Развитие архитектуры ЭВМ от БЭСМ-6 до

суперкомпьютеров

Митропольский Юрий Иванович

Институт системного анализа РАН, [email protected]

Рассмотрены архитектура, основные принципы и особенности вычислительной машины БЭСМ-6 и

системы обработки данных АС-6, созданных под руководством академика С.А. Лебедева в

коллективе лаборатории №1 Института точной механики и вычислительной техники АН СССР,

которой руководил академик В.А. Мельников. Рассмотрены работы по созданию суперкомпьютерной системы «Электроника СС БИС-1», выполненные под руководством академика В.А. Мельникова. Изложены основные результаты проводимых в настоящее время исследований по мультиархитектурным (неоднородным) вычислительным суперсистемам.

Вехой в отечественной вычислительной технике стала ЭВМ БЭСМ-6, Главным конструктором которой был академик С.А. Лебедев, а его заместителем академик В.А.

Мельников. Машина БЭСМ-6 предназначалась для решения крупных научно-технических задач, что, естественно, отразилось как на ее архитектуре, так и на выборе системы элементов и конструкции.

В начале 60-х годов отечественной промышленностью были созданы высокочастотные транзисторы и диоды, на основе которых была разработана элементная база машины. В ее состав входили диодные логические схемы и усилители на переключателях тока с подвешенным источником питания. Важными особенностями системы элементов являлись высокая скорость переключения и очень высокая нагрузочная способность как по входу, так и по выходу. Оригинальная конструкция машины обеспечила высокую плотность размещения блоков и уменьшение длины межблочных связей. В результате была достигнута высокая тактовая частота — 10 Мгц.

Система синхронизации обеспечивала возможность функционирования конвейера на тактовой частоте, что использовано в большинстве схем, в частности, в арифметическом устройстве и в устройстве управления. На следующем уровне темп конвейера определялся циклом работы буферной памяти, который равен трем тактам. Для согласования пропускных способностей процессора и оперативной памяти применялось расслоение оперативной памяти и неадресуемая буферная память с ассоциативным поиском. Посуществу это была кэш-память, реализованная на 10 лет раньше, чем в модели 85 системы IBM/360, однако, по технологическим причинам объем этой памяти был невелик. К особенностям системы команд следует отнести одноадресную структуру команды, наличие операций с плавающей запятой, индекс-регистров для модификации адресов, двух форматов команд в зависимости от длины адреса.

Важной особенностью машины явились аппаратные и программные средства для обеспечения мультипрограммного режима. К ним относятся виртуальная адресация памяти со страничной организацией, система прерывания, наличие нескольких режимов выполнения команд в процессоре и соответствующие программы операционной системы.

При реализации подсистемы ввода-вывода ставилась задача обеспечения высокой пропускной способности при обмене с устройствами памяти на внешних магнитных носителях и обслуживания достаточного числа электромеханических устройств ввода и вывода. В машине было реализовано 7 быстрых направлений обмена (в современных терминах — 7 селекторных каналов) и набор медленных направлений, аппаратура для которых ограничивалась минимальным набором согласующих элементов и схем связи этих элементов с процессором. Функционирование медленных направлений (образующих мультиплексный канал) обеспечивалось программами работы с каждым конкретным типом устройства.

При разработке БЭСМ-6 была создана оригинальная система представления схемной документации и связанная с ней методология проектирования [1]. Она была основана на формульном описании логических схем и системы бланков, в которых содержалась информация о логической схеме блока и адреса его соединений с другими блоками.

Указанные выше аппаратные средства обеспечили создание многопользовательской операционной системы. За время эксплуатации машины было разработано несколько вариантов операционных систем, а также трансляторы с автокода и распространенных языков высокого уровня.

ЭВМ БЭСМ-6 выпускалась начиная с 1967 г. и установила рекорды по продолжительности выпуска — более 15 лет — и по продолжительности эксплуатации — более 20 лет. Но ее влияние на развитие отечественной вычислительной техники определялось не столько длительностью эксплуатации, а тем, что заложенные при создании машины идеи оказались весьма плодотворными. Несколько поколений инженеров и программистов, работавших на машине, были воспитаны на этих идеях.

