Проблемы коммутации и синхронной передачи информации в суперЭВМ

Важное место в суперЭВМ занимает внутрисистемный обмен информацией, от сбалансированности которого с производительностью основных вычислительных средств, а также с объемами хранимой и обрабатываемой информации в конечном итоге и зависит эффективность работы всей вычислительной системы в целом.

При рассмотрении проблемы организации ввода/вывода в суперЭВМ существенная роль отводится созданию внутрисистемных каналов обмена для подключения различных абонентов системы, к числу которых относятся внешняя память и внешние машины, характеризующиеся высокой интенсивностью обмена. От правильного подхода к решению этой проблемы, в частности от соответствующей пропускной способности каналов, в большой степени зависит и достижение высоких характеристик производительности суперЭВМ в целом.

Особое место, как наиболее эффективные, занимают синхронные каналы, реализующие синхронные методы передачи информации, которые обеспечивают наиболее высокопроизводительный обмен между отдельными частями суперЭВМ.

В вычислительных суперсистемах, основанных на объединении большого числа процессоров, значительную роль в повышении общей производительности всей суперсистемы играет система коммутации, обеспечивающая связь процессоров как между собой, так и с общей памятью. Поэтому выбор оптимальной архитектуры системы коммутации, обеспечивающей максимальную пропускную способность, масштабируемость суперсистемы и компактность реализации весьма важен.

Таким образом, проблемы коммутации и синхронной передачи информации в суперЭВМ являются весьма актуальными как при разработке конкретных суперЭВМ, так и при анализе архитектурных аспектов построения перспективных вычислительных суперсистем.

Целью и задачей настоящей работы является рассмотрение отдельных аспектов коммутации и передачи информации в суперЭВМ. 5.

Из всего многообразия внутрисистемного обмена в суперЭВМ в работе анализируются наиболее напряженные информационные потоки, такие как, например, связи оперативной памяти центрального процессора с подсистемами дисковой памяти и внешней полупроводниковой памяти.

В рамках проекта перспективной неоднородной вычислительной суперсистемы, основанной на объединении различных процессоров на общей, глобально-адресуемой памяти, исследуется организация как межкластерных связей внутри массово-параллельного мультипроцессора с распределенной памятью, так и его связей с оперативной памятью, мультиконвейерным унипроцессором и диспетчером пакета заданий основного вычислительного модуля.

Рассмотрен подход к организации связи системной памяти с оперативной памятью и другими частями суперсистемы и разработана структура высокопроизводительного канала системной памяти.

Наряду с проблемами обмена и коммутации, в работе рассматриваются те вопросы организации системы синхронизации в суперЭВМ, от оптимального решения которых в большой степени зависит возможность построения высокопроизводительных устройств обмена, в частности использующих для достижения заданных характеристик синхронные методы передачи информации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана архитектура подсистемы обмена в суперЭВМ «Электроника СС БИС/1».

2. Предложена организация связи каналов с оперативной памятью суперЭВМ с использованием оптимальной комбинированной схемы приоритета. Рассмотрена процедура обработки прерываний центрального процессора, возникающих от каналов.

3. Предложены структура и алгоритмы работы высокопроизводительных каналов внутрисистемного обмена в суперЭВМ. Для их реализации сформулирован принцип организации синхронной связи с использованием фазового сдвига.

4. На основе анализа архитектуры перспективной неоднородной вычислительной суперсистемы предложена структура иерархического межкластерного коммутатора 6 мультипроцессора. Предложен метод обмена информацией как между кластерами мультипроцессора, так и с оперативной памятью суперсистемы.

5. Предложена структура канала с высокой пропускной способностью, обеспечивающего связь между отдельными частями суперсистемы.

Структурно, диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

4.4. Выводы.

В главе 4 описан канал системной памяти, связывающий между собой системную память неоднородной суперсистемы и оперативную память основного вычислительного модуля.

Рассмотрена архитектура многопортовой системной памяти большого объёма. Описаны её двухуровневая организация и формат данных, функциональное распределение портов, даны количественные характеристики и метод исправления ошибок в системной памяти.

В качестве абонента канала системной памяти выступает многопортовая оперативная память основного вычислительного модуля, в которой используется расслоение памяти и введена трехуровневая организация. Приведены формат данных, распределение портов и количественные характеристики оперативной памяти.

Рассмотрена структура канала системной памяти, состоящего из двух симплексных синхронных каналов — вывода и ввода. С учетом архитектуры неоднородной суперсистемы определены параметр канала (к) и длины информационных кабелей и кабеля синхросигнала.

Простое управление обменом позволяет реализовать программу канала, которая обеспечивает передачу нескольких массивов данных, расположенных по разным адресам.

Выполнение программы канала облегчает организацию обмена и минимизирует число системных прерываний.

Рассмотрены особенности работы каналов ввода и вывода, преобразование форматов данных, приведены количественные характеристики каналов.

Заключение

.

В работе рассмотрены проблемы коммутации и синхронной передачи информации, возникающие при внутрисистемном обмене в суперЭВМ.

I. Первая часть работы, включающая в себя главы 1 и 2, посвящена обоснованию принципов функционирования, разработке, наладке и опытной эксплуатации устройства обмена центрального процессора одной из первых отечественных суперЭВМ «Электроника СС БИС/1».

На основе анализа линий передачи данных и методов связи по ним сделан выбор в пользу синхронного способа передачи данных по многоразрядной сбалансированной дифференциальной линии.

Опираясь на сформулированный принцип синхронной связи получены аналитические выражения длин линий данных и синхросигнала и определен диапазон устойчивой работы синхронной передачи.

