Лекция 3 Архитектура вычислительных систем SMP и

Лекция 3 Архитектура вычислительных систем

SMP и MPP-архитектуры. Гибридная архитектура (NUMA). Организация когерентности многоуровневой иерархической памяти

SMP-архитектура symmetric multiprocessing симметричная многопроцессорная архитектура Главной особенностью является наличие общей физической памяти, разделяемой всеми процессорами. Память служит, в частности, для передачи сообщений между процессорами, при этом все вычислительные устройства при обращении к ней имеют равные права и одну и ту же адресацию для всех ячеек памяти. Поэтому SMP-архитектура называется симметричной.

Схематический вид SMP-архитектуры ЦП ЦП ЦП I/O подсистема Общая физическая память

SMP-архитектура • Позволяет очень эффективно обмениваться данными с другими вычислительными устройствами. • Строится на основе высокоскоростной системной шины (SGI Power. Path, Sun Gigaplane, DEC Turbo. Laser), к слотам которой подключаются функциональные блоки (процессоры, подсистема ввода/вывода). • Вся система работает под управлением единой ОС.

SMP-архитектура Преимущества: • простота и универсальность для программирования. Обычно используется модель параллельных ветвей, когда все процессоры работают независимо друг от друга; • простота эксплуатации; • относительно невысокая цена.

SMP-архитектура Недостатки: • системы с общей памятью плохо масштабируются. SMP-системы не являются перспективными, т. к. возникают проблемы разрешения конфликтов при одновременном обращении нескольких процессоров (8 -24) к одним и тем же областям общей физической памяти. Кроме того, системная шина имеет ограниченную (хоть и высокую) пропускную способность и ограниченное число слотов.

Ограничения для решения проблем • задействовать не более 32 процессоров; • для построения масштабируемых систем использовать кластерные или NUMAархитектуры. • При работе с SMP-системами используют так называемую парадигму программирования с разделяемой памятью (shared memory paradigm).

MPP-архитектура massive parallel processing массивно-параллельная архитектура Главная особенность состоит в том, что память физически разделена. Система строится из отдельных модулей, содержащих процессор, локальный блок оперативной памяти, коммуникационное оборудование (роутеры, сетевые адаптеры), иногда жёсткие диски и/или другие устройства ввода/вывода.

Схематический вид архитектуры MPP ЦП ЦП R 1 I/O подсистема … ОП ОП Rn

MPP-архитектура По сути, такие модули представляют собой полнофункциональные комптютеры. Доступ к блоку памяти данного модуля имеют только процессоры (ЦП) того же модуля. Модули соединяются специальными коммуникационными каналами.

MPP-архитектура Пользователь может определить логический номер процессора, к которому он подключён, и организовать обмен сообщениями с другими процессорами. ОС машин с MPP-архитектурой может работать в одном из двух вариантов работы:

MPP-архитектура 1) Полновесная ОС работает только на управляющей машине, а на каждом модуле работает сильноурезанный вариант ОС, обеспечивающий работу параллельного приложения, работающего только на этом модуле. 2) На каждом модуле работает полноценная UNIX-подобная ОС, устанавливаемая отдельно.

MPP-архитектура В любом случае это вычислительная система с раздельной памятью! Преимущества: • хорошая масштабируемость (не возникает необходимости в потактовой синхронизации процессоров). Машины подобной архитектуры, состоящие из нескольких тысяч процессоров являются на сегодняшний день самыми производительными (ASCI Red, ASCI Blu Pacific).

MPP-архитектура Недостатки: • тратится время на межпроцессорный обмен, т. к. нет общей среды для хранения данных, предназначенных для обмена между процессорами. Требуется специальная техника программирования для реализации такого обмена; • каждый процессор может использовать только «свою» память ограниченного объёма; • Дополнительная нагрузка на программирование для максимального использования системых ресурсов. При работе с MPP-системами используют специальную парадигму программирования с передачей данных (Massive Passing Programming Paradigm).

Гибридная архитектура NUMA nonuniform memory access неоднородный доступ к памяти

MPP-архитектура Примеры вычислительных систем: Суперкомпьютеры MBC-1000, IBM RS/6000 SP, SGI/CRAY T 3 E, ASCI, Hitachi SR 8000, системы Parsytec. SGI/CRAY: пиковая производительность 1200 Мфлопс/с; способны масштабироваться до 2048 процессоров.

Гибридная архитектура NUMA nonuniform memory access неоднородный доступ к памяти Гибридная архитектура совмещает достоинства систем с общей памятью и относительную дешевизну систем с раздельной памятью.

Гибридная архитектура NUMA Память физически распределена по различным частям системы, но логически является общей, так что пользователь видит единое адресное пространство. Система построена из однородных базовых модулей (плат), состоящих из небольшого числа процессоров и блока памяти.

Гибридная архитектура NUMA Модули объединены с помощью высокоскоростного коммутатора. Поддерживается единое адресное пространство, аппаратно доступ к удалённой памяти (памяти других модулей). При этом доступ к локальной памяти осуществляется в несколько раз быстрее, чем к удалённой.

Гибридная архитектура NUMA По существу, архитектура NUMA является MPP архитектурой, где в качестве отдельных вычислительных элементов берутся SMP узлы. Внутри одного SMP-узла доступ к памяти и обмен данными осуществляется через локальную память узла и происходит очень быстро. Доступ к процессорам другого SMP-узла более медленный, т. к. используется более сложная система адресации.

Проц Память Проц … Память Проц Проц Память Проц Коммуникационная сеть Периферия Структурная схема компьютера с гибридной сетью Проц