Maskinklasser Maskinklasser Innhold

Transkript

1 Geir Ove Rosvold 25. juli 2012 Opphavsrett: Forfatter og Stiftelsen TISIP Resymé: I denne leksjonen ser vi på de viktigste datamaskinklasser som er i bruk i dag. Blant disse inngår supermaskiner, stormaskiner, arbeidsstasjoner og PC, kontrollere og signalprosessorer. Innhold 1.1. INTRODUKSJON Stormaskiner Signalprosessorer Kontrollere Minimaskiner Personlige datamaskiner Servere (tjenermaskiner) Supermaskiner for tungregning MER OM ENKELTE KLASSER Stormaskiner Tungregning Mer om signal-prosessorer... 6

2 1.1. Introduksjon I løpet av de siste årene har det blitt slik at folk flest gjerne assosierer datamaskin med en PC. Det vil si en enbruker-boks med høyoppløselig fargeskjerm, tastatur og mus, og med harddisk innebygget i maskinen. Maskinen kan være i form av en stasjonær PC eller en bærbar PC (Laptop på engelsk). Men selv om PCer er overalt i dag, utgjør de bare en liten del av alt som strengt tatt kan kalles datamaskiner. Målt i antall solgte prosessorer er det største antallet datasystemer såkalte innebygde datasystemer (embedded systems på engelsk). Dette er systemer der mikroprosessorer og andre datakomponenter er innbygget i gjenstanden som skal styres eller overvåkes. For slike oppgaver er en PC slett ikke egnet: De er for store, for trege, for kostbare, for upålitelige. Som regel møter vi innebygde systemer uten å tenke over det; de styrer eltemaskinen på kjøkkenet, analyserer signalene fra fjernkontrollen i TV-apparatet, tar imot data fra chip en på bankkortet, brukes i mobiltelefonen eller styrer bensin-innsprøytingen i bilen VW reklamerer med at en av deres nyeste bilmodell har 60 ulike datamaskiner til å styre ulike oppgaver i bilen, og 3,2 km datakabel til å overføre datasignaler. I en oversikt over ulike maskinklasser burde vi blant annet nevne de følgende typer: Stormaskiner Signalprosessorer Kontrollere Minimaskiner og superminier Arbeidsstasjoner Tjenere (servere) Supermaskiner og andre tungregnemaskiner. La oss ta en titt på disse typene Stormaskiner Dette er moderne arvtagere etter den første generasjonen datamaskiner: Voluminøse, kostbare maskiner som håndterer kjempeoppgaver - særlig oppgaver der det må håndteres store mengder data: Database/transaksjonssystemer, arkiver, store regnskapssystemer osv. Det mest framtredende trekk ved denne klassen er uovertruffen I/O-kapasitet, både med hensyn til interaktive I/O-kilder, nettverk, disker og andre typer arkivmedia. Typiske eksempler på stormaskiner er IBM 303x-serien og Univac 1100-serie. I kap diskuteres disse maskinene i noe større detalj Signalprosessorer Slike prosessorer representerer den motsatte ytterlighet i størrelse og kost: De utfører spesialiserte, avgrensede oppgaver i behandling av digitaliserte fysiske data, som lyden i en telefon, ekkoet fra et seismisk skudd på oljefeltene, modem-signaler på telefonlinjen osv. De finnes i hver eneste mobiltelefon, CD-spiller, TV med digital signalbehandling, modem, Forfatter og Stiftelsen TISIP side 2 av 6