Следующей крупной разработкой, выполненной под руководством Главного конструктора В.А. Мельникова, была система обработки данных АС-6. Установка и эксплуатация БЭСМ-6 в вычислительных центрах, где выполнялась обработка больших объемов данных, поступающих от большого числа абонентов, в частности, в Центре управления полетами, послужила стимулом создания системы АС-6. В этих центрах узким местом являлось небольшое число внешних устройств и низкая пропускная способность подсистемы ввода-вывода БЭСМ-6. Разработка началась с создания аппаратуры сопряжения для БЭСМ-6 (отсюда и название АС-6). На первом этапе ставились задачи стыковки БЭСМ-6 с АС-6, которая должна была обеспечить подключение большого числа телеграфных и телефонных каналов, каналов приема телеметрической информации, а также увеличение объема памяти на магнитных дисках и существенное увеличение числа периферийных устройств. Однако по мере накопления опыта по использованию оборудования первого этапа стало очевидно, что в системе необходимы более мощные средства для обработки данных, и главное, необходимо наличие возможности наращивания системы за счет подключения дополнительных машин и устройств. Все эти обстоятельства привели к постановке задачи разработки многомашинной системы с развитыми средствами реконфигурации.

В основу реализации системы легли идеи специализации подсистем и устройств и унификации в рамках системы каналов обмена.

Кроме БЭСМ-6 в систему входили центральный процессор АС-6, периферийная машина ПМ-6, дополнительные устройства оперативной памяти, контроллеры магнитных дисков, контроллер приема телеметрической информации. Все эти устройства объединялись в систему в качестве абонентов канала 1-го уровня.

Система АС-6 с 1973 г. находилась в опытной эксплуатации, при этом продолжались работы по ее развитию. В 1975 г. она использовалась при проведении работ по программе совместного советско-американского проекта «Апполон — Союз». Сдача системы в полном объеме была проведена в 1979 г.

В системе АС-6 были впервые реализованы новые идеи, явившиеся основой разработок суперЭВМ и фундаментальных исследований по архитектуре перспективных вычислительных систем. Прежде всего, необходимо отметить следующие особенности:

АС-6 — это неоднородная многомашинная вычислительная система.

Проблемная ориентация ЦП АС-6 на решение задач по управлению сложными объектами и эффективную трансляцию.

Функциональная специализация периферийной машины ПМ-6 и других вспомогательных устройств.

Специализация внутрисистемных каналов.

По мере создания и эксплуатации системы стало очевидно несоответствие новых архитектурных идей и возможностей элементной базы. С целью дальнейшего развития этого направления в 1973 г. был разработан проект системы БЭСМ-10, в котором на основе задела, полученного при создании АС-6, и использования высокоскоростных интегральных схем типа ЭСЛ планировалось создание перспективной вычислительной системы. Однако этот проект не был поддержан Министерством радиопромышленности СССР.

Продолжение работ в этом направлении было осуществлено под руководством академика В.А. Мельникова в рамках создания суперкомпьютерной системы «Электроника СС БИС». Разработка суперкомпьютерной системы «Электроника СС БИС-1» базировалась на том научном багаже, который был накоплен при создании БЭСМ-6 и АС-6. Однако, для достижения производительности на два порядка величины большей, чем в этих машинах, было необходимо освоение нового технологического уровня и разработки соответствующей ему архитектуры [2].

В первоначальном проекте системы рассматривались возможности включения в ее состав следующих проблемно-ориентированных подсистем: основная машина с векторноконвейерным процессором; матричная машина; машина для логической обработки данных. Кроме того, рассматривались возможности включения следующих функционально-специализированных подсистем: периферийная машина; контроллер внешней полупроводниковой памяти; контроллер дисковой памяти; внешние машины;

управляющие машины. С учетом имевшихся ресурсов и первоочередных задач было принято решение отложить разработку матричной, логической и периферийной машин.

При выборе архитектуры центрального процессора рассматривался вариант ЦП АС-6, развитый в проекте БЭСМ-10, и векторно-конвейерный процессор. Достижение максимальной производительности было возможно только при использовании синхронных конвейерных схем, более перспективной была признана векторноконвейерная архитектура. Подсистема внешней полупроводниковой памяти отличалась наличием интеллектуального контроллера, предназначенного для реализации различных методов доступа к внешней памяти со стороны основной машины и обеспечивающего объединение двух векторных машин в одной системе. Пиковая производительность двухпроцессорной системы составила 500 Mflops [3]. Программное обеспечение состояло из операционных систем основной и внешних машин, систем программирования на языках макроассемблера, «Фортран 77», «Паскаль», «Си».

