SMP архитектура. Достоинства и недостатки. Область применения, примеры ВС на SMP

SMP архитектура — cимметричная многопроцессорная архитектура. Главной особенностью систем с архитектурой SMP является наличие общей физической памяти, разделяемой всеми процессорами.

SMP-система строится на основе высокоскоростной системной шины, к слотам которой подключаются функциональные блоки трех типов:

● оперативная память (ОП),

● подсистема ввода/вывода (I/O).

Память является способом передачи сообщений между процессорами. Все вычислительные устройства при обращении к ОП имеют равные права и одну и ту же адресацию для всех ячеек памяти. Последнее обстоятельство позволяет эффективно обмениваться данными с другими вычислительными устройствами. SMP-система работает под управлением единой ОС (либо UNIX-подобной, либо Windows). ОС автоматически распределяет процессы по процессорам, возможна и явная привязка. SMP-архитектура используется в cерверах и рабочих станциях на базе процессоров Intel, AMD, Sun, IBM, HP, и др.

Принципы организации:

SMP-система состоит из нескольких однородных процессоров и массива общей памяти. Каждая операция доступа к памяти интерпретируется как транзакция по шине процессоры-память. Слово «равноправный» означает, что каждый процессор может делать все, что любой другой. Каждый процессор имеет доступ ко всей памяти, может выполнять любую операцию ввода/вывода, прерывать другие процессоры и т.д. В SMP каждый процессор имеет по крайней мере одну собственную кэш-память.

Когерентность кэшей поддерживается аппаратными средствами.

Достоинства:

· Простота и универсальность для программирования. Архитектура SMP не накладывает ограничений на модель программирования, используемую при создании приложения: обычно используется модель параллельных ветвей, когда все процессоры работают абсолютно независимо друг от друга — однако, можно реализовать и модели, использующие межпроцессорный обмен. Использование общей памяти увеличивает скорость такого обмена, пользователь также имеет доступ сразу ко всему объему памяти.

· Легкость в эксплуатации. Как правило, SMP-системы используют систему охлаждения на воздушном кондиционировании, что облегчает их обслуживание.

· Относительно невысокая цена.

· Неявно производимая аппаратурой SMP пересылка данных между кэшами является наиболее быстрым и самым дешевым средством коммуникации в любой параллельной архитектуре общего назначения.

· Готовность. В симметричном мультипроцессоре отказ одного из компонентов не ведет к отказу системы, поскольку любой из процессоров в состоянии выполнять те же функции, что и другие.

Недостатки:

SMP-cистемы плохо масштабируемы:

1.Системная шина имеет ограниченную пропускную способность и ограниченное число слотов.

2.В каждый момент времени шина способна обрабатывать только одну транзакцию, вследствие чего возникают проблемы разрешения конфликтов при одновременном обращении нескольких процессоров к одним и тем же областям общей физической памяти.

В реальных системах эффективно можно использовать не более 8-16-32 процессоров.

Применение:

SMP часто применяется в науке, промышленности, бизнесе, где программное обеспечение специально разрабатывается для многопоточного выполнения. В то же время большинство потребительских продуктов, таких как текстовые редакторы и компьютерные игры, написаны так, что они не могут получить много пользы от SMP- систем. В случае игр это зачастую связано с тем, что оптимизация программы под SMP-системы приведёт к потере производительности при работе на однопроцессорных системах, которые занимают большую часть рынка.

Примеры компьютеров с SMP-архитектурой:

HP 9000 (до 32 процессоров), Sun HPC 100000 (до 64 проц.), Compaq AlphaServer (до 32 проц.), Sun SPARC Enterprise T5220
2.8. MPP архитектура. История развития. Основные принципы. Концепция, архитектура и характеристики суперкомпьютера Intel Paragon.

Массово-параллельная архитектура (Massive Parallel Processing) — класс архитектур параллельных вычислительных систем. Особенность архитектуры состоит в том, что память физически разделена. Система строится из отдельных узлов, содержащих процессор, локальный банк ОП, коммуникационные процессоры или сетевые адаптеры, иногда — жесткие диски и/или другие устройства ввода/вывода.

Доступ к банку ОП данного узла имеют только процессоры из этого же узла. Узлы соединяются специальными коммуникационными каналами. Пользователь может определить логический номер процессора, к которому он подключен, и организовать обмен сообщениями с другими процессорами. На машинах MPP используются два варианта работы операционной системы:

● В одном полноценная ОС работает только на управляющей машине, а на каждом узле функционирует сильно урезанный вариант ОС, обеспечивающий работу расположенной в нем ветви параллельного приложения.

