средства поиска в этой базе данных. Легко, например, узнать, сколько суперкомпьютеров было в такой-то стране за весь период существования рейтинга или в тот или иной год. Легко узнать, сколько суперкомпьютеров попало в этот список (за все годы существования рейтинга, или в определенный год) от некоторого производителя: IBM, HP, и т.д. Можно узнать, сколько было отечественных разработок. Поскольку наши производители еще не такие именитые, как IBM, в графе «Производитель» их помечают словами «собственная разработка» -- «self-made».

Чем суперкомпьютеры отличаются по устройству от простых (персональных) компьютеров? Каковы их архитектурные особенности? Сегодня все суперкомпьютеры -- это мультипроцессорные системы, т.е. это системы, в которых не один и не два процессора (как в большинстве персоналок), а очень много -- сотни, тысячи, до десятка тысяч. Архитектура у суперкомпьютеров бывает разная: векторная, конвейерная и др. Но на сегодняшний день самая популярная архитектура суперкомпьютеров (72% в списке TOP-500) -- кластеры. Кластерная архитектура подразумевает создание суперкомпьютера по следующей схеме:

-Берутся так называемые вычислительные узлы -- самые обычные компьютеры, как и у простых пользователей. Вот только процессоров в узле обычно несколько: от 2-х до 8-ми. Если не вдаваться в детали, то можно сказать, что используются комплектующие, широко доступные на рынке: обычные (SMP-мультипроцессорные) материнские платы, обычные процессоры (от Intel, от AMD или от IBM и т.п.), память, диски.

-Как правило, все эти комплектующие собираются в специальном корпусе, в компактном исполнении, в компактном форм-факторе. Обычно это выглядит так, как будто привычную персоналку "раскатали в тонкий (порядка 3 см) блин".

-Затем берется большое количество таких узлов -- сотни и даже тысячи. Узлы устанавливаются в специальные шкафы и соединяются между особой сверхбыстрой сетью, которая используется для организации параллельного счета. Иногда для этого используют широкодоступные сетевые технологии, например, Gigabit Ethernet. Однако когда речь идет о серьезном подходе к суперкомпьютеру, то используют особые сетевые решения, специальную сеть для оптимальной организации параллельного счета: InfiniBand, SCI, Myrinet и др.

Кроме этой «сети для счета», обычно узлы связывают еще одной сетью для передачи данных и программ. Здесь уже используют, как правило, обычные сетевые технологии (сегодня это, как правило, Gigabit Ethernet).

Более того, часто в суперкомпьютере бывает и третья, одельная управляющая сеть, которая регулирует такие вопросы как включение выключение электропитания, Reset отдельных узлов, вышедших из повиновения и т.д.

Конструктивно все это выглядит довольно внушительно. Даже если мы рассматриваем суперкомпьютеры с 100 до 500-го места списка TOP-500, то это от 2-х до 10-ти шкафов, в которые компактно упакованы вычислительные узлы. Первая сотня в списке TOP-500 -- это десятки шкафов оборудования. А машины из первой десятки списка TOP-500 занимает огромное помещение, заставленное сотней шкафов. Иногда для таких машин даже строят специальное здание, как это было для известного японского суперкомпьютера Earth Simulato. Сегодня он занимает седьмое место в Top500, а ранее долгое время (с ноября 2001 по июнь 2004 года, шесть выпусков рейтинга Top500!) он был самым мощным суперкомпьютером в мире.

Рис.1 Японский суперкомпьютер Earth Simulator (3-ий этаж компьютера)

В этом здании на первом этаже располагается электростанция, поскольку Earth Simulator потребляет шесть мегаватт электроэнергии. Второй этаж занимают только коммуникации -- кабельные сети. Третий этаж заставлен полностью шкафами с оборудованием. Размеры каждого этажа 65х50 метров, высота -- 7 метров.

А, скажем, наш самый мощный суперкомпьютер отечественной разработки «СКИФ К-1000», который представляет собой 8 шкафов (которые занимают около 5 кв.м), 288 вычислительных узлов, 576 процессоров, для своего размещения требует помещения в 20 кв. метров. Кроме узлов в шкафах тянутся 2,5 километра кабеля с примерно 2000 разъемов, которые надо было, ничего не напутав, правильно подсоединить. Потребляет эта установка 89 киловатт.