В 1991 г. были проведены испытания системы «Электроника СС БИС-1», изготовлены и налажены 4 образца, началась их установка у заказчиков. В том же году был разработан проект системы «Электроника СС БИС-2», направленный на создание многопроцессорной системы с производительностью до 10 Gflops. Кроме многопроцессорных основных машин планировалось включить в систему мониторные машины для управления системой и подготовки задач, а также подсистему с массовым параллелизмом. Однако, в 1993 г.

было принято решение о прекращении работ.

Опыт, накопленный при разработке указанных систем, позволил начать исследования по неоднородным вычислительным суперсистемам. Было показано, что более эффективным является такое построение системы, при котором в ней имеются тесносвязанные подсистемы с различной архитектурой, ориентированные на разные формы параллелизма, имеющиеся в больших задачах. При обработке больших массивов данных имеет место параллелизм на уровне данных. С наибольшей эффективностью эта форма параллелизма используется в векторных машинах. Другая форма параллелизма — параллелизм на уровне задач имеет место в программах, разбиваемых на большое число независимых или слабо связанных подзадач. В этом случае эффективнее многопроцессорная подсистема.

На первом этапе были разработаны концепции построения неоднородных суперсистем, в частности объединение в едином вычислительном модуле векторного унипроцессора с мультипроцессором на микропроцессорах на основе доступа к общей памяти [4]. В систему могут входить несколько таких модулей, объединенных в свою очередь общей системной памятью [5].

Следующий этап исследований был связан с анализом использования перспективных СБИС с очень высокой степенью интеграции. Использование принципа близкодействия обеспечивает достижение максимальной производительности при построении масштабируемого модульного мультиконвейерного процессора, в котором при выполнении сложных векторных операций возможно получение десятков или сотен результатов операций с плавающей запятой в один такт [6].

В соответствии с рассмотренными принципами был разработан исследовательский проект мультиархитектурной вычислительной суперсистемы, ориентированный на создание систем с производительностью более 1 Pflops [7]. Суперсистема состоит их вычислительной подсистемы, мониторно-моделирующей подсистемы, системной и внешней памяти. Вычислительная подсистема включает векторный мультипроцессор, скалярный мультипроцессор и мониторную машину. Разработан набор модулей для построения процессоров разных типов. Сравнение данного проекта с зарубежными исследованиями и разработками показывает, что имеет место опережение по концептуальным подходам к созданию суперсистем и использованию СБИС с предельными характеристиками [8].

Литература 1. Кузьмичев Д.А., Мельников В.А., Митропольский Ю.И., Смирнов В.И. Принципы составления документации для больших вычислительных машин // Доклад на Юбилейной научно-технической конференции, посвященной 25-летию Института точной механики и вычислительной техники АН СССР, ИТМ и ВТ АН СССР, 2. Мельников В.А., Митропольский Ю.И., Малинин А.И., Романков В.М. Требования к конструкции высокопроизводительных ЭВМ и проблемы ее реализации // Сборник «Вопросы кибернетики», «Комплексное проектирование элементноконструкторской базы суперЭВМ», под ред. В.А. Мельникова и Ю.И.

Митропольского, НСК АН СССР, М. — 1988. — С.. 3 — 10.

3. Мельников, В.А., Митропольский Ю.И., Шнитман В.З. Научные, технологические и методические аспекты создания вычислительной системы «Электроника СС БИС — 1» // Юбилейный сборник трудов Отделения информатики, вычислительной техники и автоматизации Российской академии наук, ОИВТА Митропольский Ю.И. Концепции построения неоднородных вычислительных суперсистем // Сборник «Распределенная обработка информации». Труды Пятого Международного семинара. Институт физики полупроводников СО РАН, Новосибирск. — 1995. — С. 42 — 46.

Анохин А.В., Ленгник Л.М., Митропольский Ю.И., Пучков И.И. Архитектура неоднородной вычислительной суперсистемы // Сборник «Распределенная обработка информации». Труды Пятого Международного семинара, Новосибирск. — 1995. — С. 22 — 27.

Митропольский Ю.И. Архитектура мультиконвейерного модульного масштабируемого унипроцессора // Труды Шестого Международного семинара Распределенная обработка информации». Институт физики полупроводников СО РАН. Новосибирск. — 1998. — С. 30-34.

Митропольский Ю.И. Мультиархитектурная вычислительны суперсистема // Труды Первой Всероссийской научной конференции «Методы и средства обработки информации». Москва. МГУ. — 2003. — С. 131-136.

Митропольский Ю.И. Мультиархитектура — новая парадигма для суперкомпьютеров // Электроника: наука, технология, бизнес. — 2005. — № 3. —