Феноменологическая структуризация вычислительных ресурсов и их сетевая организация

Системная согласованность hardware и software абсолютно и безусловно определяются аспектами реализации коммуникационных отношений в структуре hardware. Даже для направления развития индивидуальных процессорных структур в рамках концепции Дж.фонНеймана, рассматривающей некоторую совокупность структурно локализованных функционально ориентированных узлов (приборов), реализация коммуникационных отношений была одной из актуальных инженерных проблем.

На ранних этапах развития вычислительной техники примерно одинаковое распространение получили два способа построения вычислительных машин: с непосредственными связями и на основе шины. Типичным представителем первого способа может служить классическая фон-Неймановская структура. В ней между взаимодействующими устройствами (процессор, память, устройство ввода/вывода) имеются непосредственные связи. Недостатком коммуникаций с непосредственными связями является то, что они плохо поддаются реконфигурации.

В варианте с общей шиной все устройства вычислительной машины подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления. Наличие общей шины существенно упрощает реализацию вычислительных машин, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Благодаря этим свойствам шинная архитектура получила широкое распространение. Вместе с тем, именно с шиной связан и основной недостаток таких структурно-архитектурных решений: в каждый момент передавать информацию по шине может только одно устройство. Преодоление этого недостатка по мере развития структур вычислительных машин происходило, например, за счет появления интеллектуальных процессоров ввода/вывода, многоуровневой структуризации памяти и осуществлялось на основе иерархии шин. В этом случае помимо магистральной шины имеется еще несколько дополнительных шин.

Дальнейшее развитие коммуникационных отношений в вычислительных системах связано с архитектурами вычислительных сетей. Акцент на архитектуру (уровень S_TI представления системы на основе феноменологической модели) в данном случае не случаен, а обоснован сутью рассматриваемых системных отношений. Действительно, основной концепцией архитектуры современных вычислительных сетей является положение об их открытости. Сетевая концепция вычислительных систем достаточно адекватно вписывается в рассмотренную стратификацию их иерархических уровней. При этом архитектура вычислительных сетей в том или ином виде обуславливается соответствующей интерпретацией эталонной семиуровневой модели взаимодействия открытых информационных (вычислительных) систем ISO, согласующейся с возможностями реализации и целевым назначением конкретной вычислительной сети.

На макромедийном уровне вычислительные сети организуют ассоциации вычислительных установок в широком диапазоне масштабов. Это глобальные сети общего пользования типа Internet и корпоративные сети различных ведомств, служб, корпораций и локальные вычислительные сети внутри различных организаций.

Характерной особенностью глобальных вычислительных сетей является применение для передачи информации телекоммуникационных средств на основе различных сетей связи общего назначения. Это в значительной степени определяет специфику протоколов информационного обмена, учитывающих глобальность географических масштабов сетей связи и связанные с этим факторы возможных искажений при передаче информации.

Для локальных вычислительных сетей (ЛВС) характерно создание специальных выделенных каналов связи, что обеспечивает достаточно высокий уровень помехозащищенности при передаче сигналов. В связи с этим в протоколах ЛВС основной акцент уделяется повышению пропускной способности выделенных каналов связи и обеспечению минимальных гарантированных задержек при передаче информации.

На компьютерном уровне иерархической стратификации вычислительных систем сетевые структуры наиболее полно применяются при создании высокопроизводительных мультимикропроцессорных суперкомпьютеров с параллельной архитектурой. Основной особенностью работы таких компьютеров является распараллеливание алгоритмов решения задачи. Каждому микропроцессору задается своя уникальная программа выполнения определенного фрагмента алгоритма решения задачи, что позволяет ограничить объем памяти, для обслуживания этого микропроцессора, как для хранения программы, так и для данных, необходимых при реализации фрагмента алгоритма. Такая структуризация программы решения задачи и данных позволяет существенно упростить в рамках локальных фрагментарных вычислений управление ходом вычислительного процесса и снизить связанные с этим удельные накладные расходы на «полезные» вычислительные операции.

Отметим существенный феноменологический аспект такой структуризации. С момента актуализации программы на время реализации фрагмента алгоритма каждый микропроцессор с приданной ему памятью становится как бы самостоятельным специализированным обособленным микро органом, выполняющим специфическую функцию. Элемент структуры компьютера сам становится самостоятельной вычислительной системой. При этом трансцендентным окружением ее (S_TT в представлениях феноменологической модели системы) является все множество данных, необходимых для выполнения вычислений, а их результаты определяют уровень S_IT. Вместе с тем, идентичность структуры трансцендентного окружения структуре единичного микропроцессора позволяют на единых принципах представлять категории S_TI и S_IT феноменологической модели работы микропроцессоров. Создается новое представление внутренней архитектуры суперкомпьютера. Подчеркнем, что разработчики суперкомпьютеров прилагают максимум усилий, чтобы оставить для конечного пользователя элементы внутренней архитектуры суперкомпьютеров на имманентном структурном уровне, не выводя его активно в архитектурные протоколы и интерфейсы (уровень S_TI феноменологической модели системы).

Хочется заметить, что процесс функциональной кластеризации решения задач очень напоминает, уже упоминаемую, модель фрактального роста на основе агрегации, ограниченной диффузией Т. А.Уиттена и Л. М.Сандера. Если это так, то имеются все предпосылки предположить, что организация структуры функциональной кластеризации фрагментов вычислительных алгоритмов на поле микропроцессоров суперкомпьютеров носит фрактальный характер. Но тогда должно проявляться свойство нецелочисленной размерности, которое способствует потенциальным предпосылкам повышения эффективности использования вычислительного ресурса. Эта характеристика в значительной степени является определяющей при создании реальных вычислительных систем.