Введение

Какая догадка явилась предпосылкой организации параллельной обработки информации?

Основное предположение об эффективности совместной работы нескольких процессоров при решении множества задач (функциональных модулей) управляющей системы основывалось на возможности усреднения нагрузки при динамическом распределении работ между процессорами. Такое усреднение позволяет сгладить пиковую нагрузку на отдельные процессоры, а, следовательно, снизить требования к их производительности. Конечно, это справедливо в том случае, если увеличивающиеся накладные расходы, связанные с организацией динамического управления вычислительным процессом (диспетчированием), оправдывают эти затраты.

Пусть управляющая система обслуживает несколько объектов, каждый из которых требует затраты производительности P, в соответствии со стадией обслуживания, как показано временными диаграммами на рис. В.2. Начала обслуживания, а также длительность стадий обслуживания, случайно распределены во времени. На каждой стадии обслуживания используется общее для всех объектов подмножество программ — функциональных модулей. Тогда видно, что если за объектами жестко закреплять процессоры ВС, то их производительность должна удовлетворять самой напряженной последней стадии обслуживания. Если же в соответствии со случайным взаимным смещением этой стадии все множество функциональных модулей, требуемых для всех объектов, динамически распределять между процессорами, то такой пиковой нагрузки на один процессор в среднем можно избежать. То есть можно руководствоваться результирующей диаграммой на основе суммирования тех, что изображены на рисунке.

Конечно, такое допущение должно подтверждаться на основе моделирования реальных ситуаций, требований к эффективности управляющей системы и на основе разработок оперативных диспетчеров распараллеливания.

Рис. B.2. Затраты производительности при обслуживании нескольких объектов

Разработки в области ВС не могли не повлиять на практику параллельного планирования в широком диапазоне применения. Ведь задачи оптимального распараллеливания входят в класс задач исследования операций, и это определяет контекст их исследования. Суть этих задач - в минимизации времени выполнения статически заданного или динамически формируемого частично упорядоченного множества заданий на выполнение работ, а также в минимальном по стоимости наборе исполнителей, достаточном для выполнения множества таких заданий за ограниченное время.

Вспомним время робких экономических реформ первой половины 1960-х годов, когда каждый проект сопровождался активным и обязательным применением средств оперативного планирования (известная система ПЕРТ). В динамике выполнения проекта исследовалось графическое временное представление взаимосвязанных работ, определялась длина критического пути, ранние и поздние сроки начала (окончания) работ, находились оптимальные расписания, перераспределялись работы между исполнителями.

Отметим "неловкое" традиционное представление информации при решении указанных задач. Это — важный пример того, как непродуманное задание исходной информации влияет на сложность решаемых задач.

В приложении к ВС (другой разработчик — другой подход) распараллеливаемое множество работ описывается иначе, и то, что было сложно, становится простым. Так, например, определение длины критического пути — незначительная по трудоемкости процедура, выполняемая в составе более сложной операции оптимального планирования. В ВС используются простые диспетчеры динамического распределения работ, нетрудоемкость которых (при достигаемой близости к оптимальному результату) и разрешает их включение в операционную систему (ОС) ВС.

Однако ВС способна не только делиться своими методами с управлением и планированием. Закономерно и обратное влияние: задачи предъявляют требования к архитектуре ВС, обеспечивающие их эффективное решение.

С учетом этого взаимного влияния подход к решению таких задач существенно расширяется. Дело в том, что многие методы вычислений (а речь идет о задачах высокой сложности — оптимизационных, информационно-логических, моделирования сложных систем и др.), создавались в эпоху, когда математик-вычислитель крутил ручку арифмометра. Минимизация числа операций была единственным критерием сложности метода, а многие "интеллектуальные" действия при этом не учитывались.

При программировании на ВС, как видно из рисунков, существенной является длина критического пути в информационном графе, описывающем алгоритм или комплекс программ. При этом даже неважно, "стоят", дублируют счет или выполняют другую "лишнюю" работу некоторые процессоры. Главное — минимизация указанной длины критического пути, как ограничения снизу времени решения, увеличение коэффициента загрузки ВС за счет минимизации накладных расходов на организацию распараллеливания. Это требует пересмотра многих методов вычислений.

В утверждение философского тезиса о том, что "развитие идет по спирали", идея объединения ЭВМ в единый ВК вновь проявилась в образе организации вычислительных сетей. Локальные, региональные, корпоративные, глобальные сети (вплоть до паутины Интернет) представляют универсальный и значительный ресурс для решения как информационных, так и вычислительных задач высокой сложности. Это молодое направление исследований также нуждается в конкретизации и приложении тех же идей распараллеливания, что применяются для оптимального программирования ВС.

Отметим существование ряда отечественных школ, послуживших развитию параллельных технологий как важного теоретического и практического научного направления.

Такие школы возглавляли И.В.Прангишвили, С.Я.Виленкин, В.В.Игнатущенко и др. — в области создания микропроцессорных векторных ВС и ВС с перестраиваемой структурой. Новосибирская школа (Ю.Г.Косарев, В.Е.Котов, А.С.Нариньяни и др.) пропагандировала универсальные, многофункциональные структуры ВС и значительно продвинулась в теоретическом обосновании параллельных вычислительных процессов. Плодотворной была Таганрогская школа, возглавляемая А.В. Каляевым, которая защищала идею многопроцессорных ВС с программируемой структурой. С началом "перестройки" закончились очередные попытки "догнать и перегнать" на основе расширенного воспроизведения идей С. Крея в рамках проекта "Электроника ССБИС", осуществляемого В.А. Мельниковым — конструктором замечательной ЭВМ "БЭСМ-6".

В 1967 году в издательстве "Советское радио" вышла монография Ю.С.Голубева-Новожилова "Многомашинные комплексы вычислительных средств", которую можно считать первой отечественной публикацией, отображающей применение параллельных технологий в вычислительных системах. Однако в более общем применении следует указать, например, на монографию С.И.Зуховицкого и И.А.Радчика "Математические методы сетевого планирования", вышедшую в издательстве "Наука" в 1965 году. И все же первым теоретическим осмыслением нового направления следует считать монографию Д.А.Поспелова "Введение в теорию вычислительных систем", вышедшую в издательстве "Советское радио" в 1972 году. Следует отметить и дальнейшую роль Д.А. Поспелова в развитии идей компьютерных технологий — от элементно-логической базы и основ оперативного управления до искусственного интеллекта.

Основная цель предлагаемой книги — обобщение, перенесение и развитие того, что известно применительно к вычислительным системам, в более широкую область экономической, социальной и другой деятельности человека.