Несколько слов о том, что такое производительность суперкомпьютера. Измеряется она в количестве вычислительных арифметических операций, выполняемых суперкомпьютером за одну секунду. Современные суперкомпьютеры способны выполнять миллиарды (GFlops) и триллионы операций в секунду (TFflops).

Суперкомпьютер «Ломоносов»

Технические характеристики суперкомпьютера "Ломоносов"

Пиковая производительность	420Тфлопс
Реальная производительность	350Тфлопс
Эффективность (соотношение пиковой и реальной производительности)	83%
Число вычислительных узлов	4 446
Число процессоров	8 892
Число процессорных ядер	35 776
Число типов вычислительных узлов	3 (T-Blade2, T-Blade 1.1, платформа на базе процессора PowerXCell 8i)
Основной тип вычислительных узлов	T-Blade2
Процессор основного типа вычислительных узлов	Intel® Xeon X5570
Оперативная память	56 576ГБ
Общий объем дисковой памяти вычислителя	166 400ГБ
Занимаемая площадь	252 кв.м
Энергопотребление вычислителя	1.5 МВт
Интерконнект	QDR Infiniband
Система хранения данных	Трехуровневая с параллельной файловой системой
Объем системы хранения данных	до 1 350ТБ
Операционная система	Clustrx T-Platforms Edition

Суперкомпьютер «Ломоносов» - первый гибридный суперкомпьютер такого масштаба в России и Восточной Европе. В нем используется 3 вида вычислительных узлов и процессоры с различной архитектурой. Перед установкой в МГУ им. М.В. Ломоносова система прошла тщательное тестирование на производстве компании «Т-Платформы». В качестве основных узлов, обеспечивающих свыше 90% производительности системы, используется инновационная blade-платформа, получившая название T Blade2. По вычислительной плотности на квадратный метр занимаемой площади - 30Тфлопс/м2 - эта система превосходит все мировые аналоги. T Blade2 на базе процессоров Intel® Xeon X5570 обеспечивает производительность 18TFlops в стандартной стойке высотой 42U. В суперкомпьютере также задействованы blade-системы T-Blade 1.1 с увеличенным объемом оперативной памяти и локальной дисковой памятью для выполнения специфических задач, особенно требовательных к этим параметрам системы. Третий тип узлов - платформы на базе многоядерного процессора PowerXCell 8i, использующиеся в качестве мощных ускорителей для ряда задач. Все три типа вычислительных узлов были разработаны компанией «Т-Платформы».

Платформа T-Blade2 была сконструирована инженерами «Т Платформы» «с нуля» - все платы и механические компоненты являются собственными разработками компании. T-Blade2 выходит за рамки традиционных возможностей blade-систем. Новая платформа позволяет создавать суперкомпьютеры высшего диапазона производительности, не уступающие специализированным нестандартным вычислителям с массивно-параллельной архитектурой (MPP).

Суперкомпьютеры на базе T-Blade2 обеспечивают высокую эффективность реальных приложений за счет принципиально новых технологий, таких как выделенные сети барьерной синхронизации и глобальных прерываний. Они позволяют за минимальное время синхронизировать вычислительные процессы на отдельных узлах и ускорить обмен данными между процессорами.

В качестве системной сети, связывающей узлы суперкомпьютера «Ломоносов», используется интерконнект QDR Infiniband с пропускной способностью до 40Гб/сек. Для максимально бесконфликтной передачи данных в интегрированных коммутаторах InflniBand предусмотрено избыточное количество внешних портов: их суммарная пропускная способность составляет 1,6Тбит/сек.

Система хранения данных

Суперкомпьютер использует трехуровневую систему хранения данных суммарным объемом до 1 350ТБ с параллельной файловой системой Lustre. Система хранения данных обеспечивает одновременный доступ к данным для всех вычислительных узлов суперкомпьютера с агрегированной скоростью чтения данных - 20Гб/сек и агрегированной скоростью записи - 16Гб/сек.

