新一章c130225

1、1.12 源自小微巨型機(jī)的可伸縮性在單體為主的巨型機(jī)時(shí)代，以小型機(jī)和超級(jí)小型機(jī)作為參照機(jī)型, 上世紀(jì)八十年代下半葉蓬勃興起的小巨型機(jī)如表 1.13 所示。表 1.13 小巨型機(jī)的主要機(jī)種 ( 統(tǒng)計(jì)至 1987 年上半年 ) 由于單體巨型機(jī)技術(shù)復(fù)雜, 維護(hù)困難 , 價(jià)格昂貴 ( 八十年代一般在 500 至 2000 萬(wàn)美元之間 ), 中小客戶對(duì)于巨型機(jī)不敢問(wèn)津; 而超級(jí)小型機(jī) , 雖然處理速度已達(dá)每秒一百萬(wàn)條指令以上, 價(jià)格也便宜 ( 八十年代一般在 10 至 150 萬(wàn)美元之間 ), 很適合通常的工程和商業(yè)需要 , 但對(duì)于科學(xué)計(jì)算較多的設(shè)計(jì)自動(dòng)化、 圖形處理和應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)等等工程應(yīng)用, 仍難以

2、勝任。于是 , 這種性能近于巨型機(jī) , 價(jià)格近于超級(jí)小型機(jī), 性能價(jià)格比深受中小客戶青睞的小巨型機(jī)大量涌現(xiàn) , 使巨型機(jī)的陣容更加壯觀。以單體朝復(fù)體過(guò)渡的 elxsi 6400 為例, 圖 1.36 給出其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。它的硬軟件最大配置如下: 12 臺(tái)中央處理器 cpu , 單 6420 cpu 運(yùn)算速度每秒一千萬(wàn)條指令( 若加上 sky 公司標(biāo)準(zhǔn)的向量加速板，尚可再翻若干倍 ) , 并且裝有 64 kb 的高速緩存 ; 8 塊存儲(chǔ)板 mem , 每板 256 mb , 16 路交叉存取 ; 4 個(gè)輸入 / 輸出外圍機(jī)iop , 每個(gè)接兩條子總線 , 單線數(shù)據(jù)傳輸速率每秒 8 mb ; 服務(wù)處理

3、器 svp , 主要用于系統(tǒng)初始化 , 自動(dòng)配置 , 運(yùn)行時(shí)的監(jiān)控 , 本地或遠(yuǎn)程診斷 , 系統(tǒng)微碼的自動(dòng)裝入等; 并發(fā)運(yùn)行 embos, ems , enix bsd 和 enix system v 等四種操作系統(tǒng) , 如圖 1.37 所示, 它們都是通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)基礎(chǔ) system foundation 中的各種進(jìn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中, embos ( elxsi message-based operating system - 基于消息的 elxsi 操作系統(tǒng) ) 是它的主操作系統(tǒng) , 后兩種又都配備著相當(dāng)強(qiáng)的實(shí)時(shí)功能。加之 enix 與 at&t 公司的 unix 兼容, ems 與

4、dec 公司的 vms 兼容 , 整個(gè)系統(tǒng)有能力繼承 unix 和 vms 環(huán)境下的大量網(wǎng)絡(luò)軟件 , 應(yīng)用軟件包。 elxsi 6400 能夠方便地修整自己的硬件和軟件配置 , 以迎合各種類型客戶的需求。 圖 1.38 以單體巨型機(jī) cray-1s 和超級(jí)小型機(jī) vax 作為比較機(jī)型 , 說(shuō)明其規(guī)模的遼闊跨域 , 性能復(fù)蓋面是足夠?qū)拸V的。圖 1.36 小巨型機(jī) elxsi 6400 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1.37 elxsi 6400 系統(tǒng)環(huán)境圖 1.38 elxsi 6400 的性能覆蓋面伴隨元器件的更新?lián)Q代, 不斷推陳出新的小巨型機(jī)為單體機(jī)日益廣泛而深入地應(yīng)用于社會(huì)生活各行各業(yè)開(kāi)辟了道路。譬如說(shuō)圖1

5、.36 孕育著一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)智能生成系統(tǒng)的雛形, 它有能力跟據(jù)不同用戶的不同要求, 實(shí)時(shí)地組裝出四個(gè)不同的操作系統(tǒng)之一, 甚至還有能力讓用戶隨機(jī)地組裝出來(lái)的不同操作系統(tǒng)并發(fā)地運(yùn)行。未來(lái)的專用實(shí)時(shí)母系統(tǒng), 使我們能夠以簡(jiǎn)便的方式生產(chǎn)各種適合于各自應(yīng)用背景的子系統(tǒng)。 人工智能近年來(lái)成績(jī)卓著的進(jìn)展, 使得一種智能化的操作系統(tǒng)生成系統(tǒng)有可能實(shí)現(xiàn)。它由功能模塊庫(kù)、 操作系統(tǒng)生成知識(shí)庫(kù)、解釋推理器和用戶需求描述語(yǔ)言四部分構(gòu)成。用戶根據(jù)自己的具體情況 , 藉助于需求描述語(yǔ)言向生成系統(tǒng)闡明特定要求和限制條件。這些特定要求和限制條件經(jīng)過(guò)解釋推理器解釋, 并根據(jù)預(yù)先貯存于知識(shí)庫(kù)里的有關(guān)知識(shí) ( 包括實(shí)例、生成原