3 og andre massemarked-produkter. I tillegg finnes de i en lang rekke spesialiserte anvendelser i fysikk og ingeniørfag. Vi skal se nærmere på signalprosessorer i kap Kontrollere Kontrollere ligner på mange måter på signalprosessorer, men brukes til styringsoppgaver. De finnes i tallrike elektroniske forbruksvarer, som fjernkontroller, elektrisk utstyr, leker osv. Mens en signalprosessor har logikk for å raskt utføre matematiske operasjoner knyttet til for eksempel fourier-transformasjon og digital filtrering, er gjerne kontrollere mer generelle prosessorer som primært genererer eksterne styresignaler heller enn å analysere inputsignaler. Forløperen for x86-prosessorene som brukes i PC het Intel Dette var verdens første mikroprosessor, og ble opprinnelig utviklet som en enkel kontroller. I dag brukes ofte spesialutgaver av standard mikroprosessorer til kontrollere; i tillegg til CPUen er det lagt inn I/Oelektronikk på samme brikken. Signalprosessorer og kontrollere brukes ofte i innebygde datasystemer Minimaskiner Dette var 70-åras mellomgenerasjon mellom stormaskiner og PCer, og kan betraktes som nedskalerte stormaskiner. Vanligvis hadde de mellom 3 og 300 interaktive brukere, diverse muligheter for ulikt I/O-utstyr, fleksibilitet med hensyn til utbygging og relativt stor regnekapasitet. Det fremste norske eksempel på maskiner i denne klassen var maskinene fra Norsk Data; mer internasjonalt kjent er DECs VAX-serie. Minimaskiner produseres ikke lenger Personlige datamaskiner De personlige datamaskinene, som PC og Mac, begynte som hobbymaskiner tidlig på 80- tallet. Etterhvert fikk de virtuelt minne, disklager på hundrevis av megabytes, høyoppløselige skjermer og flerprosess-operativsystemer. Ganske raskt ble minimaskiner utkonkurrert av PC og andre mikromaskiner i nettverk Servere (tjenermaskiner) En tjenermaskin er som regel en generell maskin, men med spesielt utstyr og/eller spesiell konfigurering og bruk. Det kan være en ordinær PC ribbet for det meste fancy interaktive I/Outstyret, men isteden utstyrt for spesielle oppgaver. For eksempel er er en diskserver utstyrt med stor disk-kapasitet med raske disk-kontrollere, gjerne flere SCSI I/O-busser, rask systembuss for å kunne overføre data til minne, og en eller flere tilkoblinger til lokalnett. Disk-serveren har gjerne også utstyr og programvare for pålitelig, automatiskert sikkerhetskopiering. En kommunikasjons-server kan ha en rekke modem-innganger, tilkobling til Internet og andre typer nettverk, og kan stå som en diskserver for kommunikasjons-relaterte data: Postkasser for e-post, ftp-arkiver, hjemmesider og cache for WWW osv. Servere (tjenermaskiner) utgjør en viktig del av såkalte klient-tjener-løsninger, som blant annet hele Internett er bygget opp av. Disse løsningene baserer seg på at en tjenermaskin utfører oppgaver på forespørsel fra en annen maskin (en klient). En tjenermaskin kan utføre tjenester for mange klienter samtidig. Forfatter og Stiftelsen TISIP side 3 av 6

