Основы компьютерных систем

1. ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ

ЛИВАК Елена Николаевна
Доцент кафедры
системного программирования и компьютерной безопасности
Кандидат технических наук, доцент

2. КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ

______________________________________

3. Классификация компьютерных систем

Суперкомпьютеры
Мэйнфреймы
Кластеры компьютеров
Персональные компьютеры
Мобильные устройства
Носимые компьютеры
Распределенные системы
Облачные системы

4. Суперкомпьютеры (Supercomputers)

мощные многопроцессорные компьютеры
производительность до нескольких petaflops
(1015 вещественных операций в секунду)
i
flops - floating-point operations per second

5.

Китайский суперкомпьютер может
выполнять квинтиллион операций в секунду
Суперкомпьютер Cray Titan

6. Top500 (ранжирование суперкомпьютеров)

Список 2 раза в год (июнь и ноябрь) составляется на основе теста LINPACK по
решению системы линейных алгебраических уравнений, являющейся общей
задачей для численного моделирования
май 2022 + ноябрь 2022
Лидер – американский Frontier
с реальной производительностью (на тесте Linpack)
1,102 экзафлопсов (эксафлопсов)
Он основан на новейшей архитектуре HPE Cray EX235a и оснащен
процессорами AMD EPYC 64C 2GHz
количество ядер = 8.730.112
Предполагается, что суперкомпьютер будет эксплуатироваться Министерством
энергетики.

7. Top500 (ранжирование суперкомпьютеров) май 2022 + ноябрь 2022

2 место – японский суперкомпьютер Fugaku (Фугаку)
(ранее 2 года подряд занимал первое место)
производитель - Fujitsu, Япония, Институт физико-химических исследований
производительность 442,01 petaflops (петафлопсов)
48-ядерные однокристальные системы Fujitsu A64FX SoC на архитектуре ARM
Основные направления исследований — физика, химия, биология, медицина,
технические науки и информатика.
В институте находятся
• источник
синхротронного
излучения,
• рентгеновский лазер на
свободных электронах,
• ускорительный
комплекс циклотронов и
синхротронов для
производства и изучения
короткоживущих
изотопов

8. ТОР10 ноябрь 2022

Summit (IBM, США, крупнейшая научно-исследовательская лаборатория
Министерства энергетики США, штат Теннеси)
(в 2018 – 1 место, в 2020 - 2 место, в ноябре 2022 – 5 место)
200 petaflops
4.608 серверов = 9.216 22-ядерных процессоров IBM Power9 и 27.648 графических процессоров
Стоимость $200 млн. Потребление энергии – как небольшой город.
Сферы применения: материаловедение, астрофизика (нейтронная физика), энергетика,
раковые исследования и системная биология, национальная безопасность.
Sierra (IBM США, Калифорния, национальная лаборатория Министерства
энергетики США)
(в 2020 – 3 место, в ноябре 2022 – 6 место)
94,6 petaflops
Еще 2 американских
суперкомпьютера в Top10 Perlmutter (8 место), Selene (9)
SunWay TaihuLight (Китай, Национальный суперкомпьютерный центр)
(в 2016 – 1 место, в 2020 - 4 место, в ноябре 202 – 7 место)
Скорость вычислений - 93 petaflops и 10.649.600 ядер
По скорости он в 2 раза быстрее и в 3 раза эффективнее рекордсмена
Tianhe-2 (Milky Way-2) (Китай, Национальный университет оборонных
технологий)
(в 2013 - лидер, в 2020 - 5 место, в ноябре 2022 – 10 место)
33,86 petaflops, 3.120.000 ядер.

