Введение в специальность

132

приложений введены еще более сложные «векторные» команды дополнительногонабораMMX (MultiMedia eXtention — мультимедийноерасширение), выполняющиевсверхдлинных— до128 разрядов— регистрахпараллельнонесколькооперацийсложенияили умножения.

Длятого, чтобыобъединитьпреимуществаобоихподходов, разработчики пошли на компромисс: на внешнем уровне микропро- цессорисполняетстандартныйCISC-наборкоманд, анавнутреннем

— некоторыйупрощенныйRISC. Встроенныймикропрограммный эмулятор преобразует каждую внешнюю команду в цепочку внутренних и исполняет ее со всей возможной производительностью RISC-вычислителя.

3. Усложнение архитектуры процессора. Еще один резерв повышения производительности кроется в распараллеливании вычислений внутри одного кристалла, при этом разработчики микросхемпытаютсяреализоватьвконструкциипринципы, типичныедля организации промышленного производства.

Как известно, каждая машинная операция состоит из нескольких фаз: выборка команды, расшифровка ее, чтение операндов, непосредственноеисполнениеоперации, записьрезультата. Встарых моделях процессора эти фазы выполнялись для каждой операции строгопоследовательноподобнотому, каквкустарныхмастерских шла когда-то сборка автомобилей — сначала собирали одну машину, потом вторую, при этом часть рабочих постоянно простаивала. Современныймикропроцессорустроензначительносложнее, онпохож на предприятие, в котором множество рабочих собирают на конвейере поток автомобилей. Конвейерный процессор совмещает повременивыполнениенесколькихкоманд: дляоднойпроисходитчтение операции, для второй — декодирование и выборка регистров, для третьей — исполнение команды вычислительным блоком и т. д., в результате при той же тактовой частоте существенно повышается общая производительность. Более того, в самых совершенных конструкциях в чип микропроцессора встраивается несколькосамостоятельных(до6-8) вычислительныхблоковсфиксированной и плавающей арифметикой, сверхбыстрая внутренняя

133

память (кэш) и удивительное по совершенству логики управляющее устройство, предсказывающее возможное развитие вычислительного процесса на несколько шагов вперед и с учетом этого организующеепараллельнуюработунесколькихконвейеров. Неизбехная плата за такую организацию — значительное повышение сложности и стоимости схемы, однако прогресс микроэлектроники, о котором мы говорили выше, позволил реализовать такую архитектуру во всех современных моделях микропроцессоров. Возвращаясь к таблице производительности процессоров Intel, нетрудно заметить, что новые модели имеют существенно большую производительность при той же тактовой частоте, чем старые. Это

—чистый выигрыш за счет архитектуры кристалла.

4.Многопроцессорные конфигурации. Когда возможности одного кристалла исчерпаны, производительность компьютера в целомможетбытьувеличеназасчетмногопроцессорнойорганизации. Анализ реальных приложений показывает, что длинные цепочки машинных команд, которые должны выполняться строго последовательно, встречаются относительно редко, в основном в научныхрасчетах. Какправиловычислительныйпроцессможноразбить на несколько параллельных ветвей, каждую из которых целесообразно поручить самостоятельному микропроцессору. В принципе число процессоров в компьютере ничем не ограничено, известны конструкции с сотнями и даже тысячами процессоров, однако суммарная производительность многопроцессорной системы растет далеко не линейно с числом процессоров, так как в каждой программе есть некоторый предел распараллеливания, к тому жевмногопроцессорныхсистемахрезковозрастаютнакладныерасходынадиспетчеризациювычислительногопроцесса. Практикапоказала, что на стандартных коммерческих задачах производительность системы растет как $\sqrt{n}$, то есть четырехпроцессорная конфигурация всего в два раза производительнее однопроцессорной, однако на специальных задачах, допускающих многократноераспараллеливание(например, анализвариантовхода в щахматной партии), многопроцессорные компьютеры могут показывать рекорды производительности.

