Вычислительные системы с массовым параллелизмом: состояние и перспективы развития
Букреев И.Н., Забродин А.В., Левин В.К.

По инициативе и при поддержке редакции "Вестника РОИВТ" на его страницах будут постоянно освещаться тенденции развития и опыт практического использования многопроцессорных вычислительных систем для решения ряда ключевых задач научно-технического прогресса.

Первыми публикациями этого цикла стали наиболее интересные доклады, прочитанные на конференции "Вычислительные системы с массовым параллелизмом. Состояние и перспективы развития".

Конференция, организованная по инициативе секции "Информационные системы, вычислительная и электронная техника, связь и телекоммуникации" Инженерной академии РФ и Российской транспьютерной ассоциации при участии НИИ "Квант" Роскомоборонпрома РФ, ИПМ им. М. В. Келдыша РАН, ВНИИЭФ Минатома РФ, проходила в подмосковном городе Домодедово.

Проблемы конференции были нацелены на дальнейшее развитие перспективного направления в вычислительной технике — создание вычислительных систем с массовым параллелизмом, их элементной базы, системного и прикладного математического обеспечения. Во время работы конференции функционировала выставка с показом новейших образцов таких вычислительных устройств и демонстрацией решенных на них сложных прикладных задач газовой динамики, теплопереноса и ряда других. Проведение заседаний сопровождалось дискуссиями, которые проходили с большой заинтересованностью и активностью участников.

Результаты работы конференции позволяют сделать вывод о высокой эффективности вычислительных систем с массовым параллелизмом по соотношению производительность/стоимость, что дает нам реальные возможности решения многих задач на уровне современных требований. В научных организациях России приступили к применению таких систем для следующих задач: конструирование ядерно-энергетических установок, включая вопросы их безопасности и защиту от проникающего излучения; расчет летательных аппаратов различного назначения; создание многоцелевых систем сбора и обработки информации, сигналов и изображений; прогнозирование и управление движением космических аппаратов; навигация; разработка приборов микроэлектроники; изучение структуры больших молекул; разведка и добыча нефти; экология; метеорология и другие, где требуются высокоточные и очень трудоемкие методы расчетов и необходимы суперЭВМ с производительностью на уровне десятков и сотен гигафлопс. Многопроцессорные вычислительные системы с широким распараллеливанием вычислительного процесса могут рассматриваться как проблемно-ориентированные на решение перечисленных выше и других задач.

Несмотря на наличие в США, Японии, Европе суперЭВМ миллиардной производительности, в основном векторно-конвейерных, в этих странах ведется проектирование еще более мощных, но, как правило, многопроцессорных систем с массовым параллелизмом. К ним относятся система Paragon фирмы Intel, различные многопроцессорные системы других фирм США, системы на базе транспьютеров, выпускаемые западноевропейскими фирмами Inmos, Transtech, Parsytec, Meiko и др. Намечается выйти в 1995—1996 гг. на уровень производительности в тысячу миллиардов операций в секунду (терафлопс). Решающим обстоятельством при этом является прогресс в области выпуска микропроцессоров, быстродействие которых уже достигает 100 млн. операций в секунду.

Работы по практической реализации концепции массового параллелизма и разработка вычислительных систем с производительностью порядка сотни гигафлопс начались у нас в стране в начале 80-х годов. В настоящее время в разной стадии проработки находится несколько проектов таких систем, основанных на объединении большого числа — сотен и тысяч микропроцессоров. Регулярная (однородная) структура таких систем, упорядоченность связей между микропроцессорами обеспечивает относительную простоту программирования и эксплуатации. Минимизирован типаж электронных компонентов. Наращивание производительности многопроцессорных систем может осуществляться как посредством увеличения производительности отдельного процессорного элемента, так и наращиванием их количества в системе. Однотипность процессорных модулей облегчает достижение надежной работы ("живучести") системы при отказах отдельных компонентов.

Понятно, что эффективное распараллеливание, т. е. сколько-нибудь полная загрузка большого числа параллельно работающих процессоров, требует определенных предпосылок на стадии формирования вычислительных методов и алгоритмов. Работы наших ученых по прикладной математике, а также зарубежный опыт, включая материалы, представленные на конференции, вселяют оптимизм по данной проблеме. В реально имеющихся задачах так или иначе проявляются возможности распараллеливания обработки в моделях физических процессов или в структурах алгоритмов и исходных данных, но порой требуются значительные усилия и квалификация, чтобы получить практический эффект. Системы с массовым параллелизмом обладают настраиваемостью связей, варьируемостью состава (и структурной конфигурации) оборудования, включая модули памяти, внешние устройства и управляющие (хост-) ЭВМ. Все это позволяет осуществлять взаимоувязку архитектуры вычислительных систем и алгоритмов прикладных задач, добиваясь положительных результатов в различных областях применений. Программное обеспечение систем с массовым параллелизмом строится как сочетание имеющегося задела программных средств используемых микропроцессоров, управляющих ЭВМ (типа ПЭВМ, рабочих станций и проч.) и добавляемых к ним программных средств описания параллельных процессов, загрузки и управления системой и т. д. Для таких систем, как транспьютерные (с числом процессорных узлов до тысячи) уже имеются довольно развитые системы программирования, дающие пользователю широкие возможности непосредственного применения этих систем. Следует отметить, что применительно к системам массового параллелизма доминируют принципы открытости и переносимости программного обеспечения, что дает возможность в значительной мере объединять результаты работ по рассматриваемому направлению вычислительной техники.

Перечисленные выше и другие смежные вопросы, связанные с практической реализацией концепции массового параллелизма и созданием на этой основе суперЭВМ миллиардной и терафлопной производительности, предполагается систематически освещать на страницах "Вестника РОИВТ".

___________________________________

И. Н. Букреев - акад. Инженерной Академии РФ,

А. В. Забродин - д-р физ.-мат. наук, В. К. Левин, член-корр. РАН