9. Распределение суперкомпьютеров из списка Top500 по странам мира (ноябрь 2022 года)

Страна
Количество
суперкомпьютеров
Китай
162
США
127
Германия
34
Япония
31
Франция
24
Великобритания
15
Канада
10
Южная Корея
8
Нидерланды
8
Бразилия
8
Италия
7
Россия
7
Саудовская
Аравия
6
Швеция
6
Австралия
5
Ирландия
5
Швейцария
4
Leonardo – 4 место в ноябре 2022
Болонья, Италия
Остальные - меньше

10. ДИНАМИКА (для любознательных) количества суперкомпьютеров в списке Top500 по странам (ноябрь 2022 \ май 2022 \ июнь 2020 года)

1. Китай 162 \ 173 \ 226
2. США 127 \ 127 \ 114
Китай + США = 2\3 самых
3. Япония 34 \ 34 \ 29
производительных
суперкомпьютеров в мире
4. Германия 31 \ 31 \ 16
5. Франция 24 \ 22 \19
6. Великобритания 15 \ 12 \10
7. Канада 10 \ 14 \ 12
8. Южная Корея 8 \ 6 \ 3
9. Нидерланды 8 \ 6 \ 15
10. Бразилия 8 \ 6 \ 4
11. Россия 7 \ 7 (была на 8 месте) \ 2 (была на 36 месте)
12. Италия 7\ 6 \ 7

11. Замечание для любознательных

Несмотря на триумф США,
The New York Times пишет, что Top500 может быть нерелевантен из-за того,
что Китай располагает куда более производительными системами,
чем заявляет официально.
Журналисты уверены,
что КНР не предоставляет данных о китайских суперкомпьютерах
экзафлопсного уровня для участия в авторитетном рейтинге.
Такую стратегию они выбрали по той причине,
что страна использует иностранные чипы в суперкомпьютерах
и не хочет привлекать к себе внимание американских регуляторов.

12.

Тайвань – «Кремниевый щит»
Напряженность
вокруг Тайваня
производит ошеломляющие 65% мировых полупроводников и
более 90% чипов самого высокого класса
ни одна компания не является более важной для мировой
экономики, чем
TSMC
Taiwan Semiconductor Manufacturing Company
Микрочипами TSMC
пользуются Apple, AMD,
Qualcomm, Nvidia,
автопроизводители и
множество других компаний
— и это единственный
производитель в мире,
способный обеспечить их
нужными компонентами
Передовые микрочипы TSMC незаменимы
для iPhone, медицинских устройств,
ракетных пусковых платформ и многих
других технологий, и им практически нет
равных. Страны и компании, которые не
могут использовать самые передовые
полупроводники TSMC, просто не могут
разрабатывать определенные критически
важные технологии. Таким образом,
решения компании могут
непосредственно касаться вопросов
глобальной безопасности.

13. 4 марта 2020 AMD анонсировала самый мощный в мире суперкомпьютер El Capitan

на основе CPU и GPU (процессоры и видеокарты), которые должны были выйтеи в
2021, а суперкомпьютер должен был быть введен в строй в 2023 г
создавался по заказу Министерства энергетики США компанией Cray
для задач, связанных с ядерным оружием
ОБЕЩАЛИ – «это будет самый быстрый суперкомпьютер в мире (2 ExaFLOPS)»
El Capitan будет
мощнее,
чем 200 самых
мощных в 2020
суперкомпьютеров
TOP500
вместе взятых

14.

15.

16.

17.

18. ОС для суперкомпьютеров

ОС для суперкомпьютеров должны поддерживать
• распараллеливание решения задач
• синхронизацию параллельных процессов,
одновременно решающих подзадачи некоторой программы
Операционные системы
С ноября 2015 года в рейтинге нет ни
одного суперкомпьютера под управлением
операционной системы Windows.
Также среди мощнейших
суперкомпьютеров нет ни одной машины
под управлением Mac OS.
Большинство суперкомпьютеров до
середины 2000-х годов работали под
управлением UNIX,
Ныне - под управлением операционной
системы Linux.

