Материалы по теме выпускной работы:
|
Источник:
http://simulation.org.ua/show.php?mode=art&file=art002.html&id=2Первый путь заключается в выявлении и реализации только базовых, наиболее элементарных и общих для всех приложений функций, что перекладывает основную часть работы на пользователя. Такой подход обеспечивает в большинстве случаев максимальную эффективность использования функциональных возможностей системы, но предполагает высокую трудоемкость создания и модификации сложных моделей. Второй путь заключается в реализации максимального количества различных функций, покрывающего весь диапазон возможных применений. В этом случае, как правило, действует следующая закономерность: чем выше функциональность системы, тем сложнее она в освоении и тем менее эффективно используются её возможности. В работе [15] приводится пример Лисп-машины, содержащей около 30 000 функций и 3000 объектно-ориентированных классов, документированных на 4500 страницах руководства. При этом отмечается, что такого рода системы своей сложностью не только создают проблемы для разработчиков и пользователей, но и практически исключают эффективное использование всех их возможностей даже экспертами, специализирующимися на их применении. |
|
|
|
|
1955 | 0,01 MFLOPS | IBM-704, БЭСМ | ЭВМ с аппаратной реализацией ПЗ |
1965 | 1 MFLOPS | CDC-6600 | Многопроцессорная ЭВМ |
1975 | 100 MFLOPS | Cray-1 | Конвеерно-векторная суперЭВМ |
1985 | 0,01 TFLOPS | ETA-10 | Многопроцессорная суперЭВМ |
1995 | 1 TFLOPS | Paragon | Массивно-параллельная MIMD-система |
2005 | 100 TFLOPS | Проект ASCI | Массивно-параллельная MIMD-система |
Таблица 1: Эволюция рекордных вычислительных систем
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2: Эволюция массовых вычислительных систем
Значения производительно при этом существенно округлены, так как в данном случае нас интересует, прежде всего, тенденция, а не точное значение конкретных цифр. Так, например, рекордная производительность, достигнутая в 1995 году на системе Intel Paragon XP/S с 6768 процессорами, составила 338 Гфлопс (миллиардов операций с плавающей запятой в секунду). Но в то же время отмечается [4], что реализация данной системы на 9-ти тысячах уже имеющихся процессоров Pentium Pro позволит получить производительность порядка 1,8 Тфлопс (триллионов операций с плавающей запятой в секунду). В строке 2005 года обозначен проект министерства энергетики США ASCI (Accelerated Strategic Computing Initiative, бюджет на 1996-2002 гг. составляет около 1 млрд. долларов), направленный на стимулирование гонки суперкомпьютеров с целью увеличения в предстоящем десятилетии их производительности примерно на два порядка. В аналогичной строке для массовых вычислительных систем стоит обозначение "Super Pentium", что предполагает будущие усовершенствованные варианты нынешнего семейства Pentium фирмы Интел (в соответствии с существующей традицией нумерации микропроцессорных поколений их можно также обозначить как Р7, Р8, Р9...). Миллиардный объём исталляции предполагает также, что в распоряжении активно работающих пользователей будет одновременно более одной вычислительной системы, т. е. по меньшей мере, две: стационарная с полным набором функциональных возможностей и мобильная с развитыми средствами связи.
Особо следует сказать о коммуникационных средствах, которые играют важнейшую
роль в формировании единой информационно-вычислительной среды. Основные
параметры их эволюции (по материалам работы [14] ) приведены в таблице
3.
|
|
|
|
|
Кластер, вычислительный центр (ВЦ) | 100 м | 10 Мбит/с | 100 Мбит/с | 1 Гбит/с |
Локальная сеть (ЛС) | 1 км | 1 Мбит/с | 10 Мбит/с | 1 Гбит/с |
Региональная сеть (РС) | 100 км | 50 Кбит/с | 1 Мбит/с | 100 Мбит/с |
Глобальная сеть (ГС) | 10 000 км | 1 Кбит/с | 50 Кбит/с | 100 Мбит/с |
Таблица 3: Эволюция пропускной способности основных видов сетей
Локальный компьютер при недостаточном развитии коммуникационной инфраструктуры служит для большинства пользователей единственной аппаратной платформой для моделирования, и, соответственно, его характеристики в этом случае являются основным ограничивающим фактором. Предполагается, что во всех остальных случаях локальный компьютер выступает в качестве терминала удалённого доступа к имеющимся в сети ресурсам.
