Беседы о поколениях ЭВМ

Н. Бусленко, В. Бусленко

©   Издательство "Молодая гвардия", 1977 г.

Все настойчивее вторгаются электронные вычислительные машины в науку и в народное хозяйство. О зарождении этих машин, принципе их действия, их развитии и влиянии на жизнь человека расскажут член-корреспондент АН СССР Н. Бусленко и его сын кандидат технических наук В. Бусленко.

- Как же удалось решить проблему быстродействия? Может быть, были найдены новые физические принципы дискретного счета?

- Нет, переход к другим физическим принципам - это уже привилегия машин нового поколения. Сейчас речь идет об ЭВМ на больших интегральных схемах. Перефразируя известную пословицу, можно сказать, что конструкторы выиграли "не умением, а числом". Они стали строить многопроцессорные вычислительные системы.

Нельзя сказать, чтобы эта идея была слишком уж новой. Еще в эпоху машин второго поколения предпринимались попытки повысить производительность ЭВМ путем объединения нескольких компьютеров в единый многомашинный комплекс. Машины, содержащие два-три процессора появлялись и на этапе третьего поколения. Однако это направление не получило достаточного развития главным образом из-за того, что не удалось в свое время преодолеть трудности организации вычислительного процесса и оперативного управления им по ходу вычислений. Почему же вычислительная техника четвертого поколения не боится таких трудностей? И вообще, в чем суть проблемы?

Начнем с главного. Как работает современная машина?

Для реализации любой программы на многопроцессорном компьютере эту программу нужно "распараллелить", то есть расчленить на кусочки - фрагменты, - которые могли бы одновременно выполняться отдельными процессорами параллельно. Понятно, что далеко не каждая программа может быть представлена как совокупность фрагментов, допускающих одновременную реализацию на ЭВМ. Но даже если бы сделать это и удалось, трудности на этом не кончаются.

Фрагменты, выделяемые отдельным процессорам, обычно не одинаковы и для своей реализации требуют различного времени счета. Процессор, закончивший вычисления по своему фрагменту, вынужден ждать окончания работы по фрагментам данного этапа всех остальных процессоров, так как, не имея их результатов, он не может перейти к реализации фрагмента следующего этапа.

Далее, передача промежуточных результатов от одного процессора к другому занимает определенное время. В эти мгновения фактически простаивают оба процессора - и выдающий информацию, и принимающий. Нередки случаи, когда из-за ожиданий и затрат времени на передачу промежуточных результатов простои процессоров достигают 50 процентов всего рабочего времени.

Чтобы добиться эффективного использования оборудования ЭВМ, необходимо усилить внимание к вопросам организации и управления вычислительным процессом. А это означает еще большее усложнение операционной системы, как известно, и так исключительно сложного комплекса программ.

Для наглядности стоит рассмотреть пример работы конкретной многопроцессорной ЭВМ. Одной из простейших вычислительных систем такого класса является "Иллиак-IV", построенная в Иллинойском университете (США). По проекту система должна включать 256 процессоров, которые и составляют ее "вычислительный ресурс". Каждый из 256 процессоров содержит арифметическое устройство примерно на 3 миллиона операций в секунду, оперативную память емкостью 2 тысячи 64-разрядных машинных слов и обычное для процессоров такого класса устройство управления. Процессоры имеют прямой доступ к устройствам ввода-вывода информации, и каждый из них непосредственно связан с четырьмя соседними процессорами. Все процессоры сгруппированы в четыре квадранта, или сегмента, по 64 процессора в каждом.

Квадранты имеют свои собственные устройства управления - так называемые управляющие процессоры. Наконец, вся вычислительная система управляется центральным управляющим процессором - самостоятельной ЭВМ.

В целом, система представляет собой гигантскую иерархическую конструкцию - элементарные процессоры, как кирпичики, составляют могучее здание ЭВМ. Среди конструкторов сейчас существует специальный термин - архитектура вычислительной системы, - который отражает специфику современного подхода к конструированию ЭВМ.

Оперативная память системы "Иллиак-IV" также построена по иерархическому принципу. Во-первых, как уже говорилось, каждый процессор снабжен своим местным индивидуальным запоминающим устройством небольшой емкости, но колоссальной скорости работы; во-вторых, каждый квадрант имеет оперативное запоминающее устройство, общее для всех процессоров квадранта; и, наконец, отдельные квадранты могут обращаться в общесистемное оперативное хранилище информации.

Каждая иерархическая ступень памяти имеет свои четкие функции и является как бы государством в государстве. Так, местная сверхбыстродействующая память каждого процессора - это его "личная вотчина"; никто, кроме самого процессора, не может обратиться к ней. Там содержатся таблицы распределения памяти, важнейшие константы, расписание очередности опроса устройств ввода-вывода и т.п. Кроме того, в ней хранится мощный набор так называемых диагностических программ, контролирующих весь ход вычислительного процесса и обнаруживающих неисправности оборудования. И наконец, здесь же располагаются фрагменты программ, которые выполняет данный процессор, и промежуточные результаты.

