История развития вычислительной техники
в Пермском государственном техническом университете

«…ЭВМ становится посредником между теорией и экспериментом,” -
академик М. А. Лаврентьев, основатель Сибирского отделения АН СССР.

     XX век считается веком технического прорыва, временем, когда человечество реализовала себя именно как техническую цивилизацию, когда оно перешло на новую ступень своего развития, совершив за короткое время огромный шаг вперед сразу в нескольких областях: в фундаментальной науке, в прикладных исследованиях, в технике. За последнюю сотню лет человек коренным образом изменил все свои представления об окружающем его мире, сформировал новую систему знаний, окружил себя высоко технологичными устройствами, обустроил свой быт, изменил собственное мышление. Он проник внутрь атома, а затем и «покорил» его. Сыграв в гольф на Луне и взглянув на Солнечную систему сквозь объектив фотокамеры «Вояджера», человек раздвинул границы тесного мира, с которыми вынужден был мириться до этого. Подобный прорыв стал возможен благодаря планомерному развитию науки и техники, а также трудолюбию и особому дару нескольких неординарных ученых видеть необычное в, казалось бы, обыденных и всем давно известных и понятных вещах.

     Специфика научного познания такова, что, зачастую, неизвестен сам способ решения поставленной задачи, в связи с чем, возникает необходимость в проведении дополнительных научных изысканий, предложении новых подходов, новых постановок, разработке новых методов решения. Это ярко видно на примере развития науки и техники на протяжении XX века – научные исследования подошли к тому пределу, когда решения с использованием упрощенных моделей уже не давали приемлемых результатов, в силу сложности и масштабности рассматриваемых объектов, явлений и процессов, а иных аналитических методов решений предложено не было. В тот момент, как нельзя кстати, появилась возможность переложить рутинный однообразный труд «на транзисторные плечи» электронно-вычислительных машин, поручив им кропотливо и безошибочно выполнять немыслимое количество мелких вспомогательных скучных операций, оставив за Человеком лишь право контроля над ЭВМ и право принятия решений.

     Сегодня мы уже не мыслим нашу жизнь без вычислительной техники, компьютеров, передовых технологий – это окружает нас повсюду, все это настолько вошло в наш быт, что мы уже не замечаем того, как нерационально используем имеющиеся возможности. Нас веселит новость о том, что еще несколько десятилетий назад компьютер занимал целую комнату, но, вместе с тем, мы удивляемся, узнав, что процессоры, управлявшие первыми космическими кораблями, были намного слабее тех, которые используются в наших сотовых телефонах. Сейчас нам трудно по достоинству осознать весь тот потенциал, который был заложен в первые электронно-вычислительные машины. Быть может, поэтому мы и не в силах правильно оценить возможности, имеющиеся у нас на сегодняшний день и, как следствие, не можем рационально этими возможностями воспользоваться. А ведь для того, чтобы понять роль вычислительной техники в истории науки, достаточно просто обратиться к самой истории. К тому же, сама история развития вычислительной техники представляет немалый интерес, показывая тесную взаимосвязь математики с физикой (прежде всего с физикой твердого тела, полупроводников, электроникой) и современной технологией, уровнем развития которой во многом определяется прогресс в производстве средств вычислительной техники. Однако будем объективны, в рамках одной только этой статьи, даже если ограничиться территорией Советского Союза и дружественных ему государств, невозможно выполнить хоть сколько-нибудь качественный обзор и дать пусть даже самые краткие характеристики всей той вычислительной техники, которая использовалась или только проектировалась. Да и если говорить о самой истории, то чем больше она персонализирована, чем ближе ее события к непосредственному читателю,  тем больший интерес она к себе привлекает. В связи с этим, обратим внимание на родной нам ВУЗ и приведем краткий обзор развития вычислительной техники в Пермском государственном техническом университете (ПГТУ).

     В Советском Союзе принято было историю развития вычислительной техники делить на поколения, в соответствии с технологиями, на основе которых создавалась элементная база вычислительных машин и такими важными характеристики, как быстродействие, емкость памяти, способы управления и переработки информации.

     К первому поколению ЭВМ (1948–1958 гг.) относят вычислительные машины, собранные на основе электронных ламп – диодов и триодов. Машины этого поколения имели значительные размеры, потребляли большую мощность, имели низкое быстродействие, невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение.