4 Supermaskiner for tungregning Supermaskiner er en klasse maskiner der vekten er lagt på ekstremt hurtig regnehastighet Dette er maskiner for såkalt tungregning. Store, tunge og dyre installasjoner. Vi ser nærmere på maskiner for tungregning i neste kapittel. Det kan være verdt å merke seg forskjellen på stormaskin og supermaskin. Tidligere ble det nevnt at stormaskinene kan slå beina under hvilken som helst annen maskinklasse ved sin enorme I/O-kapasitet. Stormaskinen har bra prosessorkapasitet også, men er altså først og fremst karakterisert med stor I/O-kapasitet. Derimot er supermaskinen laget for å særdeles stor prosessorkapasitet og langt mindre kapasitet for I/O Mer om enkelte klasser Vi skal ta en nærmere titt på enkelte av klassene som ble introdusert ovenfor. Vi konsentrerer oss mest om datamaskinklassene som vi ofte hører minst om Stormaskiner Den opprinnelige typen datamaskiner finnes enda, som stormaskiner som håndterer gigantvolum av data. Vi kan skille mellom supermaskiner og stormaskiner på forholdet mellom CPU-hastighet og I/O-kapasitet: Supermaskiner har ekstremt rask CPU og stor, men ikke ekstrem, I/O-kapasitet. Stormaskinene har som regel lang mindre og langsommere CPU, men en ekstremt stor I/Okapasitet. Kanalenhetene til en stormaskin kan være betydelig mer komplekse enn CPUen. En typisk terminallinje-kanalenhet handterer 512 interaktive brukere, og maskinen kan ha en rekke slike kanalenheter. Antallet samtidige brukere kan komme opp i tusenvis. En disk-kanalenhet kan for eksempel handtere 32 disk-enheter hver på 100 Gbyte; den totale disk-kapasiteten starter på noen tusen gigabytes. En stormaskin har som regel mulighet for å handtere alt av I/O-utstyr - men med vekt på lagringsmedier og kommunikasjon, mot terminaler, printere, plottere, modemer og datanett. RAM-minne på 100-talls Gbyte og ofte er betydelige buffere plassert ute på kanal-enhetene i tillegg til CPUens egen RAM. Stormaskiner benyttes primært i administrative og økonomiske systemer - de gamle etablerte databrukermiljøene. Det skjer relativt liten endring i disse anvendelsene, men selv om veksten ikke er på langt nær så rask som i andre maskinklasser blir det utført stadig mer arbeid totalt på denne klassen maskiner. Det er derfor grunn til å fortsatt være oppmerksom på stormaskinene, selv om de i dag kan virke mindre spennende enn andre klasser maskiner Tungregning Tungregning er bruk av datamaskiner med svært stor regnekraft til å utføre kompliserte beregninger. Ofte brukes følgende definisjon på et tungregneanlegg: et tungregneanlegg er en datamaskin som har en spissytelse som er minst 20 ganger spissytelsen til den til en hver tid raskeste arbeidsstasjon. Siden ytelsen til arbeidsstasjoner øker hurtig (en dobling av ytelsen omtrent annethvert år), er det altså et tilsvarende kappløp som finner sted innen tungregning. Hva trenger vi egentlig tungregneanlegg til? Innen teknikk og naturvitenskap brukes matematiske modeller til å beskrive store og komplekse systemer. For å gjøre beregninger på Forfatter og Stiftelsen TISIP side 4 av 6

5 slike modeller ender vi ofte opp med å måtte løse problemer som krever så mye hukommelse og/eller regnetid at det ikke er mulig å utføre beregningene på konvensjonelle datamaskiner. Noen eksempler er: værvarsling beregninger innen kvantefysikk og kvantekjemi simulering av strømning (i vann eller gass) styrkeberegning av mekaniske konstruksjoner Presentasjon av beregninger: 3-dimensjonal visualisering og animering av beregnede resultater. De siste årene har utviklingen av tungregnemaskiner gått i tre retninger: 1. Supermaskiner med forholdsvis få, men meget raske prosessorer. Disse gjør omfattende bruk av vektorprosessering (det vil si at samme instruksjon utføres på mange data samtidig altså i parallell). 2. Parallelle datamaskiner med et stort antall mindre kraftige prosessorer. 3. Clustere (eller klynger på norsk). Dette er en samling relativt billige arbeidsstasjoner som samarbeider om å utføre beregningene. Som vi ser er det et ord som går igjen når vi snakker om tungregning, og det er ordet parallell. I tungregneløsninger dreier det seg ofte om at mange beregninger skal utføres samtidig altså i parallell. De tre typene tungregnemaskiner forsøker hver sin tilnærming til dette problemet: 1. En vektormaskin har èn prosessor, men denne kan utføre samme instruksjon på svært mange ulike data samtidig. (Husk at en tradisjonell prosessor utfører en instruksjon på ett stykk data en vektormaskin utfører altså samme instruksjon på mange data samtidig). De mest kjente vektor-prosessorene for nordmenn flest er vel Cray-maskinene. Ved NTH/Sintef ble det i en årrekke kjørt en større Cray. Denne ble i utstrakt grad benyttet av oljeselskapene for analyse av seismiske data, av meteorologisk institutt for modellene som ligger til grunn for værmeldingene, og for en rekke ulike forskningsprosjekter. Prislappen på en Cray var høy; i området millioner kroner. NTH/Sintef bruker ikke lenger denne typen maskin. Maskintypen har på mange måter priset seg ut av markedet og har i stor grad blitt erstattet av parallelle datamaskiner og av klynger. 2. Parallelle datamaskiner med flere prosessorer som jobber sammen om å utføre beregningene. Disse prosessorene jobber mot samme minne. Prosessorene kan enten være standard prosessorer eller spesiallagede prosessorer. 3. Klynger er en samling standard arbeidsstasjoner som samarbeider om å utføre beregningene. Maskinene kommuniserer over et hurtig nettverk, og skal i prinsippet løse hvert sitt delproblem. Sett utenfra, altså fra brukerens ståsted, oppfattes hele klyngen som en eneste maskin. En klynge kan bestå av alt fra et par arbeidsstasjoner til flere hundre. Poenget er at selv om man kjøper dyre og hurtige men likevel helt standard arbeidsstasjoner, så vil totalprisen likevel bli mye lavere enn å kjøpe en Cray eller en massiv parallellmaskin. Forfatter og Stiftelsen TISIP side 5 av 6

