Внутренние связи в вычислительных системах

Коммутаторы внутренних связей 1
Вычислительные системы класса МIМD с коммутаторами (Км) внутренних связей можно разделить на два типа.
К перво­му относятся системы, в которых основная память (Пм) представляет общий ресурс.
Ко второму — системы, в которых все устройства основ­ной памяти распределены между процессорами (Пр) в виде их ло­кальной памяти (рис. 1).
В системах с общей памятью все про­цессоры осуществляют доступ к ее независимым модулям через коммутатор.
Рис. 1. Классификация архитектур ВС класса MIMD с коммутаторами внутренних связей

В системах с распределенной памятью каждый процессор в совокупности с его локальной памятью составляет процессорный элемент (ПЭ) и при этом все ПЭ связаны между собой через коммутатор. Таким образом, в системах первого типа через коммутатор связаны процессоры и модули памяти (Пр—Пм), тогда как в системах второго типа через коммутатор связаны са­ми процессорные элементы (ПЭ—ПЭ).
Несмотря на указанное различие, системы, как с общей, так и с распределенной памятью можно разделить по типам их комму­таторов на системы с перекрестным, многокаскадным и шинным коммутаторами (рис. 1). Более того, многие высокопроизводительные системы имеют как общую, так и распределенную основную память — это гибридные системы класса МIМD с коммутатором. В типичном случае такие системы содержат большое число ЭВМ со своей памятью, а также еще и общую память. Не выделяя здесь гибридные системы, отнесем их к системам первого типа по признаку наличия общей памяти.
Коммутаторы внутренних связей 2

Коммутаторы, обеспечивающие полный набор перекрестных связей, используются и при числе процессоров, намного превы­шающем 16. Однако в этом случае возникает проблема громозд­кости коммутатора. Для ее решения применяются многокаскадные коммутаторы, чаще всего — варианты коммутатора омега. Отметим, что многокаскадные коммутаторы применяются и в параллельных системах класса SIМD.
Широко распространены шинные архитектуры, в которых все процессоры и все модули памяти присоединены к общей шине. Они отличаются экономичностью, но с ростом числа процессоров и модулей памяти общая шина становится вычислительным ресурсом, ограни­чивающим реальную производительность, поскольку она не успевает обеспечивать возрастающее число обменов информацией. Для преодоления этого недостатка используются многошинные структуры.
Системы с распределенной памятью обладают меньшей степенью универсальности по сравнению с системами с общей памятью
Коммутаторы внутренних связей 3

Сети внутренних связей 1
Вычислительные системы класса МIМD с сетями внутренних связей за редким исключением имеют распределенную память. Однако, они не являются системами с коммутатором связей в том смысле, как это принято выше, поскольку элементы коммутации не объединены в отдельный коммутатор.
Наоборот, все они распределены по системе и связаны, подобно распределенной памяти, с каждым процессорным элемен­том. Суть сети связей в рассматри­ваемом здесь смысле состоит в том, что процессорные элементы, которые наряду с другими возможными компонентами образуют процессорные узлы в сети вычислительной системы, могут непо­средственно связываться для передачи данных и их получения только с теми процессорными элементами, с которыми они имеют прямую связь в сети. Для связывания с другими процессорными элементами используются многократные передачи данных по звеньям сети через промежуточные процессорные элементы. В отношении систем с коммутаторами связей можно сказать, что они имеют такие сети, в которых все внутренние связи сконцентрированы в отдельном коммутационном устройстве.

Сети, связывающие процессорные элементы, обладают разнообразными топологиями, которые могут быть классифицированы следующим образом (рис. 3.2).
Простейшая сеть внутренних связей — это звезда. Здесь несколько ЭВМ подключены к общей для них ведущей ЭВМ, как, например, в вычислительной системе IBM LCAP (Lossely Coupled Array of Processors). В одном из вариантов этой системы десять процессоров FPS-164 подключены через каналы к ведущей ЭВМ IBM 4381
Сети внутренних связей 2

Широко распространены связи типа сетки (решетки), которые могут быть одно- и многомерными и иметь различные регулярные конфигурации.
Одномерная сетка может быть разомкнутой и представлять собой линейный ряд ЭВМ со связями между соседними парами, но чаще он замыкается в кольцо, что улучша­ет возможности обмена. Сетка в виде одномерного кольца исполь­зована, например, в вычислительных системах CDC Cyberplus на базе мощных скалярных процессоров и ZMOB на базе микропро­цессоров. Двумерная сетка применена, например, в системах FEM (Finite Element Machine) и VFPP (Very Fast Parallel Processor). Двумерной сеткой связей облада­ют и такие ВС, как ILLIAC IV, ICL DAP и Goodyear MPP, но это — параллельные системы с общим управлением от единствен­ного потока команд, относящиеся к классу SIМD.
Сети внутренних связей 3

В последнее время широкое распространение в ВС, в особен­ности, с большим числом процессоров, получили двоичные (буле­вы) гиперкубы, составляющие основу класса связей в виде кубов. Этот класс отделен от класса многомерных сеток, поскольку они имеют существенные различия.
В квадратной сетке размерностью m каждый процессорный элемент (не учитывая крайние) связан с 2m соседними элементами и при n элементах по ортогональным осям сетка объединяет N=nm процессорных элементов. Очевидно, что увеличивая или уменьшая n при сохранении значения m , можно изменять число элементов N.
В гиперкубе размерностью m каждый процес­сорный элемент связан с m соседними элементами, при этом в систему объединяются N = 2m процессорных элементов, и обеспечивает­ся максимальный путь не более чем в m шагов между любой парой процессорных элементов. Здесь нельзя изменить число входящих в систему элементов N, не изменяя размерность m. Это делает практически невозможным наращивание системы, однако, добавляет важнейшее достоинство – пределы изменения времени передачи информации одинаковы для всех процессорных элементов.
Сети внутренних связей 4

В качестве примеров систем с двоичными гиперкубическими связями можно указать базовую экспериментальную систему Cosmic Cube, основанную на концепции гиперкубических архитек­тур. Гиперкубические связи имеет и система Thinking Connection Machine, представляющая собой параллельную систему класса SIМD с общим управ­лением от единственного потока команд.
Таким образом, сеточные и гиперкубические связи характерны для систем с независимыми процессорами, имеющими свои уст­ройства управления (МIМD), в особенности для высокопарал­лельных систем с большим числом процессоров. Типичным здесь является распределенная по процессорам память, но системы мо­гут иметь и общую память. Упомянутые связи применяются и в параллельных системах с общим управлением (SIМD), в том числе в высокопараллельных системах с большим числом обра­батывающих устройств.
Заменив каждый процессорный элемент, представляемый вер­шиной в исходном гиперкубе, группой процессорных элементов, связанных в кольцо, получаем архитектуру, называемую кубиче­ски связанными циклами. При относительно малом числе элемен­тов в кольце эта архитектура близка по своим свойствам к ги­перкубу, а при их большом числе — к кольцу. Рассматриваемую архитектуру имеет, например, ЭВМ BVM (Boolean Vector Machi­ne).
Сети внутренних связей 5