Специализированное программное обеспечение

Суперкомпьютер работает под управлением пакета Clustrx - разработки компании T-Massive Computing, входящей в состав холдинга «Т-Платформы». Clustrx ОС устраняет критические ограничения масштабируемости, присущие современным операционным системам, обеспечивая более эффективное использование ресурсов крупных инсталляций размером до 25000 узлов. Пакет Clustrx содержит все необходимые компоненты для управления суперкомпьютером и организации удобного доступа пользователей к системе. Clustrx обеспечивает ежесекундный мониторинг до 300 метрик на каждом вычислительном узле, использует технологии агрессивного энергосбережения и автоматического реагирования на критические ситуации.

Отказоустойчивость

Добиться требуемого уровня отказоустойчивости позволило резервирование всех критических подсистем и компонентов суперкомпьютерного комплекса - от вентиляторов и блоков питания в вычислительных узлах до систем электропитания и охлаждения. Высокую надежность blade-систем обеспечивает отсутствие кабельных соединений и жестких дисков внутри шасси, а также целый ряд конструктивных решений, таких как специально разработанные разъемы для модулей памяти.

Применение

Система будет использоваться для решения ресурсоемких вычислительных задач в рамках фундаментальных научных исследований, а также для проведения научной работы в области разработки алгоритмов и программного обеспечения для мощных вычислительных систем.

Большие ЭВМ (Main Frame)

Мэйнфрейм -- большая универсальная ЭВМ -- высокопроизводительный компьютер со значительным объёмом оперативной и внешней памяти, предназначенный для организации централизованных хранилищ данных большой ёмкости и выполнения интенсивных вычислительных работ.

Большие компьютеры применяют для обслуживания крупных областей народного хозяйства. Они характеризуются 64-разрядными параллельно работающими процессорами (количество которых достигает до 100), интегральным быстродействием до десятков миллиардов операций в секунду, многопользовательским режимом работы. Доминирующее положение в выпуске компьютеров такого класса занимает фирма IBM (США). Наиболее известными моделями суперЭВМ являются: IBM 360, IBM 370, IBM ES/9000, Cray 3, Cray 4, VAX-100, Hitachi, Fujitsu VP2000.

Технические характеристики мейнфреймов

· Вертикальное масштабирование образуется путем наращивания количества процессоров в одной системе.

· Горизонтальное масштабирование реализуется путем объединения мощных компьютеров в один логический компьютер. Можно объединить, практически, любое количество компьютеров. Они могут быть, географически, удаленны друг от друга.

· Высокая надежность хранения данных. В мейнфреймах обеспечивается путем использования RAID-массивов. С возможностью горячей замены. Производиться круглосуточное резервирование данных.

· Горячая замена, практически, любых компонентов. Дисков, оперативной памяти и даже процессоров.

· Мейнфрейм имеют высокий контроль над ошибками. Моментальное тестирование данных в памяти при их использовании. Дублирование каналов связи с периферийным оборудованием.

· Криптографическая защита данных на аппаратном уровне.

· Централизованное хранение данных. Дает высокую надежность и актуальность.

В архитектурном плане мейнфреймы представляют собой многопроцессорные системы, содержащие один или несколько центральных и периферийных процессоров с общей памятью, связанных между собой высокоскоростными магистралями передачи данных. При этом основная вычислительная нагрузка ложится на центральные процессоры, а периферийные процессоры (в терминологии IBM - селекторные, блок-мультиплексные, мультиплексные каналы и процессоры телеобработки) обеспечивают работу с широкой номенклатурой периферийных устройств.

· Среднее время наработки на отказ. Время наработки на отказ современных мейнфреймов оценивается в 12-15 лет. Надёжность мейнфреймов -- это результат их почти 60-летнего совершенствования. Группа разработки VM/ESA затратила двадцать лет на удаление ошибок из операционной системы, и в результате была создана система, которую можно использовать в самых ответственных случаях.

· Повышенная устойчивость систем. Мейнфреймы могут изолировать и исправлять большинство аппаратных и программных ошибок за счёт использования следующих принципов:

· Дублирование: два резервных процессора, запасные микросхемы памяти, альтернативные пути доступа к периферийным устройствам.

· Горячая замена всех элементов вплоть до каналов, плат памяти и центральных процессоров.

