ВЫЧИСЛИ́ТЕЛЬНАЯ СИСТЕ́МА

ВЫЧИСЛИ́ТЕЛЬНАЯ СИСТЕ́МА, совокупность аппаратно-программных средств, образующих единую среду, предназначенную для решения задач обработки информации (вычислений). Первоначально универсальные В. с. создавались на основе однопроцессорных ЭВМ с целью увеличения их быстродействия. В первых ЭВМ процессоры сами управляли операциями ввода-вывода. Однако скорость работы внешнего устройства значительно меньше скорости работы процессора, поэтому во время операций ввода-вывода процессор фактически простаивал. Чтобы сбалансировать их работу, в кон. 1950-х – нач. 1960-х гг. ЭВМ начали комплектовать независимыми процессорами ввода-вывода для параллельного выполнения вычислений и операций обмена данными, тогда и появился термин «В. с.». Осн. преимуществами В. с. по сравнению с однопроцессорной ЭВМ являются: значительное повышение производительности за счёт статического или динамического распараллеливания процесса решения задачи (напр., выполнение отд. частей задачи на разл. процессорах); увеличение эффективности использования оборудования за счёт более полной его загрузки; повышение надёжности системы и др.

Постоянное увеличение степени интеграции и быстродействия элементов совр. микропроцессоров, высокий уровень их надёжности и относительная дешевизна позволяют строить В. с. путём объединения необходимого числа микропроцессоров и организации параллельной обработки данных. Параллелизм в вычислениях в значит. степени усложнил управление вычислит. процессом, а также распределение аппаратных и программных ресурсов. Поэтому важная роль в В. с. стала отводиться операционной системе, выполняющей функции планирования вычислит. процесса и распределения ресурсов (оперативной и внешней памяти, процессоров, периферийного оборудования и др.), а также оптимизирующим компиляторам с языков высокого уровня, позволяющим в наибольшей степени использовать архит. особенности микропроцессоров. Большую роль в достижении высокой эффективности работы В. с. играет система коммутации, связывающая процессоры между собой или с модулями оперативной памяти. Как правило, для этого применяют общую шину, с которой соединены процессоры и модули памяти. В В. с., состоящих из нескольких процессоров, обычно используют матричные коммутаторы, а также топологию связи – кольцо, звезда и др. При объединении большого числа процессоров применяют более сложные топологии связи – тор, гиперкуб и др.

Современные В. с. сильно отличаются друг от друга своими возможностями и характеристиками, и этим обусловлено разнообразие признаков, по которым классифицируют В. с. (напр., по типам и числу ЭВМ или процессоров, архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы). Так, В. с. бывают разделимые (включающие неск. ЭВМ, которые способны работать независимо друг от друга) и неразделимые (или многопроцессорные, состоящие из процессоров, каждый из которых может выполнять свои функции только в составе В. с.). Одним из видов неразделимых В. с. являются кластеры, состоящие из нескольких связанных между собой ЭВМ, которые находятся в едином корпусе или соединены скоростным каналом связи.

В. с. делят также на однородные и неоднородные. Однородная В. с. строится на базе однотипных процессоров или ЭВМ, а неоднородная состоит из ЭВМ или процессоров разл. типов. Выделяют многомашинные и многопроцессорные В. с. В многомашинных В. с. каждый из процессоров имеет свою локальную оперативную память и работает, как правило, под управлением своей операционной системы, а в многопроцессорных В. с. процессоры работают с общей оперативной памятью под управлением единой операционной системы. Также выделяют классы параллельных В. с.: SMP (симметричная мультипроцессорная обработка данных – группа процессоров работает с общей памятью), MPP (В. с. с массовым параллелизмом – процессоры, число которых практически не ограничено, работают каждый со своей памятью), NUMA (промежуточная архитектура, сочетающая свойства классов SMP и MPP).

Если в состав В. с. кроме цифровых вычислительных машин входят аналоговые вычислительные машины, то она относится к гибридным В. с. Эти В. с. обычно используются при моделировании сложных систем, динамич. процессов и др., напр. при разработке геолого-технологич. моделей нефтяных и газовых месторождений, систем управления полётом самолёта.

В 1966 М. Флинн (США) предложил классифицировать В. с. по числу потоков команд и потоков данных. Он выделил 4 класса: SISD (один поток команд – один поток данных), к которому относятся системы с одним процессором; SIMD (один поток команд – много потоков данных), включающий однородные векторные и матричные В. с.; MISD (много потоков команд – один поток данных); MIMD (много потоков команд – много потоков данных), в котором каждый процессор работает по своей программе и со своими данными. Эта классификация до сих пор актуальна, однако она не позволяет достаточно полно и точно охарактеризовать все виды В. с. (напр., потоковые), поэтому попытки более точно систематизировать всё разнообразие В. с. продолжаются. Напр., классификация Базу (США, 1987) основана на последовательном определении принятых при проектировании В. с. решений: уровня параллелизма (данные, команды или задачи), метода реализации алгоритмов (аппаратный или программный), способа параллельного выполнения команд (конвейеризация или одновременное независимое), а также способа управления процессом выполнения команд (синхронный или асинхронный). Кришнамурти (Индия, 1989) предложил классифицировать В. с. по четырём характеристикам: уровню параллелизма; способу реализации параллелизма (аппаратный или аппаратно-программный), топологии (матрица, линейный массив, тор, дерево, звезда и др.), степени связи процессоров (сильная, слабая, средняя) и механизму взаимодействия процессоров (посредством передачи сообщений, разделяемых переменных или по готовности операндов), способу управления (синхронный, асинхронный, потоком данных).

Важными вехами в развитии В. с. стало создание таких систем, как ILLIAC IV (сдана в эксплуатацию в 1974; матричная В. с. из 64 процессоров), векторно-конвейерные «Cray-1» (1976, США), «Cyber 205» (1981, США), «Cray C90» (1991, США), В. с. с массовым параллелизмом «Connection Machine-1» (объединяла 65 536 одноразрядных процессоров, связанных через гиперкуб, 1985), «Cray T3E» (1995) и др. В России выпускались В. с. ПС-2000 (произ-во с 1981) и ПС-3000 (произ-во в 1984–87), многопроцессорные вычислит. комплексы «Эльбрус-1» (1980), «Эльбрус-2» (1985). Самая быстродействующая В. с. в России на середину 2015 – «Ломоносов-2» производства компании «Т-Платформы», установленная в МГУ им. М. В. Ломоносова. Она занимает 31-е место в июньском выпуске международного рейтинга суперкомпьютеров TOP500, достигая производительности 1,8 Пфлопс (1 Пфлопс=1015 операций над вещественными числами в секунду) в тесте LINPACK при теоретическом пределе используемого оборудования в 2,6 Пфлопс. Первое место в TOP500 c рекордной производительностью в 33,8 Пфлопс занимает В. с. «Тяньхэ-2», спроектированная Оборонным научно-техническим университетом Народно-освободительной армии КНР.