Общесегментарное запоминающее устройство, пожалуй, наиболее тонко организованный иерархический "слой" памяти. Здесь есть зоны, жестко закрепленные за каждым процессором (во много раз более емкие, чем внутренняя память самого процессора), но к ним могут уже обращаться и другие процессоры, однако лишь для считывания информации. Вместе с тем, оно имеет и зоны общего доступа - этакое буферное хранилище промежуточных данных и программ пользователей. В этой же памяти хранится и чисто служебная информация - общесегментные таблицы и константы, информация о распределении памяти в данный момент, сведения о состоянии процессов и т.д.

Как и любая современная ЭВМ, многопроцессорная система имеет и внешнюю память, где хранятся "банки данных" пользователей, принадлежащие им библиотеки программных модулей и многое другое.

Общая производительность реализованного квадранта "Иллиак-IV" достигает 200 миллионов операций в секунду. Вычислительная система оакзалась работоспособной и привлекалась для решения ряда сложнейших задач. Любопытно проследить за особенностями функций операционной системы ЭВМ такого класса.

У любой операционной системы одна задача - оптимальное управление вычислительным процессом. Однако эти слова, ставшие уже трюизмом, практически ничего не выражают. Реальные процессы, происходящие в операционной системе, сложнее этих слов во столько раз, во сколько четырехтомный атлас анатомии сложнее слова "человек"! Каковы же особенности функций операционной системы?

Ее работа состоит из двух больших стадий: планирования и оперативного управления.

Исключительная сложность взаимодействия отдельных процессоров, сегментов, областей памяти и внешних устройств требует постоянных прогнозов и периодически обновляемого плана загрузки. Без этого в рамках стихийной "конкуренции" процессоров, кроме хаоса, ничего бы не вышло.

В планирование входит анализ потока задач с их приоритетами и оптимизация загрузки и использования ресурсов машины. Весь цикл планирования составляет доли секунды. Однако жизнь, как известно, не стоит на месте - каждый план рано или поздно нуждается в корректировке. Чем это вызывается?

Во-первых, не слишком большой точностью предварительного планирования; особенно значительные ошибки происходят из-за неточности в оценке деятельности реализации отдельных фрагментов программ; кроме того, сама оптимизация проводится приближенно, иначе она потребовала бы большого числа операций ЭВМ. Во-вторых, непредвиденные обстоятельства - поступление новых запросов или изменение ресурса машины вследствие отказа каких-то элементов. Вот и приходится в течение выделенной доли секунды несколько раз перепланировать работу, и это при наличии сотен процессоров и десятков сложных задач. Объем работы, как видно, впечатляющий.

Но планирование - лишь полдела. Другая половина - управление процессом вычисления.

Грубо говоря, любая задача состоит из программ и данных; таким образом, возникают еще две подпроблемы: управление заданиями и управление данными. Первая - вызов программ, их фрагментов и выделение им участков оперативной памяти; вторая - обеспечение этих программ исходными данными для их работы.

Все это, по сути дела, лишь движение информации из одних запоминающих устройств в другие. Но взглянем на проблему пошире. Возьмем какой-нибудь фрагмент информации, предположим, массив данных или кусочек программы, и посмотрим, в какие ситуации он может фактически попадать.

Вот какой-то процессор начал решать один из этапов своей задачи и сообщил, что данный массив или программа ему больше не нужны. "Где же это у меня программа перекачки информации из одного уровня памяти в другой? - думает операционная система. - Ах, да, ведь я ее послала к 176 процессору во второй сегмент. Пошлю-ка ей вызов... Так, а куда я суну эту информацию? Четырнадцатая зона забита, в шестой данные по задаче № 880/12-а, но скоро из семнадцатой зоны пойдут данные на счет к 89-му процессору, так я их туда, пожалуй, и закину. Да! А как закинешь, если программа записи в это самое время как раз на 256-ом участке трудиться будет - данные в общесегментую память перекачивать? Значит, надо успеть до этого... Может, в 77-ой блок к 13-му процессору - он как раз на профилактике..."

Примерно вот так рассуждала бы операционная система, если бы умела рассуждать. Но, увы, этой способности она начисто лишена. Поэтому она не рассуждает, а почти мгновенно принимает оптимальны управленческие решения, по сравнению с которыми бледнеют легендарные подвиги виртуозов-снабженцев.

А забот у операционной системы немало! Здесь и пересылка информации, необходимой процессорам по ходу расчетов, в более быстрые элементы памяти, и очистка запоминающих устройств от ненужной информации (сброс ее в хранилище с меньшей скоростью обращения), и динамическое перераспределение памяти в соответствии с ситуациями, возникающими по ходу решения задач, и многое другое.

- Если раньше мы сравнивали работу операционной системы ЭВМ третьего поколения с АСУ предприятия, то операционную систему ЭВМ четвертого поколения можно, вероятно, сравнить с АСУ министерства или отрасли, имеющей в подчинении сотни предприятий.

- Да, создание операционной системы ЭВМ четвертого поколения - это, как говорят специалисты, проблема создания своеобразного искусственного интеллекта.