· Целостность данных. В мейнфреймах используется память с коррекцией ошибок. Ошибки не приводят к разрушению данных в памяти, или данных, ожидающих вывода на внешние устройства. Дисковые подсистемы построенные на основе RAID-массивов с горячей заменой и встроенных средств резервного копирования защищают от потерь данных.

· Рабочая нагрузка. Рабочая нагрузка мейнфреймов может составлять 80-95 % от их пиковой производительности. Для UNIX-серверов, обычно, рабочая нагрузка не может превышать 20-30 % от пиковой загрузки. Операционная система мейнфрейма будет тянуть всё сразу, причём все приложения будут тесно сотрудничать и использовать общие куски ПО.

· Пропускная способность. Подсистемы ввода-вывода мейнфреймов разработаны так, чтобы работать в среде с высочайшей рабочей нагрузкой на ввод-вывод данных.

· Масштабирование. Масштабирование мейнфреймов может быть как вертикальным, так и горизонтальным. Вертикальное масштабирование обеспечивается линейкой процессоров с производительностью от 5 до 200 MIPS и наращиванием до 12 центральных процессоров в одном компьютере. Горизонтальное масштабирование реализуется объединением ЭВМ в Sysplex (System Complex) -- многомашинный кластер, выглядящий с точки зрения пользователя единым компьютером. Всего в Sysplex можно объединить до 32 машин. Географически распределённый Sysplex называют GDPS. В случае использования ОС VM для совместной работы можно объединить любое количество компьютеров. Программное масштабирование -- на одном мейнфрейме может быть сконфигурировано фактически бесконечное число различных серверов. Причем все серверы могут быть изолированы друг от друга так, как будто они выполняются на отдельных выделенных компьютерах и в тоже же время совместно использовать аппаратные и программные ресурсы и данные.

· Доступ к данным. Поскольку данные хранятся на одном сервере, прикладные программы не нуждаются в сборе исходной информации из множества источников, не требуется дополнительное дисковое пространство для их временного хранения, не возникают сомнения в их актуальности. Требуется небольшое количество физических серверов и значительно более простое программное обеспечение. Всё это, в совокупности, ведёт к повышению скорости и эффективности обработки.

· Защита. Встроенные в аппаратуру возможности защиты, такие как криптографические устройства, и Logical Partition, и средства защиты операционных систем, дополненные программными продуктами RACF или VM:SECURE, обеспечивают совершенную защиту.

· Пользовательский интерфейс. Пользовательский интерфейс у мейнфреймов всегда оставался наиболее слабым местом. Сейчас же стало возможно для прикладных программ мейнфреймов в кратчайшие сроки и при минимальных затратах обеспечить современный веб-интерфейс.

· Сохранение инвестиций -- использование данных и существующих прикладных программ не влечёт дополнительных расходов по приобретению нового программного обеспечения для другой платформы, переучиванию персонала, переноса данных и тд.

· группа технического обслуживания

· центральный процессор

· группа подготовки данных

· группа системных программистов

· отдел выдачи результатов

· группа прикладных программистов

· группа информационной поддержки

На базе больших ЭВМ создают вычислительный центр, который содержит несколько отделов или групп (структура которого изображена на рис. 2). Штат обслуживания - десятки людей.

Структура вычислительного центра на базе большой ЭВМ

Центральный процессор - основной блок ЭВМ, в котором происходит обработка данных и вычисление результатов. Представляет собой несколько системных блоков в отдельной комнате, где поддерживается постоянная температура и влажность воздуха.

Группа системного программирования - занимается разработкой, отладкой и внедрением программного обеспечения, необходимого для функционирования вычислительной системы. Системные программы обеспечивают взаимодействие программ с оборудованием, то есть программно-аппаратный интерфейс вычислительной системы.

Группа прикладного программирования - занимается созданием программ для выполнения конкретных действий с данными, то есть обеспечение пользовательского интерфейса вычислительной системы.

Группа подготовки данных - занимается подготовкой данных, которые будут обработаны на прикладных программах, созданных прикладными программистами. В частности, это набор текста, сканирование изображений, заполнение баз данных.

Группа технического обеспечения - занимается техническим обслуживанием всей вычислительной системы, ремонтом и отладкой аппаратуры, подсоединением новых устройств.