Сетевой кластер позволяет увеличить суммарную производительность используемых при моделировании вычислительных ресурсов в несколько раз за счёт объединения возможностей нескольких объединённых локальной сетью компьютеров. Такое объединение обеспечивается специальными программными средствами типа системы PVM (Parallel Virtual Machine - параллельная виртуальная машина) в операционной среде UNIX. Достигаемый при этом рост производительности существенно ограничен пропускной способностью локальной сети.
Системы с общей памятью позволяют с большей эффективностью, чем в предыдущем случае, объединить ресурсы десятков процессоров, и, соответственно, получить больший рост производительности [7]. В новейших модификациях массовых микропроцессоров (Р6 и др.) предусмотрены развитые средства для построения на их базе такого рода систем.
Аналогово-цифровой процессор ещё в недавнем прошлом признавался основным средством высокопроизводительного моделирования динамических объектов, описываемых сложными системами дифференциальных уравнений. В работах [3] и [6] показано, что достигаемое при этом эквивалентное быстродействие примерно на два порядка может превышать показатели массовых цифровых ЭВМ. И ещё в начале 90-х годов велись разработки новых систем такого рода [2]. Однако резко возросшие показатели производительности при выполнении операций с плавающей запятой в последних модификациях массовых микропроцессоров и стремительно расширяющиеся возможности сетевого доступа к ресурсам суперЭВМ сводят в перспективе практически на нет использование аналого-цифровой техники для высокопроизводительного моделирования.
Системы с массовым параллелелизмом типа SIMD ("одиночный поток команд при множественном потоке данных") явились исторически первыми вычислительными системами с массовым параллелелизмом (сотни и тысячи процессоров), которые позволили на широком классе задач получить рост производительности на два порядка и более. Однако, при использовании их в качестве компонентов универсальной моделирующей среды усредненный рост производительности на широком классе задач будет существенно меньшим. В перспективе предполагается, что SIMD-системы постепенно эволюционируют в системы SPMD ("одиночный поток программ при множественном потоке данных").
Специализированные параллельные процессоры за счёт аппаратной
поддержки специальных операций и алгоритмов при широком функциональном
распараллеливании позволяют в ряде случаев увеличить производительность
почти на три порядка. Одним из наиболее характерных примеров использования
такого подхода являются средства для синтеза высокопроизводительной реалистичной
графики, входящие в состав специализированных аппаратно-программных моделирующих
комплексов [1]. В целом можно констатировать, что такого рода компоненты
в составе универсальных моделирующих сред позволяют эффективно ликвидировать
наиболее узкие места, но являются относительно дорогостоящими, что существенно
ограничивает их использование.
Системы с массовым параллелелизмом типа MIMD ("множественный поток
команд и данных") являются наиболее перспективным высокопроизводительным
компонентом универсальной вычислительной среды, позволяющим обеспечивать
максимальный рост производительности для широкого класса задач.
2.2. Программное обеспечение
Системное программное обеспечение является наиболее консервативным элементом программной части моделирующей среды. Причём, если для широкого спектра высокопроизводительных средств, начиная от рабочих станций и заканчивая системами рекордной производительности, в качестве стандартной операционной среды принята фактически UNIX / Xwindows, что существенно облегчает интеграцию разнородных систем в единую среду, то для массовых компьютеров основной является своя специфическая операционная среда, которая обозначена как MS Windows. Причём, это обозначение в данном контексте следует понимать скорее как Massive System Windows (т. е. многооконная среда массовых систем), чем просто как Microsoft Windows. Указанное обстоятельство требует от программного продукта, претендующего на универсальность, поддержки работы как минимум в двух указанных операционных средах. Правда, дистанция между ними постоянно сокращается, а появление Linux, свободно распространяемого варианта UNIX / Xwindows для ПЭВМ, можно считать первым шагом к будущей полной интеграции операционных сред.