● Во втором варианте на каждом модуле работает полноценная, чаще всего UNIX-подобная ОС, устанавливаемая отдельно.

Примерами MPP-систем можно считать: IBM RS/6000 SP, NCR WorldMark 5100M (до 128 узлов, 4096 процессоров).

Дата добавления: 2018-04-15 ; просмотров: 1625 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library

Персональные инструменты

SMP (Symmetric Multiprocessing)

Симметричная мультипроцессорность (англ. Symmetric Multiprocessing , сокращённо SMP) — архитектура многопроцессорных компьютеров, в которой два или более одинаковых процессора сравнимой производительности подключаются единообразно к общей памяти (и периферийным устройствам) и выполняют одни и те же функции (почему, собственно, система и называется симметричной). В английском языке SMP-системы носят также название tightly coupled multiprocessors, так как в этом классе систем процессоры тесно связаны друг с другом через общую шину и имеют равный доступ ко всем ресурсам вычислительной системы (памяти и устройствам ввода-вывода) и управляются все одной копией операционной системы.

В таксономии Флинна SMP-машины относятся к классу SM-MIMD-машин. Большинство многопроцессорных систем сегодня используют архитектуру SMP.

Содержание

Описание

SMP-системы позволяют любому процессору работать над любой задачей независимо от того, где в памяти хранятся данные для этой задачи, — при должной поддержке операционной системой SMP-системы могут легко перемещать задачи между процессорами, эффективно распределяя нагрузку.

Разные SMP-системы соединяют процессоры с общей памятью по-разному. Самый простой и дешевый подход — это соединение по общей шине (system bus). В этом случае только один процессор может обращаться к памяти в каждый данный момент, что накладывает существенное ограничение на количество процессоров, поддерживаемых в таких системах. Чем больше процессоров, тем больше нагрузка на общую шину, тем дольше должен ждать каждый процессор, пока освободится шина, чтобы обратиться к памяти. Снижение общей производительности такой системы с ростом количества процессоров происходит очень быстро, поэтому обычно в таких системах количество процессоров не превышает 2-4. Примером SMP-машин с таким способом соединения процессоров являются любые многопроцессорные серверы начального уровня.

Второй способ соединения процессоров — через коммутируемое соединение (crossbar switch). При таком соединении вся общая память делится на банки памяти, каждый банк памяти имеет свою собственную шину, и процессоры соединены со всеми шинами, имея доступ по ним к любому из банков памяти. Такое соединение схемотехнически более сложное, но оно позволяет процессорам обращаться к общей памяти одновременно. Это позволяет увеличить количество процессоров в системе до 8-16 без заметного снижения общей производительности. Примером таких SMP-машин являются многопроцессорные рабочие станции RS/6000.

Преимущества и недостатки

SMP — самый простой и экономически выгодный способ масштабирования вычислительной системы: путём наращивания числа процессоров. Также просто и программирование: с помощью потоков и сопутствующих механизмов обмена данными между ними через общие переменные в памяти.

SMP часто применяется в науке, промышленности, бизнесе, где программное обеспечение специально разрабатывается для многопоточного выполнения. В то же время большинство потребительских продуктов, таких как текстовые редакторы и компьютерные игры, написаны так, что они не могут использовать сильные стороны SMP-систем. В случае игр это зачастую связано с тем, что оптимизация программы под SMP-системы приведёт к потере производительности при работе на однопроцессорных системах, которые еще недавно занимали большую часть рынка. (Современные многоядерные процессоры — лишь еще одна аппаратная реализация SMP.) В силу природы разных методов программирования для максимальной производительности потребуются отдельные проекты для поддержки одного процессора (одноядерного процессора) и SMP-систем. И все же программы, запущенные на SMP-системах, получают незначительный прирост производительности, даже если они были написаны для однопроцессорных систем. Это связано с тем, что аппаратные прерывания, обычно приостанавливающие выполнение программы для их обработки ядром, могут обрабатываться на свободном процессоре. Эффект в большинстве приложений проявляется не столько в приросте производительности, сколько в ощущении, что программа выполняется более плавно. В некоторых прикладных программах, в частности, программных компиляторах и некоторых проектах распределённых вычислений, повышение производительности будет почти прямо пропорционально числу дополнительных процессоров.

Выход из строя одного процессора приводит к некорректной работе всей системы и требует перезагрузки всей системы для отключения неисправного процессора.