Группа информационного обеспечения - обеспечивает технической информацией все подразделения вычислительного центра, создает и сохраняет архивы разработанных программ (библиотеки программ) и накопленных данных (банки данных).

Отдел выдачи данных - получает данные от центрального процессора и превращает их в форму, удобную для заказчика (распечатка).

Большим ЭВМ присуща высокая стоимость оборудования и обслуживания, поэтому работа организована непрерывным циклом.

Большие ЭВМ более доступны, чем “супер”. Они также требуют специального помещения, иногда весьма немалого, поддержания жесткого температурного режима, высококвалифицированного обслуживания. Такую ЭВМ в 80-е годы мог себе позволить завод, даже крупный вуз. Классическим примером служат выпускавшиеся еще недавно в США машины серии IBM 370 и их отечественные аналоги ЕС ЭВМ. Большие ЭВМ используются для производства сложных научно-технических расчетов, математического моделирования, а также в качестве центральных машин в крупных автоматизированных системах управления. Впрочем, скорость прогресса в развитии вычислительной техники такова, что возможности больших ЭВМ конца 80-х годов практически по всем параметрам перекрыты наиболее мощными «супер-мини» середины 90-х. Несмотря на это, выпуск больших машин продолжается, хотя цена одной машины может составлять несколько десятков миллионов долларов.

МиниЭВМ

Похожа на большие ЭВМ, но меньших размеров. Используют на крупных предприятиях, научных учреждениях и организациях. Часто используют для управления производственными процессами. Характеризуются мультипроцессорной архитектурой, подключением до 200 терминалов, дисковыми запоминающими устройствами, которые наращиваются до сотен гигабайт, разветвленной периферией. Для организации работы с миниЭВМ, нужен вычислительный центр, но меньший чем для больших ЭВМ.

Мини-ЭВМ появились в начале 70-х годов. Их традиционное использование -либо для управления технологическими процессами, либо в режиме разделения времени в качестве управляющей машины небольшой локальной сети. Мини-ЭВМ используются, в частности, для управления станками с ЧПУ, другим оборудованием. Среди них выделяются «супер мини», имеющие характеристики, сравнимые с характеристиками больших машин (например, в 80-х годах таковыми считалось семейство VAX-11 фирмы DEC и его отечественные аналоги - СМ 1700 и др.).

МикроЭВМ

Доступны многим учреждениям. Для обслуживания достаточно вычислительной лаборатории в составе нескольких человек, с наличием прикладных программистов. Необходимые системные программы покупаются вместе с микроЭВМ, разработку прикладных программ заказывают в больших вычислительных центрах или специализированных организациях.

Программисты вычислительной лаборатории занимаются внедрением приобретенного или заказанного программного обеспечения, выполняют его настройку и согласовывают его работу с другими программами и устройствами компьютера. Могут вносить изменения в отдельные фрагменты программного и системного обеспечения.

Микро-ЭВМ обязаны своим появлением микропроцессорам. Среди них выделяют многопользовательские, оборудованные многими выносными терминалами и работающие в режиме разделения времени; встроенные, которые могут управлять станком, какой-либо подсистемой автомобиля или другого устройства (в том числе и военного назначения), будучи его малой частью. Эти встроенные устройства (их часто называют контроллерами) выполняются в виде небольших плат, не имеющих рядом привычных для пользователя компьютера внешних устройств.

Термин “рабочая станция” используется в нескольких, порой несовпадающих, смыслах. Так, рабочей станцией может быть мощная микро-ЭВМ, ориентированная на специализированные работы высокого профессионального уровня, которую нельзя отнести к персональным компьютерам хотя бы в силу очень высокой стоимости. Например, это графические рабочие станции для выполнения работ по автоматизированному проектированию или для высокоуровневой издательской деятельности. Рабочей станцией могут называть и компьютер, выполняющий роль хост-машины в подузле глобальной вычислительной сети. Компьютеры фирм “Sun Microsystems”, “Hewlett-Packard”, стоимостью в десятки раз большей, чем персональные компьютеры, являются одно- или многопроцессорными машинами с огромным (по меркам ПК) ОЗУ, мультипроцессорной версией операционной системы, несколькими CD ROM- накопителями и т.д.