134

2.11. Современный рынок ЭВМ и его секторы

Бурноеразвитиеперсональныхмикрокомпьютероввпоследние два десятилетия не означает, что производимые и применяемые в настоящее время ЭВМ относятся только к этому классу. Наоборот, современныйрыноккомпьютеровчрезвычайновеликиразнообразен. Как и в далекие 60-е годы, в нем можно выделитьтри сектора верхнего уровня: суперкомпьютеры; компьютеры общего назначения и специальные компьютеры. Так как эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие процессоров, объем внутренней и внешней памяти) постоянно и очень быстро растут, предлагать абсолютные технические критерии для отнесения некоторого компьютерактомуилииномуклассу бессмысленно. То, чтовчерасчиталосьсуперкомпьютером, сегоднярасполагаетсянастолерядового инженера, поэтомуориентироваться следует ненаабсолютные показатели, анаотносительноеместоданноймоделинасовременном

Специальные компьютеры		Суперкомпьютеры
Компьютеры общего назначения
Начального	Среднего	Высокого	Суперсерверы
уровня	класса	класса

С е р в е р ы

Рабочие станции

Персональные компьютеры

Сетевые терминалы

Карманные (palmtop) компьютеры

Цена, $

200 500	1	2	5	10	20	50	100	200	500	1 млн
	тыс	тыс	тыс	тыс	тыс	тыс	тыс	тыс	тыс

Секторы рынка компьютеров

Суперкомпьютер Cray

135

рынке. Единственный абсолютный показатель, который обобщенно учитывает потребительские свойства компьютера — его цена.

Суперкомпьютеры Суперкомпьютеры резко выделяются из своих собратьев по внутренней структуре,

эксплуатационным показателям и по цене Это – High End рынка, штучныйтоварстоимостьювмиллионыдолларов. Кистиннымсуперкомпьютерам традиционно причисляют те, которые занимают первыеместавмировыхрейтинг-листахприиспытанияхнапроиз- водительность по специальным тестам. Соответствующие списки, например, “Тор 500”, регулярно публикуются независимыми экспертными организациями. Суперкомпьютеры представляют собой грандиозныевычислительныесистемысмассовымпараллелизмом, насчитывающиесотниитысячимикропроцессоров. Такиеизделия производятся всего несколькими фирмами под заказ для решения конкретныхзадачвыдающейсясложности: моделированиеядерных реакций, метеорологические расчеты и т.п..

В 1972 году Сеймур Крей, руководивший разработкой суперкомпьютероввкорпорацииControl Data, организовалсвоюсобственнуюв фирму Cray Research в городке Colorado Springs и установил фактический стандарт на суперкомпьютеры. В 1976 г. была выпу- щенамодельCray-1, в1985 — четырехпроцессорнаяCray-2 сбыстродействиемоколо1 млрд. оп./с., вначале90-хгодоввмоделиCray- 3 был превышен порогпроизводительности 10 млрд. оп./с. Напротяжении 80-х и первой поло-

вины90-хгодовфирмаCray, несмотрянаожесточеенную конкуренцию со стороны молодых фирм, продолжала лидировать, но в конце концовонастолкнуласьсбольшимифинансовымипроблемамиибылакупленаSilicon Graphics Incorporated (SGI).

Гонка фирм за престиж-

Компьютеры

общего

назначения

136

ное право создать самый мощный компьютер продолжается до сих пор, ведутся разработки многопроцессорных суперкомпьютерных систем с производительностью свыше триллиона операций с плавающей точкой в секунду (TFOPs). Традиционным способом проверкипредельныхвозможностейкомпьютеровявляетсяигравшахматы с человеком. Раньше в таких соревнованиях компьютер неизменнопроигрывал, еслиегопротивникомбылсильныйшахматист, однако весной 1997 года произошло событие, значение которого труднопереоценить: вматчеизшестипартийсчемпиономмирапо шахматамГарриКаспаровым суперкомпьютер“Deep Blue”, специальнопостроенныйдляэтогофирмойIBM, сумелодержатьпобеду. Журналистыпоэтомуповоду написали: “Компьютерпоставилмат человечеству”.

Компьютерыобщегоназначениязанимаетсамую большуюиразнообразнуючастькомпьютерного рынка. Этимассовые изделия выпускаютсямногочисленнымипроизводителямивсамыхразлич-

ных модификациях, цены в зависимости от конфигурации колеблются отменеечемоднойтысячидосотентысячдолларов. Вданном секторе рынка можно выделить три подсектора: серверы, рабочие станции и персональные компьютеры.

Серверы. Строго говоря, отнесение компьютера к классу серверовхарактеризуетнееготехническиепараметры, афункциональное назначение. Сервером может быть и суперкомпьютер, и скромныйPC. Сервернепредназначендляработыконечногопользователя, оннаходитсявцентревычислительнойсетии обслуживает целуюгруппупользовательских(клиентских) компьютеров. Длятого, чтобы как-то классифицировать серверы по мощности, вводится ещеоднахарактеристика— масштаб. Еслинесчитатьсуперкомпьютеров, выступающих в роли суперсерверов, то серверы можно подразделитьнатрикласса, соответствующихопределенномумасштабуиспользования: серверывысокогоклассамасштабапредприятия (enterprise), среднего класса масштаба подразделения (department) исерверыначальногоуровнямасштабарабочейгруп-

137

пы (workgroup). Основные требования к серверу – высокие производительность и отказоустойчивость. С этой целью он имееет 2-8 центральных процессора, оперативную память с защитой от ошибок, массив дисков большой емкости. Все внешние устройства и источники питания должны быть продублированы, а специальный корпусобеспечиваетконтрользатемпературойивентиляцией. Требованиякграфическойсистемесамыеминимальные, иногдасерверы поставляются вообще без графических дисплеев.