Ограничение на количество процессоров

При увеличении числа процессоров заметно увеличивается требование к полосе пропускания шины памяти. Это налагает ограничение на количество процессоров в SMP архитектуре. Современные SMP-системы позволяют эффективно работать при 16 процессорах.

Проблема когерентности кэш-памяти

Каждый современный процессор оборудован многоуровневой кэш-памятью для более быстрой выборки данных и инструкций из основной памяти, которая работает медленнее, чем процессор. В многопроцессорной системе наличие кэш-памяти у процессоров снижает нагрузку на общую шину или на коммутируемое соединение, что весьма благоприятно сказывается на общей производительности системы. Но, так как каждый процессор оборудован своей индивидуальной кэш-памятью, возникает опасность, что в кэш-память одного процессора попадет значение переменной отличное от того, что хранится в основной памяти и в кэш-памяти другого процессора. Представим, что процессор изменяет значение переменной в своем кэше, а другой процессор запрашивает эту переменную из основной памяти. И он получит старое значение переменной. Или, например, подсистема ввода-вывода записывает в основную память новое значение переменной, а в кэш-памяти процессора по-прежнему остается старое. Разрешение этой проблемы возложено на протокол согласования кэшей (cache coherence protocol), который призван обеспечить согласованность («когерентность») кэшей всех процессоров и основной памяти без потери общей производительности.

Поддержка операционной системой

Поддержка SMP должна быть встроена в операционную систему, иначе дополнительные процессоры будут бездействовать, и система будет работать как однопроцессорная. Большинство современных операционных систем поддерживает симметричную мультипроцессорность, но в разной степени.

Поддержка многопроцессорности в ОС Linux была добавлена в версии ядра 2.0 и усовершенствована в версии 2.6. ОС Windows NT изначально создавалась с поддержкой многопроцессорности. Но вот Windows 9x не поддерживали SMP до выхода Windows XP, ставшей развитием Windows 2000, т.е. ветки Windows NT.

Альтернативы

SMP — лишь один вариант построения многопроцессорной машины. Другая концепция — NUMA, которая предоставляет процессорам отдельные банки памяти. Это позволяет процессорам работать с памятью параллельно, и это может значительно повысить пропускную способность памяти в случае когда данные привязаны к конкретному процессу (а, следовательно, и процессору). С другой стороны, NUMA повышает стоимость перемещения данных между процессорами, значит, и балансирование загрузки обходится дороже. Преимущества NUMA ограничены специфическим кругом задач, в основном серверами, где данные часто жестко привязаны к конкретным задачам или пользователям.

Другая концепция — асимметричное мультипроцессирование (ASMP), в котором отдельные специализированные процессоры используются для конкретных задач, и кластерная мультипроцессорность (Beowulf), в которой не вся память доступна всем процессорам. Такие подходы нечасто используются (хотя высокопроизводительные 3D-чипсеты в современных видеокартах могут рассматриваться как форма асимметричной мультипроцессорности), в то время как кластерные системы широко применяются при построении очень больших суперкомпьютеров.

Архитектура вычислительных систем. SMP и MPP-архитектуры. Гибридная архитектура (NUMA). Организация когерентности многоуровневой иерархической памяти

SMP-архитектура

SMP (symmetric multiprocessing) – симметричная многопроцессорная архитектура . Главной особенностью систем с архитектурой SMP является наличие общей физической памяти , разделяемой всеми процессорами.

Память служит, в частности, для передачи сообщений между процессорами, при этом все вычислительные устройства при обращении к ней имеют равные права и одну и ту же адресацию для всех ячеек памяти. Поэтому SMP — архитектура называется симметричной. Последнее обстоятельство позволяет очень эффективно обмениваться данными с другими вычислительными устройствами. SMP -система строится на основе высокоскоростной системной шины ( SGI PowerPath, Sun Gigaplane, DEC TurboLaser), к слотам которой подключаются функциональные блоки типов: процессоры (ЦП), подсистема ввода/вывода ( I/O ) и т. п. Для подсоединения к модулям I/O используются уже более медленные шины ( PCI , VME64 ). Наиболее известными SMP -системами являются SMP -cерверы и рабочие станции на базе процессоров Intel ( IBM , HP, Compaq, Dell, ALR, Unisys, DG, Fujitsu и др.) Вся система работает под управлением единой ОС (обычно UNIX-подобной, но для Intel-платформ поддерживается Windows NT). ОС автоматически (в процессе работы) распределяет процессы по процессорам, но иногда возможна и явная привязка.

