Вычислительная система “Эльбрус 3-1”

1. Главный конструктор системы: Рябов Г.Г., Главный конструктор МКП: А. А. Соколов, заместители главного конструктора: В. Л. Ли и А. Ю. Бяков, основные разработчики: Л. А. Зак, Л. Ф. Чайковский, О. К. Щербаков, А. Ю. Губанов, В. А. Жуковский, А. В. Леоненко, Ю. Н. Корольков, М. Д. Великовский, Л. Г. Матясова, А. Ф. Завельский, В. М. Агапов, В. В.Голубев, Ф.П.Галецкий, Г.Л. Лакшин. 
   Ведущие разработчики ПО: М. А. Белов, В. М. Родионов, А. В. Маев, Н. Е. Карабутова, Б. Д. Никитин, Н. К. Скурат, И. М. Сазанов, Т. М. Суслова, С. Ф. Ренькас, М. Г. Чайковский, М. А. Калинин, А. Н. Мукин и др.
2. Организация-разработчик: Институт точной механики и вычислительной техники РАН им. акад. С. А. Лебедева (ИТМ и ВТ), НИИМЭ.
3. Завод-изготовитель: Московский завод счетно-аналитических машин (САМ) и завод “Микрон” (заказные БИС).
4. Год окончания разработки: 1990.
5. Год начала серийного выпуска: 1990.
6. Год прекращения производства: 1995.
7. Количество выпущенных систем: 4.

Область применения

Высокопроизводительная модульная многопроцессорная система, предназначенная для решения больших научных и экономических задач, в том числе задач моделирования физических процессов.

Описание системы

“Эльбрус 3-1” структурно представляет собой модульную систему, включающую в себя несколько подсистем. Основные элементы процессорной подсистемы — модульный конвейерный процессор (МКП), массовая память, подсистема высокоскоростной дисковой памяти и подсистема внешних устройств. Каждая из перечисленных частей “Эльбруса 3-1” может в свою очередь состоять из нескольких компонентов.

Связующим ядром, объединяющим различные компоненты в единое целое, являлась система коммутации и передачи данных, к которой в зависимости от конкретной реализации может быть подключено до 64 компонентов. Коммутационная система называется также системным каналом, а объединяемые ею компоненты — его абонентами. В частности, МКП — один из абонентов.

ВС “Эльбрус 3-1” можно рассматривать как единую многопроцессорную систему с параллельной обработкой общих данных, распределенных по модулям локальной и массовой памяти. При этом для любой физической структуры системы была обеспечена связь абонентов по принципу “каждый с каждым”.

Векторная обработка в МКП осуществляется итеративными операциями над наборами упорядоченных данных — векторами, размещенными в локальной памяти. Эта обработка дополняется более медленными операциями переупорядочения расположения векторов в локальной памяти. Скалярные операции, выполняемые на том же оборудовании, что и векторные, обеспечивают такую обработку данных, которая не реализуется эффективно векторными операциями.

Элементная база

Заказные большие интегральные ECL-схемы (БИС), а также схемы средней степени интеграции серии К-1500.

Конструкция

Наиболее крупный конструктивный модуль — шкаф — содержит до семи рам, причем одна из них неподвижная, а шесть — поворотные. Каждая рама содержит две большие многослойные печатные платы ( 420в450 мм). На одной плате может быть установлено до 140 БИС. Характерной особенностью конструкции, позволившей ускорить разработку системы, является установка БИС на съемных микроячейках, что существенно повышает ремонтопригодность устройств.

Как правило, рама соответствует одному логическому модулю. Рамы объединяются между собой кабельными жгутами.

В данной конструкции применено водяное охлаждение, причем охлаждающая жидкость по системе трубок подводится непосредственно к каждой БИС.

В каждом шкафу размещены источники питания, а также аппаратура диагностического контроля.

Типовое математическое обеспечение

Типовое математическое обеспечение системы “Эльбрус 3-1” состоит из следующих основных компонентов:

• операционной системы (ОС МКП);
• систем программирования;
• тестов и обслуживающих программ.

Общее системное программное обеспечение ОСПО МКП включает в себя также трансляторы с некоторых языков высокого уровня (Фортран, Паскаль, СИ и др.) и языков ассемблерного типа, системы отладки и адаптации программ для МКП, диалоговых средств интерактивного взаимодействия и ввода информации, пакетов математичских функций, ориентированных на векторно-скалярную обработку в МКП, программное обеспечение пультовой ЭВМ и фронт-ЭВМ.

ОС МКП поддерживает удаленный диалог и управление заданиями для МКП, обеспечивает выполнение процессов одного задания на разных МКП многопроцессорной системы ВС “Эльбрус 3-1”, а также межзадачное взаимодействие в рамках локальных и глобальных многозадачных подсистем.

Подготовка и отладка заданий для МКП могут осуществляться на ПК, подключенных через локальную сеть или на фронт-ЭВМ (“Эльбрус 1-КБ”).

Развитое имитационное ПО позволяет осуществлять отладку заданий “Эльбрус 3-1” на ЭВМ линии БЭСМ и распространенных ПЭВМ.

При проектировании как модулей МКП, так и заказных БИС была использована специально разработанная в ИТМ и ВТ под руководством Г. Г. Рябова и при участии Г. Л. Лакшина, Ю. С. Коротаева, А. Н. Воздвиженского, О. К. Гущина и др. система автоматизированного проектирования “Пульс”.