19. Компьютеры общего назначения (mainframes) 1950-е – 1970-е

Типичные примеры:
IBM 360/370;
российские – М-220, БЭСМ-6.
Параметры ранних mainframe-компьютеров:
быстродействие - несколько тысяч операций в секунду,
оперативная память – несколько тысяч ячеек (слов)
неудобный пользовательский интерфейс
(без интерактивного взаимодействия)
Упоминаю эти системы потому, что именно для
МЭЙНФРЕЙМОВ
- создавались первые ОС
- были реализованы все основные
методы и алгоритмы

20. Современные мэйнфрэймы (mainframes)

универсальный, большой компьютер, предназначенный для решения
задач, связанных с интенсивными вычислениями и обработкой больших
объемов информации
Мэйнфрейм = Большая ЭВМ

21. Современные мэйнфрэймы (mainframes)

В 2000 г IBM представила новую линейку мэйнфреймов с 64-разрядной
архитектурой
eServer zSeries
С 2008 года – новый уровень архитектуры
z/Architecture 2

22. Сравнение суперкомпьютеров и мэйнфрэймов

Суперкомпьютеры используются для научных и инженерных задач
(высокопроизводительные вычисления, например, в области
метеорологии или моделирования ядерных процессов).
Главное - мощность процессора и объём оперативной памяти!
Мэйнфреймы применяются для целочисленных операций.
Главное - требовательность к скорости обмена данными, к надёжности и
к способности одновременной обработки транзакций (ERP-системы,
системы онлайн-бронирования, банковские системы).

23. Кластеры компьютеров (computer clusters)

i

24. Кластеры компьютеров (computer clusters)

i

25. Настольные компьютеры (desktops)

26. Портативные компьютеры (laptops, notebooks)

дословно «компьютеры, помещающиеся на коленях»,
«компьютеры-тетрадки»
Это миниатюрные компьютеры
Встроенные порты и адаптеры для беспроводной связи:
– вид радиосвязи, позволяющий работать в
беспроводной сети с производительностью 10-100 мегабит в
секунду (используется в зоне радиусом в несколько сотен
метров от источника приема-передачи);
Wi-Fi
Bluetooth – радиосвязь на более коротких расстояниях (10 –
100 м для Bluetooth 3.0), используемая для взаимодействия
компьютера с мобильным телефоном, наушниками,
плейером и др.

27. Портативные компьютеры (laptops, notebooks)

Внешние устройства (дополнительные жесткие диски, принтеры, иногда
даже DVD-ROM) подключаются через порты USB
Наличие карт-ридеров – портов для чтения всевозможных карт памяти,
используемых в мобильных телефонах или цифровых фотокамерах
Обеспечивается также интерфейс FireWire для подключения цифровой
видеокамеры
Критический параметр ноутбука – время работы батарей без подзарядки
Нетбук - ноутбук, предназначенный для работы в сети, обычно менее
мощный и поэтому более дешевый, а также более миниатюрный
i
На ноутбуках используются те же операционные системы,
что и для настольных компьютеров
(например, Windows или MacOS).

28. Карманные портативные компьютеры и органайзеры (КПК, handhelds, PDA)

в виде миниатюрного компьютера (помещаются на
ладони или в кармане, но по своему быстродействию
иногда не уступают ноутбуку).
Серьезные недостатки КПК - это неудобство ввода
информации (палочка-стайлус) и неудобство чтения
информации на маленьком экране
имеют фактически те же порты и адаптеры, что и
ноутбуки – Wi-Fi, Bluetooth, IrDA, USB

29. Карманные портативные компьютеры и органайзеры (КПК, handhelds, PDA)

Операционные системы для КПК
аналогичны ОС для ноутбуков,
но учитывают более жесткие ограничения
на объем оперативной памяти
Широко используется ОС Windows Mobile – аналог
Windows для мобильных устройств
До недавнего времени была также широко
распространена PalmOS для органайзеров типа PalmPilot
фирмы 3COM