6、則、規(guī)則等 ) 經(jīng)推理形成最佳方案 , 然后從功能模塊庫(kù)提取有用的模塊, 組合出欲求的系統(tǒng)。這樣的智能生成系統(tǒng)還有能力根據(jù)所生成的操作系統(tǒng)試運(yùn)行的結(jié)果, 在用戶利用語(yǔ)言交互式地干預(yù)之下, 逐步改進(jìn)性能 , 最終達(dá)到令用戶滿意的水平。 不難想象 , 其規(guī)模至少須由小巨型機(jī)方能擔(dān)當(dāng)?shù)闷?。以微型機(jī)作為參照機(jī)型, 小巨型機(jī)的一部分業(yè)已演變成為微巨型機(jī)。如同各類 80 x86 主機(jī)板和 80 x87 浮點(diǎn)加速器那樣地輕巧, 向量加速器 ( 圖 1.39 ) 攜帶著向量并行機(jī)理 , 向大型和中型、小型乃至微型機(jī)里滲透。圖 1.39 實(shí)時(shí)微巨 masscomp 中的向量加速器與 “ 三總線 ”結(jié)構(gòu)世紀(jì)之交噴

7、薄而出的微巨型機(jī), 第一次構(gòu)造出以單體巨型機(jī)為核心的特高性能實(shí)時(shí)系統(tǒng), 為計(jì)算機(jī)的應(yīng)用揭開(kāi)一個(gè)新篇章。 即便在多機(jī)與網(wǎng)絡(luò)分布式并行發(fā)展勢(shì)頭勁猛之際，實(shí)時(shí)系統(tǒng)尤其是嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，依然是性能超群的單體巨型機(jī)的一塊保留地。例如, 實(shí)時(shí)微巨 masscomp 5000 序列和 6000 序列, 它們的大部分組件取自標(biāo)準(zhǔn)的微處理器超大規(guī)模集成電路芯片, 又專為實(shí)時(shí)應(yīng)用設(shè)計(jì)出獨(dú)特的 三總線 結(jié)構(gòu) ( 圖 1.38 ) , 可同時(shí)分別應(yīng)付 “ 運(yùn)算” 、“ 外設(shè)”及“ 數(shù)據(jù)采集 ” 事務(wù), 高速高效地并行處理。這就使得實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)的性能價(jià)格比大幅度提高, 體積大幅度縮小 , 功耗大幅度降低 , 單體巨機(jī)告別

8、 龐然大物 的時(shí)代終于來(lái)臨 ( 美國(guó) dec 公司利用其風(fēng)糜全球的 64 位 alpha 芯片，還推出桌上超級(jí)電腦) 。考慮到 平時(shí)時(shí)間就是金錢 , 戰(zhàn)時(shí)時(shí)間就是生命 , 實(shí)時(shí)性在軍事部門尤其突出, 致使 masscomp 一誕生即躋身于強(qiáng)手如林的國(guó)防尖端事業(yè), 成功地應(yīng)用于 sr-71偵察戰(zhàn)斗轟炸機(jī)、 av-8a 獵兔狗式噴射機(jī)之實(shí)時(shí)飛行仿真 ( 圖 1.40 ) 、simnet 大規(guī)模 m 坦克實(shí)戰(zhàn)模擬訓(xùn)練、信號(hào)監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)、太空穿梭機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)之實(shí)時(shí)測(cè)試、羅爾斯 - 羅伊斯公司噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)之嘈音和振動(dòng)測(cè)試、 人造衛(wèi)星之高頻振動(dòng)實(shí)驗(yàn)， 以及面向陸海空三軍與星球大戰(zhàn)的戰(zhàn)情分析、報(bào)警和對(duì)抗模擬，包括戰(zhàn)

9、術(shù)飛機(jī)、戰(zhàn)略飛機(jī)、地空導(dǎo)彈、空空導(dǎo)彈、戰(zhàn)艦、太空武器在內(nèi)的立體戰(zhàn)爭(zhēng)模擬系統(tǒng)等強(qiáng)實(shí)時(shí)應(yīng)用之中。 這些系統(tǒng)的 “ 強(qiáng)實(shí)時(shí)性 ” 和“ 絕對(duì)可靠性 ” ，使得通過(guò)易受 “ 電子對(duì)抗 ” 干擾與 “ 邏輯炸彈 ” 破壞的激光、微波、地球衛(wèi)星等無(wú)線通信手段， 進(jìn)入廣域網(wǎng)絡(luò)調(diào)用地面固定處理能力的時(shí)髦做法基本失效， 只有箭上或彈上小巧玲瓏、 性能超群的單機(jī)系統(tǒng)可以奏效。圖 1.40 獵兔狗式噴氣機(jī)實(shí)時(shí)飛行仿真系統(tǒng) ( 裝備在左下角的實(shí)時(shí)微巨體積僅相當(dāng)于一張寫字臺(tái)) 在我國(guó)，有一個(gè)可喜的現(xiàn)象：緊耦合、松耦合的多機(jī)構(gòu)造，一直在朝小巨機(jī)里滲透， 并且大有入主傳統(tǒng)地由單體巨機(jī)統(tǒng)治的嵌入式系統(tǒng)之勢(shì)。比如浙江大學(xué)智能研

