Развитие архитектуры ЭВМ от БЭСМ-6 до суперкомпьютеров

Митропольский Юрий Иванович

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. По-существу 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 векторно-конвейерным 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 векторно-конвейерная 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, М. — 1975. — С. 3 — 16.
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 элементно-конструкторской 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 РАН, М. — 1993. — С. 28 — 41.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. Митропольский Ю.И. Мультиархитектурная вычислительны суперсистема // Труды Первой Всероссийской научной конференции «Методы и средства обработки информации». Москва. МГУ. — 2003. — С. 131-136.
8. Митропольский Ю.И. Мультиархитектура — новая парадигма для суперкомпьютеров // Электроника: наука, технология, бизнес. — 2005. — № 3. — С. 42 — 47.

Об авторе: Институт системного анализа РАН, Лаборатория 12-1, г.н.с., mitr@imvs.ru
Статья помещена в музей 09.01.2008 с разрешения автора