Проанализируем более подробно моделирующие средства, применяемые для сложных систем с распределенными параметрами.
Аналоговые и аналого-цифровые вычислительные средства для моделирования имеют следующие преимущества: возможность моделирования уникальных задач, изоморфизм структуры моделирующих средств исследуемому явлению, простота осваивания, наглядность и т. п. Изготовление аналоговых средств и АЦВК ведется, как правило, на непромышленной основе, что ограничивает их применение. В настоящее время универсальные ЭВМ применяют чаще всего для моделирования объектов с распределенными параметрами, что объясняется парком имеющихся серийных ЭВМ.
Для задач моделирования создаются и применяются супер-ЭВМ, обеспечивающие сверхвысокую производительность при обработке векторной информации. Наибольшая эффективность их использования достигается при обработке структурированных данных, например, представленных в форме векторов, поэтому такие системы принято называть векторными. Наряду с векторными процессорами суперЭВМ обычно содержат мощный скалярный процессор. Производительность векторных систем зависит от используемых алгоритмов, от аппаратной организации и возрастает как с увеличением доли векторных операций в вычислениях, так и с увеличением длины обрабатываемых векторов. Она ограничена количеством обрабатывающих устройств и объемом одновременно считываемых из памяти данных. Кроме того, чрезвычайно высокая стоимость суперЭВМ препятствует их широкому использованию.
Кроме суперЭВМ для моделирования развиваются периферийные матричные процессоры. Из отечественных разработок к ним следует отнести функционирующий в комплексе с ЭВМ ЕС-1045 матричный процессор ЕС-2345 и семейство матричных параллельных цифровых сеточных процессоров для задач математической физики. Рассмотрим цифровые сеточные процессоры, принципы, построения которых ближе к принципам построения микропроцессорных моделирующих систем. Собственно цифровой сеточный процессор состоит из матрицы элементарных процессоров, матрицы функциональных модулей, местного устройства управления, буферного ЗУ и центрального УУ. Все устройства распределены по трем уровням. На первом уровне обработка информации производится в матрице элементарных процессоров параллельно по моделируемой области, последовательно по разрядам. Каждый элементарный процессор соответствует одному узлу сетки и служит для вычисления сеточной функции в этом узле. На втором уровне расположены устройства группового назначения. На третьем уровне цифрового сеточного процессора расположено центральное УУ, организующее работу всей системы. Время реализации одной групповой операции на таком процессоре можно оценить как I « О (г), где г — разрядность обрабатываемых слов. Эффективность семейства сеточных параллельных процессоров обусловлена специализацией структуры процессоров, а также отдельных модулей, ориентированных на реализацию определенных алгоритмов. Существенным недостатком сеточных параллельных процессоров является необходимость затрат машинного времени на перестройку структуры узлового модуля и матрицы процессоров.
Иным подходом к созданию моделирующих средств, имеющих наиболее широкий диапазон применения, является построение моделирующих устройств и систем на основе серийных микропроцессорных комплектов. Микропроцессорные моделирующие системы реализованы лишь в серийных образцах некоторых зарубежных фирм и в виде экспериментальных макетов в отечественных организациях, что объясняется необходимостью проведения исследований по распараллеливанию вычислений, архитектуре, оптимальным способам связи между микропроцессорными модулями, отказоустойчивости.
Анализ направлений эволюции ЭВМ, учет используемых технических средств позволяют сформулировать наиболее важные принципы построения моделирующих ММПС. Здесь принимаются во внимание основные факторы — возможности, представляемые микропроцессорной элементной базой, и требования, обусловленные алгоритмами моделирования прикладных задач математической физики.
Проблемная ориентация. Специфика моделирования задач математической физики численными методами обусловливает ряд архитектурных особенностей, определяемых реализуемыми алгоритмами, специальными функциями в наборе операций и команд, использованием проблемно-ориентированных входных язы ков и др. Математические постановки задач, возлагаемые на систему, и выбранные алгоритмы определяют требования к системе. Размерности задач влияют на необходимые ресурсы системы. Диапазон изменения переменных в реальных задачах цифрового моделирования и используемые алгоритмы определяют разрядную сетку микропроцессоров.
При моделировании объектов с распределенными параметрами может возникнуть необходимость изменения разрядности операндов, шагов сеточной области, способов обхода области, метода решения. Проблемная ориентация, определяемая классом задач и используемыми алгоритмами, реализуется в архитектуре моделирующих ММПС, разрабатываемых с учетом последующих принципов.
Иерархическое распараллеливание. Формальное распараллеливание собственно решения системы разностных уравнений (распараллеливание по горизонтали) заменяется глобальным структурным анализом, выделяющим функционально разнотипные подзадачи и процессы, а также определяющим связь между подзадачами для возможности их распараллеливания и совмещения. Наряду с распараллеливанием алгоритмов вычислений на процессорных элементах в моделирующих ММПС распараллеливается подготовка и ввод исходных данных. Функционально разнотипные процессы совмещаются во времени. Это означает переход к распараллеливанию всех процессов по разным функциональным направлениям и соответствующих разным типам параллелизма обработки. В микропроцессорных моделирующих системах принцип иерархического распараллеливания проявляется на следующих уровнях: в режиме коллективного доступа (если известные алгоритмы планирования загрузки в ММПС в основном предназначены для неоперативного диспетчирования, то возникает задача оперативного перераспределения ресурсов); при распараллеливании по вертикали (разделение по физическим процессам); при поэлементном и блочном распараллеливании по горизонтали (системы разностных уравнений или «простые» задачи); на уровне арифметических операторов.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.