     Ко второму поколению ЭВМ (1959–1967 гг.) принято относить вычислительные машины, элементной базой которых являлись полупроводниковые приборы. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Появление полупроводниковых элементов в электронных схемах существенно увеличило емкость оперативной памяти, надежность и быстродействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность. С появлением машин второго поколения значительно расширилась сфера использования электронной вычислительной техники, главным образом за счет развития программного обеспечения. Появились также специализированные машины, например ЭВМ для решения экономических задач, для управления производственными процессами, системами передачи информации и т.д. Вычислительные машины этого периода успешно применялись в областях, связанных с обработкой множеств данных и решением задач, обычно требующих выполнения рутинных операций на заводах, в учреждениях и банках. Эти вычислительные машины работали по принципу пакетной обработки данных. По существу, при этом копировались ручные методы обработки данных. Новые возможности, предоставляемые вычислительными машинами, практически не использовались.

     Третье поколение ЭВМ (1968–1973 гг.) собирались на малых интегральных схемах (МИС). Машины предназначались для широкого использования в различных областях науки и техники (проведение расчетов, управление производством, подвижными объектами и др.). Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ, а так же снизить цены на аппаратное обеспечение. Например, машины третьего поколения по сравнению с машинами второго поколения имели больший объем оперативной памяти, увеличенное быстродействие, повышенную надежность, а также уменьшенную потребляемая мощность, занимаемую площадь и массу. В этот период на рынке появились удобные для пользователя рабочие станции, которые за счет объединения в сеть значительно упростили возможность получения времени доступа к вычислительной машине, в какой-то мере, решив тем самым проблему, обычно присущую большим машинам. Возросшая производительность вычислительных машин и только появившиеся многомашинные системы дали принципиальную возможность реализации новых, достаточно сложных задач. Этот период связан с бурным развитием вычислительных машин реального времени. Идеи, выдвинутые при создании на данном этапе распределенных вычислительных систем, послужили в дальнейшем отправной точкой для формулирования и разработки одного из перспективных и часто применяемых на сегодняшний день подходов в построении высокопроизводительных вычислительных систем – кластерного принципа проектировании вычислительной машины.

     Четвертое поколение ЭВМ (1974-1982 гг.) строилось на больших интегральных схемах (БИС). Машины этого поколения предназначались для резкого повышения производительности труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту. Высокая степень интеграции способствовала увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности, что привело к увеличению быстродействия ЭВМ и снижению ее стоимости. Все это оказало существенное воздействие на логическую структуру (архитектуру) ЭВМ и на ее программное обеспечение. Стала более тесной связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы – набора программ, которые организуют непрерывную работу машины без вмешательства человека.

     В силу ряда объективных причин, у Пермского государственного технического университета не было в наличии лампового «монстра» – ЭВМ первого поколения, однако все остальные поколения вычислительной техники, разрабатываемой и производимой в СССР, были представлены достойно. Новые вычислительные машины появлялись в университете в разумные, достаточно короткие сроки, ВУЗ всегда имел возможность применять в научных исследованиях, а так же в учебном процессе передовую технику.

Рис. 1. Общий вид ЭВМ семейства «Наири»

     Первыми вычислительными машинами, появившимися в Пермском государственном техническом университете (тогда еще Пермском политехническом институте – ППИ) в самом начале 70-х годов, были ЭВМ второго поколения «Наири–1» и ЭВМ третьего поколения «Наири–2». Машины «Наири» представляли собой семейство электронных цифровых вычислительных машин общего назначения, выполненных на дискретных полупроводниковых элементах, с микропрограммным принципом построения и встроенной системой автоматического программирования. Изначально, машины были предназначены для решения широкого круга инженерных, научно-технических, а также некоторых типов планово-экономических и учетно-статистических задач в научно-исследовательских и проектных институтах, конструкторских бюро, на крупных заводах и в вычислительных центрах. Общий вид ЭВМ «Наири» представлен на рисунке 1.

     Быстродействие машины составляло 1500-2000 операций в секунду. Для наглядности, можно привести средние времена решения типовых для данной машины задач:

     Цифровые вычислительные машины семейства «Наири» включали в себя запоминающее устройство на ферритовых сердечниках емкостью более 16 тысяч чисел, ОЗУ небольшой емкости в 1024 числа, устройство управления и арифметическое устройство. Ввод информации в машину и вывод осуществлялся при помощи электрифицированной пишущей машинки и трансмиттера. Машина занимала площадь в 20 м2 и весила 620 кг. Упрощенный машинный язык «Наири», а так же развитая внутренняя библиотека подпрограмм позволяли привлекать к обслуживанию машины персонал, не имеющий высокой квалификации.

