суперЕОМ для геофізиків

Наталія Дубова

В 1979 завершено розробку обчислювальної системи ПС-2000

В ЦУПі до кінця 90-х працював телеметричний обчислювальний комплекс, в якому центральна система базувалася на «Ельбрусі-2», а попередню обробку телеметричної інформації здійснювала система ПС-2000

Пошук шляхів до рекордної продуктивності ЕОМ вимагає нестандартних рішень. Ми вже розповідали про реалізацію в 70-і роки різних принципів паралелізму в архітектурі обчислювальних машин, які дозволяли зробити черговий ривок продуктивності. Від мільйона операцій в секунду до десятків і сотні мільйонів. Неодноразово згадувалося і про те, що основними користувачами радянських суперЕОМ були ті організації, які вирішували секретні завдання оборони, реалізовували атомну і ядерну програми. Але в 1979 році в стінах Інституту проблем управління АН СРСР завершується розробка високопродуктивної обчислювальної системи ПС-2000, що призначалася для суто мирних потреб.

Абревіатура ПС означає «перебудовувані структури». Так званими однорідними вирішальними полями - структурами з однотипних процесорних елементів, здатних паралельно обробляти дані, - в ИПУ почали займатися в кінці 60-х. Лідером цього напряму був нині академік і директор інституту Івер Варламович Прангішвілі. Тодішній директор академік Трапезников дав команді Прангішвілі карт-бланш на два роки робіт. Позитивний результат досліджень давав зелену вулицю новому напрямку, відкривав перспективу побудови реальної машини. Ну а негативний, навпаки, продемонстрував би безперспективність такої розробки.

Через два роки в активі молодих вчених були теоретично обгрунтовані принципи побудови однорідних вирішальних полів, авторське свідоцтво, мікроелектронна реалізація однорідних структур, публікації в наукових журналах і доповідь на міжнародному конгресі. А далі починається майже фантастична для тих років історія. Один з учасників розробки Владислав Валентинович Ігнатущенко розповідає, що в 1972 році, на тлі загального потепління радянсько-американських відносин, інтерес до робіт ИПУ, вже відомим у світі, виявив один з західних лідерів суперобчислення, корпорація Control Data. Остання запропонувала співробітництво на паритетних засадах: корпорація брала на себе будівництво в Союзі заводів з виробництва нових дискових носіїв і сучасної елементної бази і трьох обчислювальних центрів колективного користування. При цьому відповідальність за розробку багатопроцесорної обчислювальної системи з перебудовується структурою повністю лягала на радянських фахівців.

Цим привабливим перспективам не судилося збутися. У США змінилася політична ситуація, потепління змінилося похолоданням і роботи були закриті, фактично не розпочавшись. Проте ентузіазм західної фірми з приводу вітчизняної розробки не пройшов непоміченим в радянських міністерських кріслах, і з 1975 року почалася розробка обчислювальної системи ПС-2000 виключно власними силами. Спільно з ИПУ в роботі взяло участь Сєвєродонецьке НВО «Імпульс».

Чудово те, що знайдені фахівцями з ИПУ принципи однорідних вирішальних полів не вимагали надпотужної елементної бази для створення високопродуктивної паралельної машини. Для ПС-2000 та наступної за нею системи ПС-3000 електронна промисловість не випустила жодної замовний схеми. При цьому що працювали на «ширпотреб» обчислювальні комплекси ПС-2000 обганяли дорогі «Ельбрус», забезпечуючи швидкодію до 200 млн. операцій в секунду. Проходили держвипробувань вісім дослідних зразків машини продемонстрували на геофізичних завданнях сумарну продуктивність порядку 1 млрд. операцій в секунду.

Геофізика і була основною сферою застосування ПС-2000. Ця потужна машина дозволила розгребти нарешті поклади даних сейсморозвідки, які у величезних обсягах накопичувалися щорічно. Доступні обчислювальні потужності в силу обмеженою продуктивності просто не встигали їх обробляти - для цього необхідно було швидкодію раз на сто більше того, що малося на сукупності. Оскільки такі завдання прекрасно піддавалися розпаралелюванню, їх вдалося з великою ефективністю вирішити на багатопроцесорних комплексах ПС-2000. Були зроблені спеціальні експедиційні обчислювальні комплекси ЕГВК ПС-2000, відмінно пристосовані до роботи в умовах геофізичних експедицій, - вони не займали великій площі, споживали мало енергії і не вимагали великих витрат на експлуатацію.

В ПС-2000 реалізована архітектура з одним потоком команд і багатьма потоками даних (SIMD). Центральним компонентом системи є мультипроцесор, включав від 8 до 64 однакових процесорних елементів. Процесорні елементи обробляли безліч потоків даних за програмою із загального модуля управління (один модуль на кожні вісім елементів).

Найбільш повний розвиток принципи перестраіваемості отримали в наступній розробці ИПУ, системі ПС-3000, яка була закінчена до 1982 року. Тут вже застосовувалася архітектура безлічі потоків команд і безлічі потоків даних (MIMD). У ПС-3000 апаратно реалізована динамічна перестраіваемость структури машини в залежно від можливостей розпаралелювання конкретного обчислювального процесу. Паралельно могли виконуватися як різні завдання, так і фрагменти (гілки) окремої задачі, а також скалярні і векторні команди кожної гілки. Система включала до чотирьох центральних скалярних процесорів, один або два векторних процесора - так звані однорідні вирішальні поля з восьми однотипних процесорних елементів, до чотирьох модулів загальної паралельної оперативної пам'яті, до 16 периферійних процесорів. Усі ці ресурси могли перерозподілятися динамічно, тобто безпосередньо в ході виконання обчислень, між завданнями, гілками, командами відповідно до їх заздалегідь непередбачуваними вимогами. Це й означає динамічну перестраіваемость структури машини. Фактично ПС-3000 автоматично перетворювалася з векторної в асинхронно працюючу систему, виконувала різні команди, і навпаки.

В відміну від своєї попередниці ПС-3000 вирішувала в основному керуючі завдання -- її можна було використати на верхніх рівнях ієрархічних систем управління складними технологічними процесами і виробництвами, для прямого управління складними об'єктами (наприклад, атомними реакторами) в реальному часі і для моделювання складних об'єктів. Розроблялася і наступна система, ПС-3100, яка призначалася для використання на верхніх рівнях управління атомним реактором.

Ко всій цій бочці меду з приводу успішної розробки нетрадиційних машин по принципам однорідних вирішальних полів доводиться додати ложку дьогтю. Ігнатущенко з гіркотою відзначає, що створення цих оригінальних машин не підтримувалося програмістської сильною командою. У підсумку системне програмне забезпечення виявилося слабким місцем ПС. Розробники паралельних програм домагалися вражаючих результатів, коли мали безпосередній доступ до всім архітектурним родзинок цих систем, тобто програмуючи на рівні машинних команд. Але потужного мови програмування більш високого рівня для ПС-2000 так і не було зроблено, а в ПС-3000 распараллелілі тільки Фортран.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.osp.ru