Основные преимущества SMP -систем:

• простота и универсальность для программирования. Архитектура SMP не накладывает ограничений на модель программирования, используемую при создании приложения: обычно используется модель параллельных ветвей, когда все процессоры работают независимо друг от друга. Однако можно реализовать и модели, использующие межпроцессорный обмен. Использование общей памяти увеличивает скорость такого обмена, пользователь также имеет доступ сразу ко всему объему памяти. Для SMP-систем существуют довольно эффективные средства автоматического распараллеливания;
• простота эксплуатации. Как правило, SMP-системы используют систему кондиционирования, основанную на воздушном охлаждении, что облегчает их техническое обслуживание;
• относительно невысокая цена.

• системы с общей памятью плохо масштабируются.

Этот существенный недостаток SMP -систем не позволяет считать их по -настоящему перспективными. Причиной плохой масштабируемости является то, что в данный момент шина способна обрабатывать только одну транзакцию, вследствие чего возникают проблемы разрешения конфликтов при одновременном обращении нескольких процессоров к одним и тем же областям общей физической памяти . Вычислительные элементы начинают друг другу мешать. Когда произойдет такой конфликт , зависит от скорости связи и от количества вычислительных элементов. В настоящее время конфликты могут происходить при наличии 8-24 процессоров. Кроме того, системная шина имеет ограниченную (хоть и высокую) пропускную способность (ПС) и ограниченное число слотов. Все это очевидно препятствует увеличению производительности при увеличении числа процессоров и числа подключаемых пользователей. В реальных системах можно задействовать не более 32 процессоров. Для построения масштабируемых систем на базе SMP используются кластерные или NUMA -архитектуры. При работе с SMP -системами используют так называемую парадигму программирования с разделяемой памятью (shared memory paradigm ).

MPP-архитектура

MPP (massive parallel processing) – массивно-параллельная архитектура . Главная особенность такой архитектуры состоит в том, что память физически разделена. В этом случае система строится из отдельных модулей, содержащих процессор, локальный банк операционной памяти (ОП), коммуникационные процессоры (рутеры) или сетевые адаптеры , иногда – жесткие диски и/или другие устройства ввода/вывода. По сути, такие модули представляют собой полнофункциональные компьютеры (см. рис.3.2). Доступ к банку ОП из данного модуля имеют только процессоры (ЦП) из этого же модуля. Модули соединяются специальными коммуникационными каналами. Пользователь может определить логический номер процессора, к которому он подключен, и организовать обмен сообщениями с другими процессорами. Используются два варианта работы операционной системы (ОС) на машинах MPP -архитектуры. В одном полноценная операционная система (ОС) работает только на управляющей машине (front-end), на каждом отдельном модуле функционирует сильно урезанный вариант ОС, обеспечивающий работу только расположенной в нем ветви параллельного приложения. Во втором варианте на каждом модуле работает полноценная UNIX-подобная ОС, устанавливаемая отдельно.

Главным преимуществом систем с раздельной памятью является хорошая масштабируемость : в отличие от SMP -систем, в машинах с раздельной памятью каждый процессор имеет доступ только к своей локальной памяти , в связи с чем не возникает необходимости в потактовой синхронизации процессоров. Практически все рекорды по производительности на сегодня устанавливаются на машинах именно такой архитектуры, состоящих из нескольких тысяч процессоров ( ASCI Red , ASCI Blue Pacific).

• отсутствие общей памяти заметно снижает скорость межпроцессорного обмена , поскольку нет общей среды для хранения данных, предназначенных для обмена между процессорами. Требуется специальная техника программирования для реализации обмена сообщениями между процессорами;
• каждый процессор может использовать только ограниченный объем локального банка памяти;
• вследствие указанных архитектурных недостатков требуются значительные усилия для того, чтобы максимально использовать системные ресурсы. Именно этим определяется высокая цена программного обеспечения для массивно-параллельных систем с раздельной памятью.

Системами с раздельной памятью являются суперкомпьютеры МВС-1000, IBM RS/6000 SP , SGI /CRAY T3E, системы ASCI , Hitachi SR8000, системы Parsytec.

Машины последней серии CRAY T3E от SGI , основанные на базе процессоров Dec Alpha 21164 с пиковой производительностью 1200 Мфлопс (CRAY T3E-1200), способны масштабироваться до 2048 процессоров.

При работе с MPP -системами используют так называемую Massive Passing Programming Paradigm – парадигму программирования с передачей данных ( MPI , PVM , BSPlib).