     Чуть позже, в середине 70-х годов XX века в техническом университете, появляются еще две машины – ЭВМ второго поколения «Мир–1» и ЭВМ третьего поколения «Мир–2». «МИР» (машина для инженерных расчетов) — семейство малых электронных цифровых вычислительных машин, предназначенных для решения широкого круга инженерно-конструкторских математических задач. Характерной чертой семейства машин являлась простота общения человека с машиной. В первой серийной машине семейства, названной “МИР” (1965), впервые в СССР структурно реализуется алгоритмический язык “МИР”, близкий к математическому, рассчитанный на широкий круг инженеров-расчетчиков и математиков, не имеющих специального образования по курсу программирования. Вид ЭВМ «МИР-1» показан на рисунке 2.

Рис.2. Общий вид ЭВМ «МИР-1»

     «МИР–1» имел произвольный способ представления чисел, переменную разрядность, емкость ОЗУ составляла 4096 символов. Ввод информации осуществлялся в процессе печатания на электрифицированной пишущей машинке текста вычислительного алгоритма в виде словесно-формульного описания. Машина обладала эффективным быстродействием при решении инженерных задач – до 8000 операций в секунду, и позволяла выводить результаты в виде таблиц и графиков, имела весьма скромные по тем временам габариты и вес 300 кг. 

     С помощью машины могли решаться следующие задачи: системы линейных алгебраических уравнений не выше 24-го порядка; системы обыкновенных дифференциальных уравнений не выше 20-го порядка; дифференциальные уравнения в частных производных; нахождение собственных векторов для матриц не выше 10-го порядка; нахождение максимальных собственных значений для симметричных матриц не выше 18-го порядка; решение систем нелинейных уравнений не выше 6-го порядка; нахождение всех корней алгебраического многочлена не выше 120-го порядка; решение интегральных уравнений типа Фредгольма второго рода.

     ЭВМ имела также набор основных программ, в состав которых входило следующее: интерполирование функций, аппроксимация функций, вычисление различных специальных функций, численное интегрирование и дифференцирование функций, получение псевдослучайных чисел с различными знаками распределения, статистическая обработка результатов. На машине можно было также решать некоторые задачи линейного программирования.

     Разработанная в 1969 году и появившаяся в ПГТУ в начале 70-х годов следующая, более совершенная модель ЭВМ “МИР–2” явилась первой серийной машиной, реализующей структурными способами аналитико-цифровые преобразования. В отличие от предыдущих моделей, «МИР–2» позволяла выполнять преобразования с буквенными выражениями, их умножение, сложение, приведение подобных членов, раскрытие скобок, численное дифференцирование и интегрирование, разложение в ряды и прочее. Кроме того «МИР–2» позволял автоматизировать составление математической модели объекта, выбор и создание не только численных, но и аналитических методов решения задачи, получение решения в формульном или числовом виде. В машине были предусмотрены эффективные технические и математические средства для решения задач как в автоматическом режиме, так и в режиме диалога человек – машина. Стоить также отметить, что в ЭВМ «МИР–2» была предусмотрена возможность общения человека с машиной в режиме диалога с помощью устройства со световым карандашом, обеспечивающего оперативный вывод, контроль и редактирование информации, отображение на экране электроннолучевой трубки промежуточных и окончательных результатов решения задач.

     Эффективное быстродействие машины достигало 12000 операций в секунду. Со слов людей, работавших на этих машинах: «МИРы были способны «щелкать» интегралы и внешне это выглядело очень убедительно, потому что далеко не всякий преподаватель мехмата может решать такие интегралы». 

     Примерно в то же время, в период 1970–1976 гг. в ВУЗе появляются цифровые электронные вычислительные машины общего назначения «М–220» и «М–222» – универсальные ЦВМ, предназначенные для численного решения разнообразных математических задач в вычислительных центрах и научно-исследовательских институтах (рисунок 3).

Рис. 3. Общий вид ЦВМ «М–220»

      Машины этой серии имели быстродействие около 27 тысяч трехадресных операций в секунду; емкость ОЗУ от 4 тысяч до 16 тысяч 47-разрядных слов; внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) на магнитной ленте, состоявшее из четырех лентопротяжных механизмов, общей емкостью 4 миллиона слов; ВЗУ на магнитном барабане, емкостью 24 тысячи слов. Вывод результатов работы производился на алфавитно-цифровое печатающее устройство типа АЦП или на перфоратор. Ввод информации осуществлялся через перфоратор, наличие коммутации в котором позволяло обрабатывать карты, перфорированные на любом устройстве. Машина занимала площадь 60 м2.