Диапазон цен серверов очень широк. Простейший сервер на- чальногоуровняможнопроиобрестиза2000-3000 долларов, сервер высокогоклассамасштабапредприятиябудетстоить100-500 тысяч долларов.

Рабочие станции. Под рабочей станцией обычно понимают специализированный компьютер, предназначенный для профессиональной работы с мультимедийной информацией. В силу этого рабочейстанциинеобходимыпроизводительныйпроцессор, расширеннаяоперативнаяпамять, скоростнаямагистральданныхимощная графическая система.

Стоимостьрабочейстанциицеликомзависитотконфигурации, мощнаярабочаястанциясRISC-архитектурой, расширеннойпамятьюиширокоформатнымдисплеемвполнеможетпотянутьна20000 долларов.

Персональныекомпьютеры(ПК). То, чтомывидимна рабо-

чихстолахвофисах, банках, магазинах, лабораториях, учебныхаудиториях, у себя дома — это представители обширнейшего класса персональныхкомпьютеров. Персональныекомпьютерымогутбыть подключены к вычислительным сетям и выступать в качестве абонентов клиент – серверных систем, а могут работать и автономно. Конфигурация персонального компьютера целиком определяется кругомрешаемыхзадачифинансовымивозможностямиеговладельца. Принято считать, что профессиональные ПК должны быть болеемощнымипосравнениюсдомашними, ночастобываетнаоборот, иныеПКпосвоимвозможностямприближаютсякрабочимстанци-

138

ям. Поконструкцииперсональныепомпьютерыделятсянанастольные (desktop) и переносные — блокнотные (notebook). Несколько летназаддляобозначенияпереносногокомпьютераупотреблялось ещепонятие«наколенного» компьютера(laptop), носейчасэтослово вышло из употребления.

Границыразделамеждусерверами, рабочимистанциямииперсональными компьютерами весьма размыты, более того, сами эти классы могутсущественноперекрываться сточкизрениястоимости. Например, продвинутаярабочаястанциякакпраилосущественно дороже сервера начального уровня. Еще одна особенность современныхкомпьютеров, затрудняющаяихчеткуюклассификацию— масштабируемость. Одна и та же аппаратная платформа в зависимости от конкретной конфигурации может служить основой для построения самых разнообразных компьютеров — от серверов до ПК. Сучетомэтогомыпопытаемсясделатькраткийобзорнаиболее популярныхплатформсовременныхкомпьютеровобщегоназначения.

Платформа S/390 компании
IBM. Слухи о неизбежной смер-
ти мэйнфреймов в конце XX века
на поверку оказались весьма пре-
увеличенными. Более того, после
повального увлечения изоли-
рованнымиперсональнымикомпь-
ютерами наступила пора
«ренессанса» централизованных
вычислительных систем, обслу-
живаемыхмощнымиинадежными
серверами. Это сыграло на руку
преждевсего«голубомугиганту».
ФирмаIBM, растерявшаяпреиму-
щество в секторе персональных
компьютеров, здесь не упустила	МэйнфреймS/390
своегошанса. Имеяколоссальный

139

опыт производства больших ЭВМ, фирма в 90-е годы выпустила очередное издание бессмертной системы под названием S/390. Сохранив программную преемственность по отношению к S/360 и S/ 370, машиназначительно«похудела», упаковавшисьводнустойку, поэтому фирма, чтобы не отпугивать покупателей старомодными понятиями, избегает термина «мэйнфрейм», заменяя его выражением «сервер масштаба предприятия».