Конечно, и операционные системы машин третьего поколения могли бы - правда, при очень большой доработке - осуществлять функции управления многопроцессорной ЭВМ. Но тогда для их работы пришлось бы отрядить почти всю оперативную память и громадное число операций, что повлекло бы за собой расходование значительной части ресурса машины на внутренние нужды, на управление вычислительным процессом. А что оставалось бы пользователю?

Реальные возможности для создания рентабельных и действительно многопроцессорных систем появились лишь в эпоху компьютеров четвертого поколения. Во-первых, был накоплен значительный опыт управления подобными ЭВМ. Во-вторых, число самих процессоров существенно возросло. Наконец, трудоемкость создания мощнейших операционных систем удалось существенно облегчить путем так называемой аппаратурной реализации операционной системы. Что это такое?

Здесь надо вспомнить недалекое прошлое. При переходе к ЭВМ второго поколения появилась идея - реализовать некоторые функции аппаратуры с помощью программ. Эта идея зародилась потому, что электронные схемы тогда были очень дорогими и ненадежными. Эта тенденция, просуществовав 20 лет, себя изживает, и причиной этому являются исключительные свойства больших интегральных схем: их быстродействие, надежность и баснословно низкая стоимость. Теперь оказалось целесообразным идти не по пути составления программ для управления внутренними процессами в компьютерах, а строить специальные устройства, выполняющие ту же работу, но гораздо быстрее и недежнее. Стоимость тех же устройств на БИСах значительно ниже создания эквивалентных программ. Ведь БИСы фактически создает ЭВМ, а человек лишь закладывает основные характеристики требуемого блока.

Теперь о том, как можно реализовать программу аппаратно.

Пусть имеется небольшая программа, скажем, на 100 команд. Для ее замены набором БИС берется 100 БИСов универсального назначения, настраивают каждую из них на определенную команду программы, соединяют все их в нужной последовательности и получают то, что нужно: устройство размером со спичечный коробок, которое абсолютно надежно и почти мгновенно может реализовать заданную программу на 100 команд. То, что быстродействие в данном случае возрастает, станет очевидным, если вспомнить, что реализация каждой команды на обычной ЭВМ требует нескольких обращений к оперативной памяти за операндами: нескольких обращений к арифметическому устройству и десяток тактов работы управляющего устройства. Все эти блоки находятся в разных частях машины, соединены электрическими магистралями и т.д. В микропроцессоре же на БИСах и память, и управление, и "арифметика" практически "под рукой".

В ЭВМ четвертого поколения аппаратными средствами реализуются не только операционные системы, но и трансляторы с наиболее распространенных алгоритмических языков. Это, естественно, делает более дешевым и доступным процесс трансляции, так как над ним не висит дамоклов меч экономии памяти и операций.

Предпринимаются попытки реализовать аппаратными средствами и другие стандартные элементы программного хозяйства.

Следует подчеркнуть, что создание самих компьютеров четвертого поколения практически невозможно без комплексной автоматизации всех процессов, начиная от проектирования, конструирования узлов и устройств машин, написания и отладки программ внутреннего математического обеспечения и кончая управлением станками и технологическими линиями, выпускающими большие интегральные схемы, отдельные устройства и ЭВМ в целом. Все необходимые здесь вычислительные и логические операции должны выполняться достаточно мощными компьютерами третьего или четвертого поколения по специальным программам, входящим в систему автоматизации проектирования.

Люди уже не в силах охватить колоссальное число сложнейших структурных и функциональных закономерностей, характерных для описания машин четвертого поколения в действии. Без ЭВМ нельзя строить новые, более сложные ЭВМ. Если бы даже удалось найти требуемое число специалистов, в принципе способных выполнить "вручную" работу по проектированию и построению ЭВМ четвертого поколения, практически их услугами нельзя было бы воспользоваться. Во-первых, такое предприятие потребовало бы чрезмерно больших затрат человеческого труда и растянулось бы на многие годы, и идеи, заложенные в проект, устарели бы еще до передачи его на заводскую реализацию. Во-вторых, исполнители проекта наверняка запутались бы в необозримом множестве стыковочных параметров, ошибок, исправлений и доработок, которых никто бы не мог учесть и запомнить.

А сколько времени потребовалось бы на наладку и запуск в эксплуатацию ЭВМ, отдельные части которой плохо согласованы между собой?! Даже и в заведомо более простых ситуациях не всегда удается свести концы с концами.

Только комплексная автоматизация проектирования и изготовления позволяет получить надежные и дешевые ЭВМ четвертого поколения.

Но перспективность ЭВМ четвертого поколения объясняется не только тем, что в них удачно решается проблема внутреннего программного обеспечения, не менее важно и то, как решается вопрос программирования большого числа задач пользователей. Не так просто "накормить" компьютер, имеющий быстродействие, исчисляемое сотнями миллионов операций в секунду. Высказываются даже сомнения в том, что удастся вообще обеспечить эти гигантские вычислительные системы достаточным числом запрограммированных задач!