     С конца 70-х годов в ВУЗе начинается долгий период использования Единой системы электронных вычислительных машин (ЕС ЭВМ): ЕС–1022 (1977–1978гг.), ЕС–1030 (1980г.), ЕС–1060 (1984–1990гг.). Единая система электронных вычислительных машин (ЕС ЭВМ) – семейство цифровых вычислительных машин, обладавших широким диапазоном производительности и характеризовавшихся программной совместимостью машин семейства снизу вверх (т. е. программы, составленные для машин с меньшей производительностью, могли выполняться на машинах с большей производительностью). Изображения ЭВМ серии ЕС представлены на рисунках 4–5. По конструктивно технологическому исполнению, логической структуре, номенклатуре устройств ввода-вывода и уровню программного обеспечения ЕС ЭВМ относится к 3-му поколению вычислительных машин.

Рис. 4. Электронная вычислительная машина ЕС–1022

     Ядром Единой системы являлись 7 процессоров, охватывавших диапазон скоростей вычислений от нескольких тысяч до 2 миллионов операций в 1 секунду. В процессоре реализовались операции с фиксированной и плавающей запятыми и операции над десятичными числами. В структуре процессора имелся ряд особенностей, позволявших строить многомашинные комплексы, взаимодействовать с внешними объектами и работать в реальном масштабе времени. Единообразие структуры (архитектуры) ЕС ЭВМ, в частности состава инструкций (команд) и системы кодирования данных, обеспечивало программную совместимость, что позволяло разрабатывать программы не зависящими от конкретной модели и, следовательно, иметь общую (для большинства машин) операционную систему и прикладные программы. Внутренняя логическая структура и техническая реализация машин семейства была различна, а это и приводило к различию в производительности и стоимости. В машинах малой производительности функции нескольких блоков внешней структуры, как правило, реализовались одним аппаратным блоком. 

     Вычислительные машины Единой системы были построены на унифицированной конструктивно-технологической базе с широким применением монолитных интегральных схем, размещавшихся на типовых элементах замены (ТЭЗах), представлявших собой печатные платы стандартных размеров. В состав внешних устройств ЕС ЭВМ входили комплект накопителей на магнитных лентах, дисках и барабанах, комплект перфокартного и перфолентного оборудования ввода-вывода, устройства построчной печати, пишущие машинки, экранные пульты и графопостроители разного типа. Предусмотрены были и средства передачи данных с разной скоростью по телефонным и телеграфным линиям связи. Машины Единой серии имели очень большие размеры. Площадь, занимаемая машиной ЕС–1022 или ЕС–1030 превосходила 100 м2, а основной комплект машины ЕС–1060 требовал площади в 200 м2.

     Вспоминая историю развития вычислительной техники в университете, нельзя не упомянуть о серии ЭВМ «СМ» – Системе малых ЭВМ, машины которой, стали, в свое время, в стране основными машинами для автоматизации научных исследований и экспериментов. Имевшаяся в ВУЗе машина этой серии принадлежала к классу малых управляющих ЭВМ и использовалась в университете на протяжении 80ых–90ых годов в качестве универсального компьютера для решения научных задач, не связанных с длительными и сложными вычислениями, а так же в учебном процессе. Появление СМ ЭВМ позволило в принципе изменить концепцию автоматизированных рабочих мест (АРМ). Ранее АРМы строились на базе больших ЭВМ, действующих, как правило, в пакетном режиме. С этим была связана низкая эффективность проектирования. Рабочее место на базе СМ ЭВМ позволило значительно повысить эффективность, обеспечив диалоговый режим проектирования, получение результатов в удобной форме, возможность ввода, редактирования и вывода графических изображений. В составе АРМа был разработан широкий набор базового программного обеспечения машинной графики.

     Существенное отличие серии СМ ЭВМ от ЕС состояло в том, что первая представляла собой не один ряд машин, различающихся по производительности, а по существу, несколько семейств управляющих малых и микроЭВМ разной архитектуры. Машины серии «СМ» обеспечивали преемственность с выпускавшимися ранее ЭВМ и имели средства сопряжения с ЕС ЭВМ. Архитектура машин серии СМ базировалась на системном интерфейсе общей шины, которая соединяет процессор, память и внешние устройства и обеспечивает единые правила обмена информации между всеми модулями вычислительной системы. С использованием общей шины отпадала необходимость в специальных командах ввода/вывода центрального процессора, повышалась гибкость работы с внешними устройствами, а их число ограничивалось лишь физическими характеристиками машины.