Чрезвычайно важным компонентом моделирующей среды являются различные прикладные программные продукты, которые представляют ценность не только сами по себе, но и как подсистемы, интегрированные в универсальную систему моделирования. Так, например, в работе [16] рассматривается использование известной системы Mathematica в качестве символьного препроцессора специализированной системы моделирования промышленных химических процессов.
Особой проблемой является эффективная реализация алгоритмов моделирования на высокопроизводительных параллельных системах с различной архитектурой. Наиболее эффективным средством решения этой проблемы является использование машинно-независимого языка параллельного программирования, весьма удачным примером которого является язык Parallaxis, разработанный в Штутгартском университете (Германия) [11].
2.3. Универсальная система моделирования (УСМ)
В работе [17] эволюция программных средств моделирования представлена
в виде последовательной смены пяти поколений:
первое поколение (50-е годы, FORTRAN, ALGOL...) - программирование
моделей на языках высокого уровня без какой-либо специальной поддержки;
второе поколение (60-е годы, GPSS, SIMULA, SIMSCRIPT...) - специальная
поддержка моделирования в виде соответствующих выражений языка, генераторов
случайных чисел, средств представления результатов;
третье поколение (70-е годы, ACSL...) - возможность комбинированного
непрерывно-дискретного моделирования;
четвёртое поколение (80-е годы, SIMFACTORY, XCELL...) - ориентация
на конкретные области приложения, возможность анимации;
пятое поколение (90-е годы, SIMPLEX II, SIMPLE++...) - графический
интерфейс, интегрированная среда для создания и редактирования моделей,
планирования экспериментов, управления моделированием и анализа результатов.
Универсальную систему моделирования можно рассматривать в качестве программного средства моделирования шестого поколения, интегрирующего и развивающего важнейшие особенности средств пятого поколения, ориентированного на использование не только массовых компьютеров, но и массивно параллельных высокопроизводительных систем, а также построенную в соответствии с принципами, перечисленными в следующем разделе.
3. Принципы построения УСМ
В качестве основных принципов построения УСМ могут быть названы следующие:
3.1. Модульная структура
Разбиение системы на относительно автономные модули с чётко специфицированным интерфейсом полностью соответствует современным технологиям программирования и позволяет обеспечить целый ряд преимуществ:
3.2. Масштабируемость
Данный принцип предполагает реализацию на основе модульности различных вариантов УСМ, отличающихся как сложностью и объёмом, так и требованиями к аппаратным средствам. При этом обеспечивается:
3.3. Открытая архитектура
Чёткая спецификация межмодульных интерфейсов позволяет обеспечить их взаимозаменяемость, а также:
3.4. Иерархия моделей
Поддержка создания и редактирования иерархически специфицированных моделей обеспечивает:
3.5. Графический интерфейс
Развитый графический интерфейс должен гарантировать:
4. Заключение
Разработка концепции универсальной моделирующей среды ведётся в рамках сотрудничества факультета вычислительной техники и информатики ДонГТУ с институтом параллельных и распределённых суперЭВМ Штутгартского университета (Германия), а также - институтом системной динамики и управляющей техники Штутгартского университета. К настоящему времени выполнена разработка ряда прототипов и компонентов моделирующей среды, в том числе с использованием параллельной системы с общей памятью Sequent [7] и массивно параллельной SIMD-системы MasPar [8, 9]. Ближайшей целью сотрудничества является разработка массивно-параллельной моделирующей среды для исследования динамических систем с сосредоточенными и распределёнными параметрами, описываемых, соответственно, системами обыкновенных дифференциальных уравнений и системами дифференциальных уравнений в частных производных. В перспективе планируется практическая реализация концепции универсальной моделирующей среды в полном объёме.
Литература:
1. Башков Е.А., Аноприенко А.Я., Коба Ю.А., Кухтин А.А., Мальчева Р.В.,
Система синтеза изображений в реальном времени для испытательных стендов.
"Гибридные вычислительные машины и комплексы", вып.15, Киев, "Наукова думка",
1992, с. 72 - 76.