Рассмотрено взаимодействие ансамбля каналов различных типов с оперативной памятью суперЭВМ и предложена комбинированная схема приоритета каналов ввода/вывода.

Для разработанных синхронных каналов ввода и вывода, связывающих центральный процессор с дисковой подсистемой, приведены форматы данных, интерфейсы и обобщенные временные диаграммы работы. Пиковая пропускная способность таких каналов составляет 32 Мбайта/с.

Разработанный имитатор абонентов синхронных каналов предназначен для проверки функционирования каналов ввода и вывода, соединенных информационными кабелями.

Для связи центрального процессора с подсистемой внешней полупроводниковой памяти разработаны синхронные высокопроизводительные каналы ввода и вывода, высокая пропускная способность каждого из которых (около 130 Мбайт/с) обеспечивается встроенной буферной памятью и синхронным обменом массивами данных по многоразрядной магистрали.

Описана реализация связи ансамбля каналов с оперативной памятью основной машины с использованием комбинированной схемы приоритета. Рассмотрена процедура обработки прерываний, возникающих от каналов.

Разработка и моделирование четырех устройств: ГПИ (ГРУППОВОГО ПРИОРИТЕТА И ИМИТАЦИИ), имеющего децимальный номер ЩЯ2.222.002−28, КС (КАНАЛОВ СИНХРОННЫХ), имеющего децимальный номер ЩЯ2.222.002−31, КСВИ (КАНАЛ СИНХРОННЫЙ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ ВВОДА), имеющего децимальный номер ЩЯ2.222.002−29, и КСВО (КАНАЛ СИНХРОННЫЙ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ ВЫВОДА), имеющего децимальный номер ЩЯ2.222.002−30, осуществлялись с использованием автоматизированной системы логического проектирования «ПУЛЬС», разработанной в ИТМ и ВТ имени С. А. Лебедева РАН.

На специальном входном языке формульного типа для каждого устройства были написаны математические модели. Результатами моделирования, с учетом функциональных тестов, являлись потактовые временные диаграммы устройств.

В процессе проектирования моделировались объекты, состоящие из ряда устройств. Так была промоделирована совместная работа каналов синхронных (устройство КС), соединительных информационных линий связи с переменной задержкой распространения сигнала и имитатора абонентов каналов синхронных (ИМИ), размещенного в устройстве ГПИ.

По результатам моделирования, с использованием специально разработанной в НИИ «Дельта» системы, была выпущена техническая документация на устройства КС, ГПИ, КСВИ и КСВО, которые вошли в состав суперЭВМ «Электроника СС БИС/1», наладка и опытная эксплуатация которой показали правильность принятых технических решений.

П. Вторая часть работы, включающая в себя главы 3 и 4, посвящена дальнейшему развитию принципов организации внутрисистемного обмена информацией на примере разработки архитектуры перспективной неоднородной вычислительной суперсистемы.

В рамках основного вычислительного модуля предложена архитектура среды для высокопроизводительного обмена информацией в системе общей физически.

94 распределенной памяти кластеров мультипроцессора. Для выбранного метода коммутации сообщений рассмотрены форматы сообщений нескольких типов — как обмена информацией между отдельными кластерами мультипроцессора, так и операций с оперативной памятью основного вычислительного модуля — выполнения одиночных и групповых операций записи и чтения. Исследованы структуры иерархического межкластерного коммутатора в целом и составляющих его центральных и периферийных узлов коммутаторов I и П-го уровней.

Через 8 двунаправленных портов осуществляется тесная связь кластерного мультипроцессора с оперативной памятью основного вычислительного модуля, а через нее и с мультиконвейерным унипроцессором.

Для решения проблемы масштабируемости мультипроцессора связь отдельных кластеров с коммутатором осуществляется при помощи синхронных симплексных каналов внутрисистемного уровня.

Суммарная пиковая пропускная способность иерархического межкластерного коммутатора мультипроцессора составляет 95 Гбайт/с.

Канал системной памяти связывает между собой системную память неоднородной вычислительной суперсистемы и оперативную память основного вычислительного модуля, для которых соответственно рассмотрены многопортовая организация, форматы хранимой информации, функциональное распределение портов, методы исправления ошибок и приведены количественные характеристики.

Предложена структура многоразрядного канала с развитой буферной памятью, состоящего из двух симплексных синхронных каналов — вывода и ввода, для которых с учетом архитектуры неоднородной суперсистемы определены параметр канала (к) и длины информационных кабелей и кабеля синхросигнала.

Возможность выполнения программы канала, обеспечивающей передачу нескольких массивов данных, минимизирует число системных прерываний.

Пиковая пропускная способность симплексного канала системной памяти составляет 2 Гбайт/с. С учетом общего числа каналов системной памяти, составляющего 4 пары каналов ввода/вывода, суммарная интенсивность обмена между системной памятью и основным вычислительным модулем может достигать 16 Гбайт/с.

Дальнейшее повышение пропускной способности каналов внутрисистемного обмена до значений в десятки и сотни Гигабайт/с по-видимому возможно лишь с применением иных физических принципов передачи информации. Так, в частности, представляется весьма перспективным использование для этой цели оптических каналов, обладающих высокими частотными характеристиками, помехозащищенностью и малыми потерями (0,2 дБ/км на длине волны 1,55мкм).

Однако их широкое применение сдерживается необходимостью преобразования представления информации из электронного вида в оптический и обратно, и связанными с этим существенными, в настоящее время, накладными расходами.

По мере развития интегральной схемотехники, упомянутые расходы на преобразование информации из одного вида в другой будут неуклонно снижаться, что откроет путь к использованию нового диапазона пропускной способности каналов обмена.