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), «CrayC90» (1991, США), В. с. с мас­со­вым па­рал­ле­лиз­мом «Connection Machine-1» (объ­еди­ня­ла 65536 од­но­раз­ряд­ных про­цес­со­ров, свя­зан­ных че­рез ги­пер­куб, 1986), «CrayT3E» (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 нач. 2006 – МВС-15000BM, ус­та­нов­лен­ная в Меж­ве­дом­ст­вен­ном су­пер­ком­пь­ю­тер­ном цен­тре РАН. Она объ­еди­ня­ет 924 про­цес­со­ра PowerPC и име­ет пи­ко­вую про­из­во­ди­тель­ность 8,1 Тфлопс (1 Тфлопс=10¹² опе­ра­ций над ве­ще­ст­вен­ны­ми чис­ла­ми в се­кун­ду). На янв. 2006 ре­корд­ная про­из­во­ди­тель­ность, до­стиг­ну­тая В. с. IBM BlueGene/L, со­став­ля­ла 280,6 Тфлопс.