2. Беляков В. Г., Володина Г. Г., Панафидин В. В. Основные направления
разработки АЦВС-"Вопросы радиоэлектроники", серия "ЭВТ", вып. 2, 1991,
с. 10 - 18.
3. Беляков В.Г., Вороной С.М., Фельдман Л.П. Оценка эффективности аналого-цифровой
реализации метода прямых на последовательности сгущающихся сеток. "Вопросы
радиоэлектроники", серия "ЭВТ", вып.2, 1991, с. 48 - 56.
4. "В США создаются суперкомпьютеры с быстродействием класса Тфлопс",
Computer Week, № 40, Ноябрь 1995 г.
5. Высокоскоростные вычисления. Архитектура, производительность, прикладные
алгоритмы и программы суперЭВМ. М., "Радио и связь", 1988, 431 с.
6. Святный В. А. Гибридные вычислительные системы. Киев, "Вища школа",
1980, 247 с.
7. Святный В.А., Цайтц М., Аноприенко А.Я.. Реализация системы
моделирования динамических процессов на параллельной ЭВМ в среде сетевого
графического интерфейса. "Вопросы радиоэлектроники", серия "ЭВТ", вып.
2, 1991, с. 85 - 94.
8. Anoprienko, L. Feldman, V. Lapko, V. Svyatnyj, T. Brдunl, A. Reuter,
M. Zeitz. Massive parallel models of net dynamic objects. Proceedings of
the 1995 EUROSIM Conference, EUROSIM-95, Vienna, Austria, 11-15 September
1995, ELSEVIER, 1995, 237 - 242.
9. Anoprienko, V. Svjatnyi, T. Brдunl, A. Reuter, M. Zeitz. Massiv
parallele Simulationsumgebung fьr dynamische Systeme mit konzentrierten
und verteilten Parametern. Simulationstechnik. 9 Simposium in Stuttgart,
Oktober 1994, Vieweg, 1994, S. 183-188.
10. Apsel T. Funktionale Dekomposition eines universell einsetzbaren
Simulationssystems. "Simulation in Passau", Heft 2, 1995, 18 - 20.
11. Broeunl. Parallaxis-III: A Language for Structured Data-Parallel
Programming, User Manual. Computer Science Report. IPVR Univ. Stuttgart,
Oktober 1994.
12. Breitenecker. Simulation und Animation mit GPSS/H und Proof in
der Lehre. Mitteilungen aus den Arbeitskreisen "Visualisierung und
Prдsentation von Modellen und Resultaten der Simulation". Fachtagung
18 - 19. Maerz 1992 in Magdeburg. Heft Nr.31, Z. 179 - 190.
13. Buchberger. Symbolic Computation Software Systems: The Current
State of Technology. EUROSIM-95, Vienna, Austria, 11-15 September
1995, ELSEVIER, 1995, p. 85 - 94.
14. Gray, A. Reuter. Transaction processing: concepts and techniques.
Morgan Kaufmann Publishers, San Francisco, 1993, 1070 p.
15. Fischer. Beyond Human-Computer Interaction. Mensch-Computer-Kommunikation.
Springer-Verlag, 1993, Z. 274 - 287.
16. Raumschussel, A. Gerstlauer, E. D. Gilles, M. Zeitz. Ein Prдprozessor
fьr den verfahrenstechnischen Simulator DIVA. Simulationstechnik. 9 Simposium
in Stuttgart, Oktober 1994, Vieweg, 1994, 177 - 182.
17. Schmidt B. Simulationssysteme der 5. Generation. "Simulation in
Passau", Heft 1, 1994, 5 - 6.
18. Watzdorf, F. Allgower, A. Helget, W. Marquardt, E. D.Gilles.
Dynamische Simulation verfahrenstechnischer Prozesse und Anlagen: Ein Vergleich
von Werkzeugen. Simulationstechnik. 9 Simposium in Stuttgart, Oktober 1994,
Vieweg, 1994, S. 171 - 176.
ДонНТУ> Портал магистров ДонНТУ> Биография| Реферат| Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальное задание