Пути повышения производительности вычислительных средств и требования к вычислительным системам параллельной обработки информации

Начиная со времени создания первых цифровых вычислительных машин их производительность всегда отставала от потребностей в эффективном решении многих актуальных задач текущего исторического периода. В связи с этим перед разработчиками всегда стоит задача повышения производительности, обеспечения наиболее высокой производительности на основе использования последних научных и технических достижений.

В качестве главных направлений в решении вопроса повышения производительности можно выделить: увеличение рабочей частоты и организация параллельных режимов работы.

Единственный возможный способ увеличения рабочей частоты – это уменьшение геометрических размеров транзисторов, благодаря чему удается повысить скорость их работы, а значит, и тактовую частоту работы процессора. Одновременно увеличиваются плотность размещения транзисторов на кристалле, уменьшается напряжение питания, сокращается энергопотребление, снижается рассеиваемое тепло, увеличиваются количество транзисторов и рабочая частота в одном процессоре (микросхеме), что позволяет расширить его функциональные способствующие также повышению производительности возможности.

Считается, что плотность размещения транзисторов на кристалле подчиняется так называемому закону Мура (сформулирован в 1965г. и скорректирован в 1975г. Гордоном Муром), в соответствии с которым количество транзисторов в одной микросхеме через два года увеличивается в полтора-два раза. В конце 1980-х годов одним из руководителей корпорации Intel была внесена поправка, согласно которой прогноз Мура давал удвоение вычислительной производительности через 18 месяцев.

Несмотря на то, что закон Мура оправдывает себя уже почти сорок лет, многие довольно скептически относятся к тому, что он будет действовать и в дальнейшем. Прогнозируется переход к 2017 году к выполнению 8-нанометрового технологического процесса. Но что будет, когда размеры затворов транзисторов достигнут атомарных слоев? А это ожидается к 2020-му году.

Продолжается развитие классических подходов к повышению производительности. Так, исследователи из IBM на прототипах микропроцессора добились стабильной работы на частотах до 350 ГГц, а при охлаждении до близких к абсолютному нулю температур – до 0,5 ТГц.

Уже сейчас стоит задача поиска новых технологий. К таким технологиям относятся, например, организация передачи сигналов на уровне элементарных частиц путем спиновых волн, углеродные и кремниевые нанотрубки, изготовление чипов больших размеров за счет наращивания их площади или построения трехмерных многослойных микросхем. Японская компания Olympus Optical заявила о создании коммерческой версии ДНК-компьютера, предназначенного для генетического анализа. Этот компьютер имеет молекулярную (на основе химической реакции между молекулами ДНК) и электронную составляющие. Еще более революционная модель вычислений построена на механизме суперпозиции состояний квантовых битов, или "кубитов".

Первые шаги в организации параллельной работы в архитектуре цифровой вычислительной машины проявились при введении работы с параллельными кодами, совмещении во времени выполнения текущей операции и подготовки команды для следующей операции, а также при введении процессоров ввода-вывода, функционирующих одновременно с основным процессором.

Для обеспечения предельно-достижимых производительностей создавались на основе уникальных технических проектов многопроцессорные супер-ЭВМ, впитывающие все наилучшее на текущий исторический момент для создания элементной базы, архитектуры и программного обеспечения. Одним из первых проектов такого направления был ILLIAC IV. Реализованный в 1974г. вариант ЭВМ включал 64 процессорных элемента общей производительностью до 50 Мфлоп. Современные массивно-параллельные супер-ЭВМ характеризуются производительностью по крайней мере в сотни Gфлоп, и среди этих компьютеров особое место на протяжении длительного времени занимают вычислители фирмы CRAY.

Однако в последнее время ведущие позиции среди вычислительных средств высокой производительности заняли кластеры – современные суперкомпьютерные системы, а также сетевые компьютерные системы. Особенностью построения кластерных систем является использование стандартных компонент аппаратного и программного обеспечения для построения и объединения в работе множественного количества компьютеров, что позволяет снизить стоимость системы при обеспечении, в частности, сверхвысокой производительности. Современные наиболее высокопроизводительные кластерные супер-системы характеризуются производительностью, измеряемой в тирафлопсах и пикафлопсах.

Одним из аспектов в организации параллельной вычислительной работы является создание вычислительных систем специального назначения на основе стандартных технических и программных средств, например, информационных систем оперативной обработки запросов, которые широко используются при обслуживании пассажиров, читателей в библиотеках, покупателей в магазинах и т.п.