10、究所開(kāi)發(fā)的東方i 型小巨，由 16 個(gè)transputer t850 節(jié)點(diǎn)板和一個(gè) t850 根板（圖 1.41a ）組成，分成兩條流水線，設(shè)計(jì)了專用的輸入接口和機(jī)間傳輸、通信接口，硬、軟件之間的映射關(guān)系（圖 1.41b ）復(fù)雜，為實(shí)時(shí)的圖象處理服務(wù)。又如江南計(jì)算技術(shù)研究所， 不懈地在多機(jī)并行的方向上始終不渝，他們推出一系列多機(jī)并行的小巨機(jī)（圖 1.42 ），為我國(guó)新世紀(jì)超大規(guī)模并行機(jī)突飛猛進(jìn)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。圖 1.41a 東方i 型小巨的節(jié)點(diǎn)板圖 1.41b 東方i 型小巨的硬軟件映射圖 1.41 東方i型小巨體系結(jié)構(gòu)圖 1.42 江南系列小巨體系結(jié)構(gòu)為應(yīng)對(duì)科技界和產(chǎn)業(yè)界的全面需求，在單體

11、巨型機(jī)時(shí)代，巨型機(jī)的完整家族囊括了巨型機(jī)、小巨型機(jī)、微巨型機(jī)的整個(gè)序列，某種意義上浪費(fèi)著社會(huì)的有限資源。當(dāng)復(fù)體巨型機(jī)日漸占據(jù)統(tǒng)治地位之后，我們是否還要重蹈巨、 小、微之復(fù)轍呢？由于可伸縮性的提出及其受到廣泛的重視，答案是否定的。1.10 節(jié)把分割或膨脹巨型機(jī)規(guī)模的成本，作為單體與復(fù)體巨型機(jī)的分水嶺。不計(jì)必備的節(jié)點(diǎn)機(jī)及其配套的存儲(chǔ)器等系統(tǒng)固有的硬軟件開(kāi)銷，該成本若與新造一臺(tái)/套相比：同數(shù)量級(jí)（或相近），則是單體的；微不足道，則是復(fù)體的。可伸縮性，正是源于對(duì)復(fù)體巨型機(jī)分割或膨脹規(guī)模的“額外”成本很小的要求。進(jìn)入新世紀(jì)，在復(fù)體巨型機(jī)占據(jù)巨型機(jī)主導(dǎo)地位之際， 可伸縮性成長(zhǎng)為它的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，使得復(fù)

12、體巨型機(jī)與生俱來(lái)， 就有類似于單體巨型機(jī)那樣的巨、 小、微的完整序列。比如日本的京速巨型機(jī)，就具有良好的可伸縮性?？疾毂?1.10 和 1.11 ，我們發(fā)現(xiàn)：冠軍的安裝地點(diǎn)、國(guó)家、 系統(tǒng)、處理器、制造商都是日本理化研究所、 日本、k 系統(tǒng)、sparc 64 viiifx 2.0ghz 、富士通公司，但峰值性能、實(shí)測(cè)性能、功耗卻分別為8773.63 、 8162.00 、9898.56 和 11280.38 、 10510.00 、12659.9 。這是怎么回事呢？原來(lái)正是“可伸縮性”在作祟！日本的京速巨型機(jī)計(jì)劃， 始于 2006 年 9 月，預(yù)期 2012年完成。機(jī)房建筑群（圖 1.43 ）于

13、 2008 年 3 月開(kāi)工， 2010 年 5 月竣工。同年 9 月 28 日，第一批 8 個(gè)機(jī)柜安裝（圖 1.44 ） 。以后每周發(fā)一批貨，一直處于配置之中，也一直在運(yùn)轉(zhuǎn)。2011 年中達(dá)到 672 個(gè)機(jī)柜時(shí)，報(bào)名參加第 37 屆評(píng)選，以峰值性能 8773.63 tflops、 實(shí)測(cè)性能 8162.00 tflops，全球 折桂；2011 年底達(dá)到 800 個(gè)機(jī)柜時(shí)， 又報(bào)名參加第 38屆評(píng)選，又以高配峰值性能11280.38 tflops、 高配實(shí)測(cè)性能10510.00 tflops，又全球奪魁。今后繼續(xù)高高配，高高高配，亦不可知。這不正是它良好的可伸縮性嘛！于是，由于強(qiáng)調(diào)了可伸縮性，復(fù)體巨型機(jī)一誕生就擁有微巨、小巨、大巨，直至巨巨的全序列，而