Технико-эксплуатационные характеристики

Производительность одного МКП равна

• на совмещенной скалярно-векторной обработке — до 1500 Мips или 550 Mflops
• на основных векторных операциях — до 500 Mflops
• на скалярных операциях — до 100 Мips, в том числе — до 60 Mflops

Тактовая частота — 80 МГц

Объем локальной памяти МКП — до 8 млн. 64-разрядных слов. Расслоение на 32 банка обеспечивает 8 потоков слов с темпом обмена одно слово в такт для каждого потока. Управление локальной памятью имеет 12 портов подключения к различным блокам МКП, в том числе и для обеспечения внешнего обмена

Занимаемая площадь — 150-200 кв. м (для минимального комплекта системы)

Потребляемая мощность от сети 220 В 50 Гц — 50 КВт (без учета системы охлаждения)

Особенности системы.

Основным вычислительным средством системы является модульный конвейерный процессор МКП, обладавший ( для 80-х годов) исключительно высокой производительностью, которая достигалась распределением скалярных и векторных операций по разным асинхронно работающим блокам, связанным с локальной памятью большого объема. В МКП были реализованы элементы архитектуры MIMD, т. е. выполнялись два независимых потока команд с несколькими потоками данных.

Внешний обмен МКП обеспечивался специализированным модулем — адаптером системного канала (АСК), который имел выход в системный канал.

Этот модуль получает задания центрального процессора на пересылку векторов произвольной длины с произвольным шагом между локальной памятью и внешней частью вычислительной системы. Взаимодействие АСК с центральным процессором осуществляется через систему прерывания. АСК выполнял также (под управлением ОС ЦП) функции канала прямого доступа в локальную память ЦП по инициативе внешнего абонента. Одновременно могло выполняться до 16 независимых обменов в любом направлении.

В состав ВС “Эльбрус 3-1” кроме МКП через специальные устройства сопряжения или адаптеры могли подключаться также вычислительные машины других типов — “Эльбрус 1-КБ”, высшие модели ЕС ЭВМ, СМ и пр.

Модули массовой памяти (МОП) ВС “Эльбрус 3-1” составляют оперативную память второго уровня, общедоступную для всех компонентов ВС. Отдельный модуль массовой памяти имел емкость 512 Мб и был разделен на четыре независимые секции по 128 Мб каждая. Память в модуле имеет словную структуру при длине слова равной 64 информационным двоичным разрядам и 8 контрольным разрядам. В качестве хранящих элементов использовались микросхемы, обеспечивающие время доступа в секции 240 нс.

Работа с массовой памятью выполняется операциями чтения-записи векторов слов произвольной длины с произвольным шагом. Минимальная длина вектора равна одному слову, а максимальная длина ограничивается объемом секции (МОП). Управление модулем обеспечивает параллельное выполнение двух операций (одна — чтение, другая — запись) в разных секциях. Скорость обмена с одной секцией достигает 300 Мб/с, а в сумме — до 600 Мб/с.

Для ВС “Эльбрус 3-1” была разработана подсистема памяти на высокоскоростных дисках, содержащая накопители, подключаемые через соответствующие адаптеры (АМД). Один АМД позволял обслуживать от одного до восьми дисковых накопителей объемом по 3 Гб каждый и обеспечивать скорость обмена с отдельным накопителем до 10 Мб/с; суммарная максимальная скорость обмена данными, обеспечиваемая адаптером при параллельном обмене со всеми накопителями, равна 80 Мб/с.

Физическая реализация накопителя предусматривала использование 5-дюймовых жестких дисков емкостью 380 Мб и более каждый, с общим управлением, обеспечивающим расслоение информации по дискам при обменах и дополнительный ортогональный контроль для повышения надежности.

Подключение разнообразного периферийного оборудования производилось через адаптеры ввода-вывода (АВВ). Каждый АВВ мог включить в ВС устройство ЕС-2666, посредством которого можно обслужить до 3000 внешних устройств с интерфейсом ввода-вывода ЕС ЭВМ, в том числе диалоговые терминалы, устройства печати, магнитные ленты и диски, графические устройства, локальные сети и т. п.

Коммутационная система образована одним или несколькими соединенными между собой специализированными модулями-коммутаторами. Один коммутатор обеспечивает полную коммутацию приема-передачи данных в дуплексном режиме по шести направлениям. По каждому из этих направлений коммутатор может быть связан либо с некоторым абонентом, либо с таким же коммутатором; последнее обстоятельство позволяло создавать требуемые физические структуры связей между абонентами при объединении их в общую вычислительную систему.

Системный канал обладает высокой пропускной способностью, поскольку в нем используются дуплексные коммутаторы, обеспечивающие параллельную передачу независимых по выходам коммутатора пакетов и мультиплексирование зависимых. В качестве единичного звена передачи служит дуплексная шина с пропускной способностью до 400 Мб/с в каждом направлении. Все подключения и соединения осуществляются посредством данной шины, которая обеспечивает связь на короткие расстояния (до 15 м). Возможно и большее удаление в каждом звене, но с понижением пропускной способности шины. Сопряжение абонента с шиной происходит через упомянутые адаптеры внешних устройств и встроенные адаптеры других компонентов ВС “Эльбрус 3-1”. Через специальные адаптеры могли подключаться также ЭВМ или ВК других типов и внешние линии связи.

Коммутационная система позволила обеспечить большую гибкость вычислительных систем, реализуемых на ее основе и создавать разнообразные структуры связей между абонентами.

В вычислительной системе “Эльбрус 3-1” была применена развитая система диагностики, которая была построена с использованием персонального компьютера, входящего в состав инженерного пульта управления (ИПУ). Пульт обеспечивал выполнение функций контроля за техническим состоянием устройств МКП (температурой на корпусах БИС, давлением в системе охлаждения, параметрами системы электропитания и пр.), а также управление режимами работы ЦП, индикацию состояния основных регистров процессора на экране монитора, осуществлял диагностические функции, например выполнение контрольных и диагностических тестов при изменении напряжения источников питания. Система диагностики значительно повысила надежность работы ВС “Эльбрус 3-1”.