Платформа AS/400 компании IBM. Другой исключительно удачный с технической и коммерческой точек зрения проект IBM относитсяксистемеAS/400, впервыеобъявленнойв1988 году. Эта система явилась итогом длительной и внешне незаметной эволюции фирменной линии мини-ЭВМ, проводившейся на протяжении 70-х годов исследовательским подразделением в Рочестере, штат Миннесота. В отличие от традиционных мини-ЭВМ других производителей, обладающихкрайнеупрощеннымустройством, система AS/400 имеет, наоборот, изощренную, революционную по сути объектно-ориентированнуюархитектуру, независящуюотконкретной системы команд процессора.. Это позволило реализовать на аппаратном уровне множество функций, которые в традиционных компьютерах поддерживаются чисто программно: одноуровневую

Серверы AS/400 различного масштаба

140

память, работу с базой данных, механизмы защиты информации и т. д. В результате удалось создать исключительно производительный, надежный и защищенный сервер масштаба подразделения и предприятия. ПервыепоколенияAS/4000 выпускалисьсоригинальным многокристальным процессором, однако в 1994 году аппаратнаячастьбылакореннымобразоммодернизирована, ееперевелина новейший 64-битный унифицированный RISC-микропроцессор

PowerPC, разработанный альянсом IBM — Apple — Motorola. При этом программное обеспечение (невероятно, но факт!) осталось неизменным. Такимобразомбыладоказана устойчивостьархитектуры системы и возможность развития еще в течение многих лет. Высокие эксплуатационные качества AS/400 были по достоинству оцененырынком, внастоящеевремячислопроданныхэкземпляров машины.превышает миллион.

Платформа Alpha компании Digital Equipment. Фирма DEC

— давний и упорный конкурент IBM. Вырвавшись в 70-х годах на второеместопообъемупродажзасчетудачныхконструкцийминиЭВМ— 16-разряднойPDP-11 и32-разряднойVAX, фирмапродолжала развивать направление, позиционаруясь в секторе серверов высокого исреднего класса. Двигаясь всторонумикроминиатюризации, компанияразработаласобственнуюконструкцию64-разряд- ного RISC-микропроцессора Alpha, которая, по оценкам специалистов, имеет много достоинств и позволяет достичь высокойтактовойчастоты. ИменнонапроцессореDEC Alpha былвпервыепревышенпорог1 гГц. Однакопередовыетехническиерешения не спасли фирму от финансовых проблем. Старейшая по компьютерным меркам компания в конце концов оказалась убыточной и в 1998 году была куплена молодой и бурно развивающейся Compaq Computer за 9,6 миллиарда долларов.

Платформа SPARC компании Sun Microsystems. Среди ком-

паний, отважившихся на создание собственной архитектуры микропроцессоров, отметимещефирмуSun Microsystems, основанную в1982 годувстенахСтенфордскогоуниверситета(SUN — Stanford

141

University Network). С самого начала компания сориентировалась насекторвысококлассныхрабочихстанцийиразработаладляэтих целей оригинальный RISC-икропроцессор SPARC. В данном секторе рынка платформа Sun SPARC занимает очень прочные позиции, соревнуясь в лидерстве разве лишь с рабочими станциями фирмыSilicon Graphics Incorporated (SGI), окотороймыговорилив разделесуперкомпьютеров. Другоенаправление— промышленные серверы. Платформа имеет широкие пределы масштабирования — от мощных серверов провайдеров Интернет до скромных серверов начального уровня для рабочих групп. По оценкам фирмы, более 60% поставщиков интернет-услуг пользуются серверами на плат-

форме Sun SPARC.

ПлатформаIntel исовременныеклоныIBM PC.Наиболеерас-

пространенной и популярной мкропроцессорной платформой на пороге XXI века продолжает оставаться 32-разрядная архитектура Intel (IA-32), реализованнаявмногочисленныхразновидностяхмикропроцессоров, выпускаемых как самой фирмой Intel (Pentium, Pentium Pro, Celeron, Pentium II, Pentium III, Xeon), так и ее конку-

рентами. Традиционным другом-соперникомфирмыIntel является компанияAdvanced Micro Designs (AMD), специализирующаясяна выпуске клонов микропроцессоров Intel. Полностью совместимые по системе команд с IA-32, микропроцессоры AMD имеют другое внутреннее устройство и часто имеют лучшее соотношение цена/ производительность.

НаплатформеIntel возможнопостроениевычислительныхсистем самого различного класса вплоть до суперкомпьютеров, как, например, занявший первое место в рейтинге Top 500 1999 года уникальный комрьютер самой фирмы Intel, состоящий из нескольких тысяч Pentium Pro. Расширенные 4-8–процессорные конфигурациииспользуются дляпостроениясерверовсреднегоивысокого класса , двухпроцессорные установки применяются в серверах начального уровня и рабочих станциях (в отличие от RISC их часто называют ПК-серверами и ПК-рабочими станциями), а стандарт- ныеоднопроцессорныесистемыценойот500-700 до2000-3000 долларов заполняют подавляющую часть современного рынка