     Важно подчеркнуть, что индустрия СМ ЭВМ включала в себя развитую по всей стране инфраструктуру технического обслуживания и обучения. Средства СМ ЭВМ, имевшиеся на тот момент в университете, явились хорошей школой для многих специалистов, которые входили тогда в мир компьютерных технологий. Машину СМ ЭВМ, пусть уже и не использующуюся, до сих пор можно найти в одной из аудиторий университета.

     Вот, примерно, таким образом развивалась вычислительная база Пермского государственного технического университета (Пермского политехнического института) до середины 80–ых годов. Имевшаяся в ВУЗе техника всегда была достаточно современной, новой, производительной. Проводить расчеты на ЭВМ было почетным занятием. Новейшие методы численных исследований только-только пробивали себе дорогу в жизнь, доказывая свою состоятельность и перспективность. Многие молодые ученые, что называется, «с головой» погрузились в тогда еще новую область науки, полностью отдавая себя изучению и дальнейшему развитию новой техники, разработке современных качественно новых инструментов познания окружающего мира. До сих пор их глаза загораются озорным блеском, когда они начинают вспоминать былое и рассказывать о технике прошлых лет. Недостатки работы с техникой того периода и возникающие в связи с этим трудности были вызваны особенностью самой техники. Как правило, ЭВМ того времени представляли собой огромные машины, требовавшие для размещения целых залов, работавших зачастую в пакетном режиме, не позволявшем проводить научные исследования в режиме реального времени. Даже появившаяся в 1985 году в университете возможность работать с машинами Единой серии через терминал не сгладила напряженности и не сильно упростила работу с ЭВМ для конечного пользователя. В связи с этим, в 1986–1987 годах, при первой же возможности, в ВУЗе началось вначале рационально-осторожное, а затем и лавинно-нарастающее внедрение современных персональных машины на базе IBM PC–XT, IBM PC–AT и дальнейших их модификаций, созданных на платформе Windows–IBM.

     IBM-совместимые компьютеры не требуют особого представления. Это те «рабочие лошадки», которые мы используем постоянно и повсеместно. Особо стоит лишь добавить, что если история внедрения персональных компьютеров в ВУЗе, как, собственно, и в большинстве других организаций, началась именно с вычислительных машин, созданных на базе IBM, то сейчас, в силу развитости программного обеспечения и унификации используемого оборудования, конкретная платформа рабочей станции уже не имеет особой роли при решении общих не узкоспециализированных задач.

     Внедрение персональных рабочих станций позволило проводить научные изыскания, не вставая с рабочего места. Персоналки обладали развитым программным обеспечением, понятным интерфейсом пользователя, удобными и эргономичными устройствами ввода и вывода данных, развивающимися с каждым годом системами хранения и переноса информации (рис.6–7).

     Планомерное развитие технологии производства печатных плат позволили регулярно каждые полтора года удваивать тактовую частоту процессоров, повышая тем самым общую производительность рабочей станции. Активное развитие персональных компьютеров и их стремительное удешевление позволило со временем начать применять их не только в качестве рабочих станций для проведения численных экспериментов, но и в повседневной рутинной работе, при работе с документами, при подготовке отчетов и презентаций, активно внедрить их использование в учебный процесс. На сегодняшний день, имеющееся в ВУЗе количество персональных ЭВМ превышает 2000 штук. Это различные по конфигурации и производительности компьютеры, использующиеся во всех сферах деятельности от научных исследований, до библиотеки и бухгалтерии. Сейчас уже не найти, наверное, ни одной кафедры, которая не имела бы своего компьютерного класса.

Рис. 7. Современная ПЭВМ на базе AMD Athlon X2

     Увеличение тактовых частот процессора и шины компьютера, наращивание оперативной памяти и дисковых массивов является всего лишь экстенсивным способом увеличения производительности. Переход на качественно иной уровень возможен лишь при изменении архитектуры компьютера. Сегодня широко используются два подхода: создание единой многопроцессорной вычислительной системы и объединение нескольких вычислительных систем в так называемый кластер. У каждого подхода свои достоинства и свои недостатки. Примеры реализации многопроцессорных систем мы видим уже даже в бытовых условиях. Во многих компьютерных магазинах вам с готовностью предложат выбрать компьютер, имеющий два процессора, а двухядерные процессоры сейчас расхватывают, как горячие пирожки, даже если реальной необходимости в их применении в бытовых условиях и не возникает.

