Анализ и выбор структуры многопроцессорной вычислительной системы по критерию быстродействия

Цели. Анализ различных архитектур вычислительных систем (ВС), использовавшихся в последние десятилетия, позволил выделить наиболее распространенные структуры. Одной из ключевых особенностей является использование серийно производимого оборудования для создания подсистем обработки данных (например, многоядерные процессоры и полупроводниковая память большой емкости) и сетевого оборудования для построения коммуникационных подсистем. Это снижает затраты на оборудование и позволяет создавать типовые или кластерные конфигурации, что особенно важно для дорогостоящих ВС. Стремление достичь высокой вычислительной скорости и производительности в таких ВС требует минимизации времени на выполнение задачи и балансировки временных задержек как в подсистемах обработки данных, так и в коммуникационной подсистеме, обеспечивающей передачу данных внутри ВС. Целью работы является анализ вычислительных модулей (ВМ) и структур, на основе которых проводится построение кластерных ВС.

Методы. Основные результаты работы получены с использованием методов математического анализа и моделирования.

Результаты. Рассмотрена структура современных многоядерных микропроцессоров (МП), являющихся основой построения ВМ кластерных ВС. По мере увеличения числа ядер в структуре МП усложняется коммуникационная сеть, объединяющая их в единую структуру. Показано, что в новых разработках МП коммуникация между ядрами выполняется в виде сети, а сами МП представляют собой MIMD-структуры (множественный поток команд, множественный поток данных) в соответствии с известной классификацией Флинна.

Выводы. Предложенная методика выбора эффективной структуры ВС позволяет получить оптимальную структуру ВС по критерию быстродействия.

1. Воеводин В.В., Воеводин Вл.В. Параллельные вычисления. СПб.: БХВ-Петербург; 2002. 608 с.

2. Орлов С.А., Цилькер Б.Я. Организация ЭВМ и систем. СПб.: Питер; 2016. 688 с.

3. Хенесси Д.Л., Паттерсон Д.А. Компьютерная архитектура. Количественный подход. 5-е изд. М.: Техносфера; 2016. 936 с.

4. Кирк Б., Шарад С., Стенли В. Как преуспеть в условиях экономики изобилия памяти? Открытые системы. СУБД. 2016;2:25–32.

5. Сугак Е.В. Прикладная теория надежности. Практикум. М.: Лань; 2023. 312 с. ISBN 978-5-507-47014-3

6. Коваленко С.М. Оценка надежности информационно-управляющих систем на основе непрерывных моделей. Вопросы радиоэлектроники. 2005;4(2):143–146.

7. Половко А.М., Гуров С.В. Основы теории надежности. СПб.: БХВ-Петербург; 2006. 702 с. ISBN 5-94157-541-6

8. Черкесов Г.Н. Надежность аппаратно-программных комплексов. СПб.: Питер; 2005. 479 с. ISBN 5-469-00102-4

9. Коваленко С.М., Платонова О.В. Анализ задачи эффективной эксплуатации комплексов систем автоматизации и расчеты надежности на основе непрерывных моделей. Известия вузов. Машиностроение. 2014;8(653):75–89. http://doi.org/10.18698/0536-1044-2014-8-75-79

10. Podgorny Y.V., Antonovich A.N., Petrushin A.A., Sigov A.S., Vorotilov K.A. Effect of metal electrodes on the steady-state leakage current in PZT thin film capacitors. J. Electroceram. 2022;49:15–21. https://doi.org/10.1007/s10832-022-00288-5

11. Абдуллаев Д.А., Милованов Р.А., Волков Р.Л., Боргардт Н.И., Ланцев А.Н., Воротилов К.А., Сигов А.С. Сегнетоэлектрическая память: современное производство и исследования. Russian Technological Journal. 2020;8(5):44–67. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2020-8-5-44-67

12. Конюхова О.В., Кравцова Э.А., Лукьянов П.В. Техническое и программное обеспечение вычислительных машин и систем. Инфра-Инженерия; 2023. 200 с. ISBN 978-5-9729-1186-8

13. Журавлев А.А. Организация и архитектура ЭВМ. Вычислительные системы. Лань; 2022. 144 с. ISBN 978-5-507-48089-0

14. Гельбух С.А. Сети ЭВМ и телекоммуникации. Архитектура и организация. Лань; 2019. 208 с. ISBN 978-5-8114-3474-9

15. Андреев А.М., Можаров Г.П., Сюзев В.В. Многопроцессорные вычислительные системы. Теоретический анализ, математические модели и применение. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана; 2011. 336 с. ISBN 978-5-7038-3439-6