Преимущества кластеризации

Классификация систолических структур

Анализ различных типов систолических структур и тенденций их развития позволяет классифицировать эти структуры по нескольким признакам.

По степени гибкости систолические структуры могут быть сгруппированы на:

· специализированные;

· алгоритмически ориентированные;

· программируемые.

Специализированные структуры ориентированы на выполнение определенного алгоритма. Эта ориентация отражается не только в конкретной геометрии систолической структуры, статичности связей между ПЭ и числе ПЭ, но и в выборе типа операции, выполняемой всеми ПЭ. Примерами являются структуры, ориентированные на рекурсивную фильтрацию, быстрое преобразование Фурье для заданного количества точек, конкретные матричные преобразования.

Алгоритмически ориентированные структуры обладают возможностью программирования либо конфигурации связей в систолической матрице, либо самих ПЭ. Возможность программирования позволяет выполнять на таких структурах некоторое множество алгоритмов, сводимых к однотипным операциям над векторами, матрицами и другими числовыми множествами.

В программируемых систолических структурах имеется возможность программирования как самих ПЭ, так и конфигурации связей между ними. При этом ПЭ могут обладать локальной памятью программ, и хотя все они имеют одну и ту же организацию, в один и тот же момент времени допускается выполнение различных операций из некоторого набора. Команды или управляющие слова, хранящиеся в памяти программ таких ПЭ, могут изменять и направление передачи операндов.

По разрядности процессорных элементов систолические структуры делятся

· одноразрядные;

· многоразрядные.

В одноразрядных матрицах ПЭ в каждый момент времени выполняет операцию над одним двоичным разрядом; а в многоразрядных — над словами фиксированной длины.

По характеру локально-пространственных связей систолические структуры бывают:

· одномерные;

· двухмерные;

· трехмерные.

Выбор структуры зависит от вида обрабатываемой информации. Одномерные схемы применяются при обработке векторов, двухмерные - матриц, трехмерные - множеств иного типа.

Систолические структуры могут различаться по топологии связей между ПЭ

· линейные,

· квадратные,

· гексагональные,

· трехмерные и др.

Каждая конфигурация матрицы наиболее приспособлена для выполнения определенных функций, например линейная матрица оптимальна для реализации фильтров в реальном масштабе времени; гексагональная — для выполнения операций обращения матриц, а также действий над матрицами специального вида; трехмерная - для нахождения значений нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных. Наиболее универсальными и наиболее распространенными, тем не менее, можно считать матрицы с линейной структурой.

Используемая литература

Цилькер, Б. Организация ЭВМ и систем / Б.Я. Цилькер, С.А. Орлов. СПб.: Питер - 2007, 672 c.

Лекция 12. Кластерные и MPP-системы

Одно из самых современных направлений в области создания вычислительных систем — это кластеризация. По производительности и коэффициенту готовности кластеризация представляет собой альтернативу симметричным мультипроцессорным системам.

Кластер – группа взаимно соединенных вычислительных систем (узлов), работающих совместно, составляющих единый вычислительный ресурс и создавая у пользователя иллюзию наличия единственной ВМ.

В качестве узла кластера может выступать как однопроцессорная ВМ, так и ВС типа SMP или МРР. Важно лишь то, что каждый узел в состоянии функционировать самостоятельно и отдельно от кластера. В плане архитектуры суть кластерных вычислений сводится к объединению нескольких узлов высокоскоростной сетью. Для описания такого подхода, помимо термина «кластерные вычисления», достаточно часто применяют такие названия, как: кластер рабочих станций (workstation cluster),гипервычисления (hypercomputing),параллельные вычисления на базе сети (network-based concurrent computing),ультравычисления (ultracomputing).

Изначально перед кластерами ставились две задачи: достичь большой вычислительной мощности и обеспечить повышенную надежность ВС. Пионером в области кластерных архитектур считается корпорация DEC, создавшая первый коммерческий кластер в начале 80-х годов прошлого века.

В качестве узлов кластеров могут использоваться как одинаковые ВС (гомогенные кластеры), так и разные (гетерогенные кластеры). По своей архитектуре кластерная ВС является слабо связанной системой.

· Абсолютная масштабируемость. Возможно создание больших кластеров, превосходящих по вычислительной мощности даже самые производительные одиночные ВМ. Кластер в состоянии содержать десятки узлов, каждый из которых представляет собой мультипроцессор.

· Наращиваемая масштабируемость. Кластер строится так, что его можно наращивать, добавляя новые узлы небольшими порциями. Таким образом, пользователь может начать с умеренной системы, расширяя ее по мере необходимости.

· Высокий коэффициент готовности. Поскольку каждый узел кластера — самостоятельная ВМ или ВС, отказ одного из узлов не приводит к потере работоспособности кластера. Во многих системах отказоустойчивость автоматически поддерживается программным обеспечением.

· Превосходное соотношение цена/производительность. Кластер любой производительности можно создать, соединяя стандартные «строительные блоки», при этом его стоимость будет ниже, чем у одиночной ВМ с эквивалентной вычислительной мощностью.

На уровне аппаратного обеспечения кластер — это просто совокупность независимых вычислительных систем, объединенных сетью. При соединении машин в кластер почти всегда поддерживаются прямые межмашинные связи. Решения могут быть простыми, основывающимися на аппаратуре Ethernet, или сложными с высокоскоростными сетями с пропускной способностью в сотни мегабайтов в секунду. К последней категории относятся RS/6000 SP компании IBM, системы фирмы Digital на основе Memory Channel, ServerNet корпорации Compaq.

Неотъемлемая часть кластера — специализированное программное обеспечение (ПО), на которое возлагается задача обеспечения бесперебойной работы при отказе одного или нескольких узлов. Такое ПО производит перераспределение вычислительной нагрузки при отказе одного или нескольких узлов кластера, а также восстановление вычислений при сбое в узле. Кроме того, при наличии в кластере совместно используемых дисков кластерное ПО поддерживает единую файловую систему.

Обычно различают следующие основные виды кластеров:

· отказоустойчивые кластеры (High-availability clusters, HA)

· кластеры с балансировкой нагрузки (Load balancing clusters)

· высокопроизводительные кластеры (High-performance clusters, HPC)

· grid-системы