     Возможность увеличения производительности и вычислительной мощности за счет использования многопроцессорных систем или кластеров основывается на принципиальной возможности распараллеливания многих прикладных задач, сведении решения одной большой проблемы к нескольким маленьким, локальным, более простым задачам, различающихся между собой по содержанию и не требующих постоянного последовательного решения их в строго определенной очередности. Подобные возможности уже достаточно давно были реализованы в современных однопроцессорных машинах за счет организации во время работы процессора так называемых потоков, однако именно сейчас идея распараллеливания задачи, разделения вычислительной мощности приобрела особый смысл.

     Применять многопроцессорные системы достаточно выгодно как с позиций надежности, производительности, наращиваемости, так и с точки зрения экономической эффективности. В ВУЗе давно уже используются в качестве рабочих станций двухядерные системы на базе процессоров фирм AMD и Pentium, на которых проводятся численные эксперименты, расчетные и проектировочные работы, запускаются ресурсоемкие мультимедийные программные пакеты. Наряду с этим, технический университет располагает сверхмощной современной вычислительной техникой – 4-процессорным сервером K-Systems Patriot 740 на базе процессоров AMD OPTERON64 (8 Гб ОЗУ), работающего совместно с десятью рабочими станциями на базе процессоров ATHLON64 3000 . Данная техника располагается на территории регионального центра технической компетенции «AMD-ПГТУ» (Центр «AMD-ПГТУ»), созданного на базе кафедры механики композиционных материалов и конструкций Аэрокосмического факультета ПГТУ. Деятельность Центра «AMD-ПГТУ» направлена на проведение научных исследований на базе многопроцессорной техники, на повышение качества подготовки аспирантов, докторантов, научных работников, преподавателей, специалистов предприятий и организаций, студентов, других физических лиц в области научных исследований, информационных многопроцессорных технологий, а также повышения результативности научной, инжиниринговой и маркетинговой работы.

     При помощи существующей многопроцессорной системы решаются следующие задачи:

• организация и проведение научных исследований, научно-технических и опытно-конструкторских работ;
• разработка научно-технической продукции;
• подготовка, переподготовка и повышение квалификации специалистов предприятий, организаций и физических лиц;
• дополнительное образование студентов и учащихся образовательных учреждений, других физических лиц.

     Проблемы, существующие на сегодняшний день в мировой фундаментальной и прикладной науке, в технике, столь глобальны и сложны, что требуют ресурсоемких научных исследований с применением масштабных численных экспериментов. Даже имеющейся вычислительной мощности описанной выше многопроцессорной системы не хватит для решения некоторых типов задач. Для того чтобы ВУЗ не потерял своих позиций, необходимо совершить еще один качественно иной шаг вперед. Необходимо усилить внимание к созданию и применению высокопроизводительной вычислительной техники.

     Отметим, что наиболее доступный способ интенсивного повышения вычислительных ресурсов и создания суперкомпьютера предоставляют кластерные технологии. В простейшем случае с помощью сетевых коммуникационных устройств объединяются однотипные компьютеры, и в их программное обеспечение добавляется коммуникационная библиотека типа MPI. Это позволяет использовать набор компьютеров как единый вычислительный ресурс для запуска параллельных программ. Однако вряд ли такую систему можно назвать полноценным кластером. Очень скоро обнаруживается, что для эффективной эксплуатации такой системы совершенно необходима некоторая диспетчерская система, которая бы распределяла задания пользователей по вычислительным узлам и блокировала бы запуск других заданий на занятых узлах. Как показывает практика, для эффективной работы необходимо создание гетерогенного по своей структуре кластера. Основная идея кластерной технологии – объединение нескольких компьютеров в единую систему – кластер, которая эффективно использовала бы возможности всех входящих в нее устройств. Кроме того, кластеризация увеличивает и готовность системы, так как в случае выхода из строя одного сервера кластера все вычисления передаются на другой. При этом кластер не дает сбоя, но его производительность уменьшается. В таком режиме кластерное ПО должно своевременно восстановить все аварийно остановленные программы на работающем сервере, причем желательно с сохранением выполняемых вычислений и обрабатываемых данных. Таким образом, объединение компьютеров в кластер имеет следующие преимущества:

• повышается готовность системы;
• улучшается ее масштабируемость;
• эффективно распределяется нагрузка на компьютеры кластера;
• увеличивается суммарная производительность.