Нельзя, наконец, не сказать несколько слов об устройствах, приносящих большую пользу и также являющихся ЭВМ (поскольку они чаще всего и электронные, и вычислительные),-аналоговых вычислительных машинах (АВМ). Они уже полвека хотя и находятся на обочине развития современной вычислительной техники, но неизменно выживают. Известны системы, в которых АВМ сопрягаются с цифровыми, значительно увеличивая эффективность решения задач в целом. Основное в АВМ - они не цифровые, обрабатывают информацию, представленную не в дискретной, а в непрерывной форме (чаще всего в форме электрических токов). Их главное достоинство - способность к математическому моделированию процессов, описываемых дифференциальными уравнениями (порой очень сложных) в реальном масштабе времени. Недостаток - относительно низкая точность получаемых решений и неуниверсальность.

Серверы

Сервером называется мощный компьютер, выделенный из группы персональных компьютеров (или рабочих станций) для выполнения какой либо сервисной задачи без непосредственного участия человека. Сервер и рабочая станция могут иметь одинаковую аппаратную конфигурацию, так как различаются лишь по участию в своей работе человека за консолью.

На сервере хранятся большие объемы информации. К нему предъявляются повышенные требования по быстродействию и надежности работы. В сервере должна быть предусмотрена возможность резервирования всей хранимой информации.

ь По назначению серверы делят:

ь Сервер приложений для обработки запросов от всех станций и предоставления доступа к системным ресурсам

ь Файл-сервер(Data Server) -- для работы с базами данных

ь Архивационный сервер(Storage Express System) для резервного копирования информации в многосерверных сетях

ь Факс-сервер(Net SatisFaxion) для для организации эффективной многоадресной факсимильной связи

ь Почтовый сервер(Mail Server) для организации э п

ь Сервер печати(Print Server) для эффективного использования системных принтеров.

ь Сервер телеконференций для обслуживания станций телеконференциями и новостями.

Любой компьютер может стать сервером, имея соответствующее ПО

Рабочие станции

Рабомчая стамнция (англ. workstation) -- комплекс технических и программных средств, предназначенных для решения определенного круга задач.

1) Рабочая станция как место работы специалиста представляет собой полноценный компьютер или компьютерный терминал (устройства ввода-вывода, отделённые и часто удалённые от управляющего компьютера), набор необходимого ПО, по необходимости дополняемые вспомогательным оборудованием: печатающее устройство, внешнее устройство хранения данных на магнитных и/или оптических носителях, сканер штрих-кода и пр.

В отечественной литературе также использовался термин АРМ (автоматизированное рабочее место), но в более узком смысле, чем «рабочая станция».

2) Также термином «рабочая станция» обозначают компьютер в составе локальной вычислительной сети (ЛВС) по отношению к серверу. Компьютеры в локальной сети подразделяются на рабочие станции и серверы. На рабочих станциях пользователи решают прикладные задачи (работают в базах данных, создают документы, делают расчёты). Сервер обслуживает сеть и предоставляет собственные ресурсы всем узлам сети, в том числе и рабочим станциям.

Существуют достаточно устойчивые признаки конфигураций рабочих станций, предназначенных для решения определённого круга задач, что позволяет обособлять их в отдельный профессиональный подкласс: мультимедиа (обработка изображений, видео, звука), САПР, ГИС, полевая работа и пр. Каждый такой подкласс может иметь присущие ему особенности и уникальные компоненты (в скобках даны примеры областей использования): большой размер видеомонитора и/или несколько мониторов (САПР, ГИС, биржа), быстродействующая графическая плата (кинематограф и мультипликация, компьютерные игры), большой объём накопителей данных (фотограмметрия, мультипликация), наличие сканера (фотография), защищённое исполнение (вооружённые силы, полевые работы) и пр.

X-терминалы

X-терминалы представляют собой комбинацию бездисковых рабочих станций и стандартных ASCII-терминалов. Бездисковые рабочие станции часто применялись в качестве дорогих дисплеев и в этом случае не полностью использовали локальную вычислительную мощь. Одновременно многие пользователи ASCII- терминалов хотели улучшить их характеристики, чтобы получить возможность работы в многооконной системе и графические возможности. Совсем недавно, как только стали доступными очень мощные графические рабочие станции, появилась тенденция применения "подчиненных" X-терминалов, которые используют рабочую станцию в качестве локального сервера.

