Суперкомпьютеры NEC SX

Типичным примером PVP-решений могут служить системы SX, которые создает подразделение корпорации NEC — HNSX Supercomputers. Развитие PVP-архитектуры продолжается, а суперкомпьютеры на ее основе в ряде случаев существенно опережают конкурентов. NEC имеет давние традиции производства больших универсальных ЭВМ (достаточно упомянуть выпускавшиеся в 80-х годах мэйнфреймы ACOS). Примерно в то же время появились и первые суперкомпьютеры семейства SX. Процессоры в SX-1 имели пиковую производительность 570 MFLOPS. Во второй половине 80-х были разработаны NEC SX-2 со временем цикла 6 нс; пиковая производительность старшей модели SX-2 составила уже 1,3 GFLOPS. В 1989 г. была выпущена NEC SX-3 с пиковой производительностью центрального процессора около 5 GFLOPS, в состав которой входило до четырех процессоров. Основные характеристики одноузловых систем семейства SX приведены в табл. 1.

Таблица 1 Характеристики одноузловых систем NEC SX.

К современному поколению суперкомпьютеров следует относить КМОП-cистемы NEC SX-5 и SX-6. Здесь следует напомнить, что многие суперкомпьютеры долгое время использовали ЭСЛ-технологию (транзисторы с эмиттерно-связанной логикой), которая отличается достаточно высоким энергопотреблением. Во многом именно благодаря применению КМОП-технологии системы SX-4 стали первыми в мире суперкомпьютерами PVP-архитектуры, работающими с воздушным, а не с жидкостным охлаждением. Современные полупроводниковые КМОП-микросхемы обеспечили не только более высокую степень интеграции, но и хорошую масштабируемость по частоте.

Когда NEC в 1995 г. анонсировала суперкомпьютеры SX-4, большинство специалистов в области высокопроизводительных вычислений считали, что этот суперкомпьютер станет последним «динозавром» векторной архитектуры. Однако сейчас, с появлением масштабируемых векторных систем, интерес пользователей к векторным архитектурам возвращается. Кстати, на момент выпуска модель SX-4 показала производительность на уровне 1 TFLOPS.

Начинка суперкомпьютера SX-4A.

Суперкомпьютеры различных поколений NEC совместимы снизу вверх. К основным компонентам архитектуры NEC SX относятся центральный процессор, подсистема оперативной памяти и подсистема ввода-вывода. Эти компоненты объединяются в узлы SMP-архитектуры, которые, в свою очередь, связаны через межсоединение Internode Crossbar Switch (IXS). Вся память всех узлов является общей; иными словами, многоузловые модели SX имеют архитектуру NUMA.

Каждый центральный процессор в NEC SX состоит из двух основных блоков: векторного и скалярного устройств. В архитектуре SX имеются операционные векторные регистры (над ними выполняются основные команды) и векторные регистры данных. В большинстве случаев применение векторных регистров позволяет заметно уменьшить трафик при обмене данными между центральным процессором и оперативной памятью.

Исполнительные блоки векторного устройства конвейеризованы. Основные конвейеры в SX — блоки сложения/сдвига, умножения, деления и логических операций. Как характерно для многих PVP-систем, операции над векторами могут выполняться при участии маски, для чего в архитектуре предусмотрено наличие регистров маски.

Скалярное устройство в SX содержит кэш данных и кэш команд, а также 64-разрядные регистры общего назначения. Так, для SX-5 размеры указанной кэш-памяти составляют по 64 Кбайт, а число регистров общего назначения равно 128. Все команды выдает на исполнение скалярное устройство, способное декодировать до четырех команд за такт. Например, как скалярное, так и векторное устройства SX-5 оперируют с 32- и 64-разрядными числами с плавающей точкой в формате IEEE. Скалярное устройство SX-5 поддерживает также 128-разрядные числа расширенной точности.

В составе процессора, кроме основных блоков — скалярного и векторного, можно также выделить интерфейс с оперативной памятью и так называемые коммуникационные регистры. Они служат в первую очередь для обеспечения синхронизации при распараллеливании задач.

Подсистема памяти SMP-узлов SX доступна процессорам через неблокирующийся коммутатор. Так, каждая плата памяти SX-5 может иметь емкость 4 Гбайт, а весь 16-процессорный узел — до 128 Гбайт. Вся оперативная память разбита на банки. Платы памяти SX умеют обрабатывать запросы к оперативной памяти во внеочередном порядке, что повышает эффективную пропускную способность при наличии конфликтов по обращению к банку памяти. Конвейерная выдача данных из памяти, поддержка переупорядочения запросов к памяти для уменьшения конкуренции из-за доступа к ней, наличие аппаратных средств, позволяющих скрыть задержки при обращении к оперативной памяти, — все это обеспечивает высокую реальную пропускную способность памяти.

В NEC SX используется страничная адресация оперативной памяти. За счет этого программные модули могут загружаться в несмежные области физической оперативной памяти, т. е. устраняются проблемы фрагментации. IXS обеспечивает работу с таблицами страниц при глобальной адресации оперативной памяти, с коммуникационными регистрами и командами глобальной пересылки данных.

Основные блоки подсистемы ввода-вывода в NEC SX — специализированные процессоры. Эти функциональные устройства разгружают центральный процессор от непосредственного управления вводом-выводом. Стоит отметить, что в NEC SX-5 пропускная способность процессоров ввода-вывода была увеличена вдвое по сравнению с SX-4 и составляет около 3,2 Гбайт/с. SMP-узел SX-5 может содержать до четырех таких устройств. Каждое из них способно поддерживать работу многих каналов ввода-вывода при наличии соответствующих канальных плат. Основные типы канальных карт в SX — HIPPI-800 (100 Мбайт/с), FC-AL (1 Гбит/с) и Ultra SCSI.