     Собственно, кластерные системы отличаются от отказоустойчивых тем, что они более эффективно используют возможности оборудования.

     В 2006 году Пермский государственный технический университет стал победителем конкурса вузов, реализующих инновационные программы, в рамках приоритетного национального проекта «Образование», что, помимо всего прочего, предоставило университету уникальный шанс приобрести и ввести в активное использование современный высокопроизводительный суперкомпьютер, созданный по кластерной технологии. На текущий момент уже определена конфигурация кластера, заключены все договора с выбранным исполнителем, которым по результатам конкурсного отбора стала фирма ООО «ДАТА Технологии» – прекрасно зарекомендовавшая себя компания, достаточно давно вышедшая на рынок высокопроизводительной вычислительной техники и являющаяся с 2003 года партнером корпорации AMD по серверными и кластерным решениям со статусом an AMD Solution Provider Program Member, компания, обладающая достаточным опытом подготовки, поставки настройки и сопровождения кластерных решений, сотрудничающая с ведущими научными и учебными организациями страны. Кластерные решения, предлагаемые компанией «ДАТА Технологии» не раз включались в список самых мощных суперкомпьютеров СНГ TOP50 и отмечались сертификатами.

     На текущий момент продолжается один из самых ответственных этапов – подготовка к установке кластера и его последующий монтаж. Это очень продолжительный этап. Кластер – это не настольный компьютер, который можно установить в любом свободном месте, а большинство возникающих проблем решить простой перезагрузкой системы. По своим габаритам кластер сопоставим с электронными вычислительными машинами, появлявшимися в ВУЗе на заре развития вычислительной техники. Это, опять-таки, сложная система, предъявляющая во время работы довольно серьезные требования к окружающей среде, визуально состоящая из шкафов, расставленных вдоль стен, а так же некоторого «центрального пульта управления». Правильно говорят, что история развивается по спирали и все новое – это хорошо забытое старое. Вот только внутренняя начинка, качественное содержание уже принципиально иное – архисовременное. Хотя, если проводить аналогии далее, то можно найти еще очень много точек соприкосновения. Прежде всего – в историческом влиянии этих вычислительных систем на развитие науки. Как ЭВМ первых поколений оказали непереоценимое влияние на прорыв в науке середины XX века, так и наш кластер, начав работать уже в ближайшее время, может стать той движущей силой, которая подтолкнет исследователей к постановке качественно иных, более сложных задач; силой, которая простимулирует, как это было полвека назад, активное желание освоить новейшую технику и наиболее полно задействовать все ее ресурсы и возможности в процессе научного познания, которая заинтересует и привлечет в науку молодые кадры.

     Приобретаемый в рамках проекта «Инновационная образовательная программа» высокопроизводительный кластер состоит из нескольких компонент: вычислительного узла №1 (64 шт.), вычислительного узла №2 (2 шт.), двух управляющих узлов, трех файловых серверов, коммуникационной среды, комплекта управляющей сети, комплекта сервисной сети, подсистемы бесперебойного электропитания, подсистемы хранения данных, двух климатических системы и комплекта программного обеспечения.

     Краткая характеристика основных компонент кластера:

1. Вычислительный узел №1. Двухпроцессорные сервера с четырехядерными процессорами AMD Opteron.
2. Вычислительный узел №2. Вычислительные двухпроцессорные (двухядерные), сервера, содержащие ускорители компании Celoxica.
3. Вычислительная сеть. Сеть на основе InfiniBand DDR 4x, построенная на базе масштабируемого коммутатора Grid Director Voltaire.
4. Система хранения данных построена на базе трех фаловых серверов, дисковой подсистемы хранения и ленточной библиотеки. Два файловых сервера используются для организации параллельной файловой системы на дисковом массиве и обеспечивают своевременное предоставление вычислительным узлам хранимых данных. При установке на кластер двух операционных систем файловые сервера разделяются и каждый отвечает за свою файловую систему. Третий файловый сервер отвечает за архивную подсистему кластера, реализованную на ленточной библиотеке.
5. Управляющий узел №1. Содержит инструментальные средства разработки, отладки, компиляции, трансляции (рис. 8).
6. Управляющий узел №2. Обеспечивает управление заданиями. При необходимости (одновременное использование двух разных операционных систем) каждый управляющий сервер будет выполнять две задачи одновременно.
7. Сеть управления заданиями. Сеть построена на базе коммутатора со скроростью передачи данных 1Gb/s.
8. Сеть мониторинга и управления аппаратной частью. Сеть построена на базе коммутатора со скоростью работы 100Mb/s.
9. Сервер мониторинга. Обеспечивает контроль и управление аппаратной частью кластера.
10. Система бесперебойного электропитания обеспечивает фильтрацию и стабилизацию электропитания. При отключении электропитания система обеспечит электропитанием кластер не менее чем на 10 минут.
11. Система охлаждения отводит выделяемое тепло и обеспечивает необходимые климатические условия для функционирования кластера.