На компьютерном рынке X-терминалы занимают промежуточное положение между персональными компьютерами и рабочими станциями. Поставщики X-терминалов заявляют, что их изделия более эффективны в стоимостном выражении, чем рабочие станции высокого ценового класса, и предлагают увеличенный уровень производительности по сравнению с персональными компьютерами. Быстрое снижение цен, прогнозируемое иногда в секторе X-терминалов, в настоящее время идет, очевидно, благодаря обострившейся конкуренции в этом секторе рынка. Многие компании начали активно конкурировать за распределение рынка, а быстрый рост объемных поставок создал предпосылки для создания такого рынка. В настоящее время уже достигнута цена в $1000 для Х-терминалов начального уровня, что делает эту технологию доступной для широкой пользовательской базы.

Как правило, стоимость X-терминалов составляет около половины стоимости сравнимой по конфигурации бездисковой машины и примерно четверть стоимости полностью оснащенной рабочей станции.

Что такое X-терминал

Типовой X-терминал включает следующие элементы:

Экран высокого разрешения - обычно размером от 14 до 21 дюйма по диагонали;

Микропроцессор на базе Motorola 68xxx или RISC-процессор типа Intel i960, MIPS R3000 или AMD29000;

Отдельный графический сопроцессор в дополнение к основному процессору, поддерживающий двухпроцессорную архитектуру, которая обеспечивает более быстрое рисование на экране и прокручивание экрана;

Базовые системные программы, на которых работает система X-Windows и выполняются сетевые протоколы;

Программное обеспечение сервера X11;

Переменный объем локальной памяти (от 2 до 8 Мбайт) для дисплея, сетевого интерфейса, поддерживающего TCP/IP и другие сетевые протоколы.

Порты для подключения клавиатуры и мыши.

X-терминалы отличаются от ПК и рабочих станций не только тем, что не выполняет функции обычной локальной обработки. Работа X-терминалов зависит от главной (хост) системы, к которой они подключены посредством сети. Для того, чтобы X-терминал мог работать, пользователи должны инсталлировать программное обеспечение многооконного сервера X11 на главном процессоре, выполняющим прикладную задачу (наиболее известная версия X11 Release 5). Х- терминалы отличаются также от стандартных алфавитно-цифровых ASCII и традиционных графических дисплейных терминалов тем, что они могут быть подключены к любой главной системе, которая поддерживает стандарт X - Windows. Более того, локальная вычислительная мощь X-терминала обычно используется для обработки отображения, а не обработки приложений (называемых клиентами), которые выполняются удаленно на главном компьютере (сервере). Вывод такого удаленного приложения просто отображается на экране X-терминала.

Минимальный объем требуемой для работы памяти X-терминала составляет 1

Мбайт, но чаще 2 Мбайта. В зависимости от функциональных возможностей изделия оперативная память может расширяться до 32 Мбайт и более.

Оснащенный стандартной системой X-Windows, X-терминал может отображать на одном и том же экране множество приложений одновременно. Каждое приложение может выполняться в своем окне, и пользователь может изменять размеры окон, их месторасположение и манипулировать ими в любом месте экрана.

X-Windows - результат совместной работы Масачусетского технологического института (MIT) и корпорации DEC. Система X-Windows (известная также под именем X) в настоящее время является открытым дефакто стандартом для доступа к множеству одновременно выполняющихся приложений с возможностями многооконного режима и графикой высокого разрешения на интеллектуальных терминалах, персональных компьютерах, рабочих станциях и X-терминалах. Она стала стандартом для обеспечения интероперабельности (переносимости) продуктов многих поставщиков и для организации доступа к множеству приложений. В настоящее время X-Windows является стандартом для разработки пользовательского интерфейса. Более 90% поставщиков UNIX-рабочих станций и многие поставщики персональных компьютеров адаптировали систему X-Windows и применяют в качестве стандарта.

Классификация по размерам

Классификация по размеру

· настольные (desktop);

· портативные (notebook);

· карманные (palmtop).