6 Mer om signal-prosessorer En tungmaskin er meget velegnet for signalanalyse, men med en prislapp på millioner kroner kan den aldri bli allemannseie. I signalanalyse - behandling av lyd-signaler, vibrasjoner, billedanalyse - består den alt overveiende delen av Fourier-analyse (i den digitale utgaven kjent som FFT, Fast Fourier Transform), diskret cosinus-transformasjon (DCT) og beslektede transformasjoner. En rekke analysefunksjoner er basert på disse basisfunksjonene: Filtrering, komprimering, støyanalyse, identifisering av komponenter. På grunnnivå består metodene i det alt vesentlige av rekkeutviklinger og matrisemultiplikasjoner, alt sammen behandling av en eneste type utrykk, nemlig summer av delprodukter. En signalprosessor er en en-chips spesialisert mikroprosessor som er særlig tilpasset sum-avprodukter type operasjoner (f.eks av formen a=b c+d e som er et svært vanlig utrykk i forbindelse med digital signalbehandling). De kan typisk utføre en multiplikasjon og to addisjoner, eventuelt to multiplikasjoner og fire addisjoner, pr.klokkesyklus. Dette krever bruk av pipeline-teknikker og stor grad av hardware-dekoding og eksekvering. Dette er begreper som vi skal se på mot slutten av dette faget. Som regel har prosessorene enten heltallsaritmetikk eller flyttallsaritmetikk - sjelden begge deler. Mange tradisjonelle anvendelser (digital telefon, CD, DAT og så videre) er heltallsorienterte. I en del anvendelser der fysiske måledata blir analysert er det behov for å handtere både ekstremt store og ekstremt små verdier med rundt regnet like mange siffers presisjon, og flyttall blir tatt i bruk. Flyttall er også egnet for endel typer rekkeutviklinger der det legges sammen et stort antall små ledd og et mindre antall store ledd. Det er imidlertid sjelden krav til spesielt stor ordlengde - med den målepresisjon man har i dag er 32 bits mer enn tilstrekkelig presist for så godt som alle anvendelser (for heltall er ofte 16 bits godt nok). Et fundamentalt krav er som regel at alle forsinkelser skal være faste; prosessorene benyttes i sanntids-anvendelser der man ikke kan tolerere at et resultat kommer for sent fram på grunn av stopp i pipelinen, cache fault, page fault etc. I de aller fleste anvendelser er prosessoren også dedikert til en enkelt jobb, og behov for virtuelt lager er ikke til stede - lagerstørrelsen avpasses til oppgaven uansett. Ofte er funksjonene som utføres overraskende små, og datamengdene som handteres også små. Mange prosessorer har derfor integrert en viss mengde RAM på CPU-brikken, og det leveres også alternativer der en del av RAMen er erstattet med ROM for programkode eller faste data - typisk trigonometriske tabeller. Prosessoren kan da bli helt uavhengig av eksternt lager. Derimot kan en vesentlig del av (sanntids)dataene som analyseres komme fra I/Oenheter, og som regel er derfor CPU-brikken utstyrt med tilstrekkelig I/O-kretser slik at det heller ikke for dette bruk er behov for eksterne kretser. Det kan i mange sammenhenger være mulig å utføre den nødvendige signalbehandlingen med kun en eneste prosessor-brikke, strømforsyning og tilkobling til eksterne signalkilder. Signalprosessorene kan betraktes som generelle mikroprosessorer der en del funksjoner er fjernet, multiplikasjons- og addisjonsinstruksjoner er særlig hurtige, og en rekke tilleggsfunksjoner er trukket inn på CPU-brikken. Forfatter og Stiftelsen TISIP side 6 av 6