     Вычислительные узлы №1 кластера основаны на новейших четырехядерных процессорах AMD Opteron («Barcelona») (рис. 9). Эти 64-битные процессоры архитектуры ч86 обеспечивают следующие преимущества: 

• все четыре ядра размещены на одном кристалле и объединены общим кэшем третьего уровня. Этот четырехядерный процессор архитектуры AMD64 обеспечивает наилучшую масштабируемость и высокую скорость обмена между процессорными ядрами в отличие от конкурирующего продукта, представляющего собой два двухядерных процессора, объединенных на одной подложке;
• процессор имеет интегрированный  двухканальный контроллер памяти DDR2, что обеспечивает большую скорость обмена процессор-память и ведет к увеличению производительности;
• высокоскоростная машина HyperTransport обеспечивает эффективный независимый обмен данными между подсистемами: процессор-процессор, процессор-память, процессор-устройства ввода.вывода;
• система проверки целостности кэшей всех уровней и оперативной памяти обеспечивает высочайший уровень отказоустойчивости;
• технология AMD CoolCore позволяет отключать неиспользуемые логические блоки в процессорном ядре, уменьшая энергопотребление;
• уникальная система Independent Dynamic Core реализует независимое управление частотой и энергопотреблением каждого из четырех ядер;
• используемая память DDR2 имеет более низкое энергопотребление и задержки доступа, чем FBDIMM, применяемая конкурентом.

 Рис. 9. Один из вычислительных узлов кластера

     Анализ конфигурации кластера показывает, что вводящийся в эксплуатацию высокопроизводительный вычислительный комплекс, имеющий расчетную пиковую производительность более 4 TFLOPS (без учета работы ускорителей) обязательно займет свое место в рейтинге пятидесяти самых производительных суперкомпьютеров СНГ – TOP50, а, скорее всего, даже попадет в первую десятку наиболее производительных систем этого рейтинга.

     В данном кратком обзоре мы проследили основные вехи в истории развития вычислительной техники в Пермском государственном техническом университете (Пермском политехническом институте). Бурное развитие вычислительной техники на протяжении всей второй половины XX века привело к не менее активному развитию прикладной и фундаментальной науки, предложению новых подходов к решению научных задач, к развитию новейших методов исследования, вернуло интерес к широкому кругу задач, считавшихся ранее не решаемыми. Если передовые открытия в науке начала прошлого века привели к зарождению электроники, кибернетики, информатики, заложили основу для создания электронных вычислительных машин, то уже вскоре, спустя несколько десятилетий, созданные человеком ЭВМ стали одним из передовых инструментов познания в науке и сами уже, в свою очередь, оказали огромное влияние на ее дальнейшее развитие. Бурное развитие ЭВМ привело к тому, что Математическое моделирование стало «третьей компонентой» научного метода, обеспечивая количественную связь между теорией и экспериментом.

     Обратившись к мировой истории, мы сможем увидеть, что практически в любом конфликте побеждала, в итоге, та цивилизация, которая обладала большими знаниями и владела технологиями более высокого уровня. Та же самая война, но в скрытой форме, идет в науке и в образовании. Война за место под солнцем, за имя в мировой науке, за первенство в открытии, за денежные вознаграждения, щедро раздаваемые в виде различных грантов, за абитуриента и преподавателя, выбирающих то учебное заведение, в котором они смогут максимально реализовать свои возможности.

     С появлением кластера у нас появился очень хороший шанс занять достойное место среди передовых университетов страны. Новейшая высокопроизводительная вычислительная система, будучи использована правильным образом, может дать возможность ученым и аспирантам ВУЗа реализовать свои давние грандиозные научно-исследовательские планы, а студентам предоставить неоценимую возможность  приобщиться к новейшим передовым технологиям. Будем надеяться, что освоение и использование высокопроизводительной кластерной системы сотрудниками и студентами ВУЗа может стать фундаментом инновационных экспериментов, разработок, проектов в научных, инженерных и учебных задачах технического университета.

ggg