· Настольный ноутбук (DeskNote)

· Планшетный (Tablet PC)

Наиболее распространенными являются настольные ПК, которые позволяют легко изменять конфигурацию. Портативные удобны для пользования, имеют средства компьютерной связи. Карманные модели можно назвать "интеллектуальными" записными книжками, разрешают хранить оперативные данные и получать к ним быстрый доступ.

Laptop (наколенник, от lap> -- колено и top -- поверх). По размерам близок к обычному портфелю. По основным характеристикам (быстродействие, память) примерно соответствует настольным ПК. Сейчас компьютеры этого типа уступают место ещё меньшим.

Notebook (блокнот, записная книжка). По размерам он ближе к книге крупного формата. Имеет вес около 3 кг. Помещается в портфель-дипломат. Для связи с офисом его обычно комплектуют модемом. Ноутбуки зачастую снабжают приводами CD--ROM.

Многие современные ноутбуки включают взаимозаменяемые блоки со стандартными разъёмами. Такие модули предназначены для очень разных функций. В одно и то же гнездо можно по мере надобности вставлять привод компакт-дисков, накопитель на магнитных дисках, запасную батарею или съёмный винчестер. Ноутбук устойчив к сбоям в энергопитании. Даже если он получает энергию от обычной электросети, в случае какого-либо сбоя он мгновенно переходит на питание от аккумуляторов.

Palmtop (наладонник) -- самые маленькие современные персональные компьютеры. Умещаются на ладони. Магнитные диски в них заменяет энергонезависимая электронная память. Нет и накопителей на дисках -- обмен информацией с обычными компьютерами идет линиям связи. Если Palmtop дополнить набором деловых программ, записанных в его постоянную память, получится персональный цифровой помощник(Personal Digital Assistant).

Возможности портативных компьютеров постоянно расширяются. Например, современный карманный компьютер iPAQ 3150 располагает всем необходимым для: ведения списка задач, хранения записок, включая аудиофайлы, работы с календарем, чтения электронной почты, синхронизации с РС, мобильным телефоном. Помимо этого iPAQ позволяет: проигрывать видео и звуковые ролики, бродить по Интернету, просматривать и редактировать документы и электронные таблицы, хранить файлы, искать в них слова, просматривать картинки вести домашнюю бухгалтерию, играть в игры, читать электронные книги с помощью Microsoft Reader, полноценно работать с программным обеспечением.

Классификация по применению и специализации

Классификация по уровню специализации

· универсальные;

· специализированные.

· Проблемно-ориентированные

Универсальные ЭВМ предназначены для решения различных технических, экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большими объемами обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.

Характерными чертами универсальных ЭВМ являются:

* высокая производительность;

* разнообразие форм обрабатываемых данных (двоичные, десятичные, символьные) при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;

* обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных;

* большая емкость оперативной памяти;

* развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных внешних устройств.

Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения довольно узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам. Они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами.

К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.

Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.

Cпециальные компьютеры служат для решения более узкого класса задач или даже одной задачи, требующей многократного решения, и функционируют в особых условиях эксплуатации. Машинные ресурсы специальных компьютеров часто ограничены. Однако их узкая ориентация позволяет реализовать заданный класс задач наиболее эффективно.

Специальные компьютеры управляют технологическими установками, работают в операционных или машинах скорой помощи, на ракетах, самолётах и вертолётах, вблизи высоковольтных линий передач или в зоне действия радаров, радиопередатчиков, в неотапливаемых помещениях, под водой на глубине, в условиях пыли, грязи, вибраций, взрывоопасных газов и т.п. Существует много моделей таких компьютеров. Познакомимся с одной из них.

К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения, адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами, устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем

На базе универсальных ПК можно создать любую конфигурацию для работы с графикой, текстом, музыкой, видео и т.п.. Специализированные ПК созданы для решения конкретных задач, в частности, бортовые компьютеры в самолетах и автомобилях. Специализированные мини-ЭВМ для работы с графикой (кино- видеофильмы, реклама) называются графическими станциями. Специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры в единую сеть, называются файловыми серверами. Компьютеры, обеспечивающие передачу информации через Интернет, называются сетевыми серверами.