Основы AS/400

Будущее многопроцессорных систем

На любой конференции по компьютерным архитектурам, независимо от заявленной темы, разговор обязательно заходит о масштабируемых многопроцессорных системах с общей памятью. Я твердо верю, что многопроцессорные системы данного типа обеспечат в будущем прогресс вычислительных систем. Внимание к архитектурам МРР без разделения памяти гораздо меньше — ведь они более специализированы и набор типов приложений для них ограничен. А, кроме того, заниматься масштабируемыми архитектурами с общей памятью нам просто интересно!

Масштабируемые многопроцессорные системы с общей памятью

Системы с централизованной и распределенной общей памятью мы рассматривали в главе 2.

В первой из них имеется центральная память, которую совместно используют несколько процессоров, и именно такую модель имеют в виду, когда говорят об SMP. Так как в такой системе время, требуемое каждому процессору для доступа к центральной памяти, одинаково, то их обычно называют системами с однородным доступом к памяти или системами UMA.

Во втором случае память распределена между несколькими узлами, каждый из которых содержит небольшое число процессоров, подключенных к памяти узла по схеме SMP. В узле есть процессоры и память, но нет дисков и других устройств ввода-вывода. Адресное пространство всех узлов общее, то есть любой процессор может адресовать память любого узла. Чтобы проще представить это себе, вообразите фрагменты общей памяти расположенные в узлах системы и связанные между собой вы

сокоскоростным глобальным соединением. У каждого узла общая шина памяти, соединенная с его фрагментом общей памяти, но доступ к этому фрагменту возможен и для процессоров всех остальных узлов с помощью глобального соединения. Отличие состоит только во времени доступа. Локальный доступ выполняется быстрее глобального, и поэтому подобный кластер узлов SMP называется машиной с неоднородным доступом к памяти, или машиной NUMA.

Мы уже достаточно подробно рассмотрели модель централизованной общей памяти в AS/400. Описанная в главе 2 подсистема памяти UMA с перекрестными переключателями и ее разновидности могут с легкостью поддерживать 16-канальные конфигурации SMP с высокопроизводительными процессорами, планируемыми для серии AS/400е. После версии 4, возможно, появятся 20- или даже 24-канальные конфигурации SMP.

Для очень больших конфигураций будут использованы кластеры узлов SMP. В главе 11 мы рассмотрели последовательность кластерной поддержки для AS/400: и системы без разделения, каждая из которых использует собственные дисковые устройства; и кластеры с переключением дисков между системами; и, наконец, системы с разделением дисков между компьютерами кластера. Получив с помощью независимых ASP возможность разделения всех дисков кластерного пула, мы можем подумать о разделении памяти между узлами, и, таким образом, о создании нашей первой машины NUMA.

Интерес к применению NUMA в AS/400 возник несколько лет назад. Дик Бут (Dick Booth), рочестерский инженер, занимался в начале 90-х годов многопроцессорными системами в IBM Research. В процессе работы у него возникла идея новой архитектуры. Первоначально Дик назвал ее «крепко связанным мультипроцессором», так как она занимает промежуточное положение между слабо связанными (МРР) и сильно связанными (SMP) мультипроцессорами. Теперь подобная структура называется просто NUMA.

Дик верил, что NUMA будет работать в AS/400. Вернувшись в Рочестер, он заразил своей идеей коллег. В 1991 году был основан объединенный проект с IBM Research и началась работа над прототипом. Как это часто бывает, новая идея натолкнулась на определенный скептицизм. Группа выстояла, завершила прототип и продемонстрировала его, чем завербовала в свои ряды новых сторонников. Сегодня эти люди успешно работают над NUMA для будущих AS/400.

CC-NUMA и COMA

Для AS/400 возможны как минимум две реализации NUMA. Первая — неоднородный доступ к памяти с когерентным кэшем CC-NUMA (cache-coherent non-uniform memory access), вторая — архитектура памяти только с кэшем COMA (cache-only memory architecture). Конкретные детали реализации и оценки производительности этих архитектур широко отражены в компьютерной прессе. С начала 90-х годов разновидности этих архитектур исследуются в нескольких университетах и лабораториях. Некоторые компьютерные компании, такие как SGI (Silicon Graphics, Inc.), Sequent и Convex уже поставляют на рынок серверы CC-NUMA с большими возможностями масштабирования.

Итак, давайте кратко, не слишком вдаваясь в технические подробности, поговорим о том, какие детали этих архитектур Вы можете ожидать в будущих конфигурациях AS/400.

Обе схемы используют протокол когерентности кэшей на основе справочников, что необходимо для поддержки «вроде бы» общей памяти, хотя основная память и распределена между узлами. Проще говоря, в каждом узле имеется справочник, показывающий расположение всех страниц в глобальной адресуемой основной памяти (как локальной, так и удаленной).

Это отличается от шинной когерентности со слежением (snoopy bus-based coherence), используемой для кэшей второго уровня в узле SMP, описанной в главе 2. Одни и те же данные из страницы общей памяти могут одновременно находиться в нескольких кэшах процессоров узла SMP. При изменении данных в кэше одним процессором должны быть обновлены и копии в кэшах других процессоров. Под когерентностью кэшей понимают актуальность всех копий. При использовании протокола слежения справочник кэша каждого процессора содержит информацию только о тех страницах, которые находятся в его собственном кэше. При всяком изменении процессором данных в кэше об этом сообщается по шине слежения всем остальным процессорным кэшам, с целью обновить те же данные. Таким образом, каждый кэш следит за изменениями во всех других кэшах и обеспечивается когерентность кэшей. Поддержание в кэшах процессоров множественных копий гарантирует одинаковое время доступа ко всем данным (поэтому данная архитектура и называется UMA).

Но необходимость широковещательного оповещения об изменениях начинает мешать, если число кэшей растет. Протокол когерентности кэшей на основе справочников устраняет необходимость широковещательных оповещений об изменениях, так как справочники содержат информацию только о том, в каком узле находятся данные, но не о самих данных. Каждый узел отслеживает только свои собственные локальные данные, совместно используемые данные не дублируются. Обращение к данным локального узла выполняется быстрее, чем к данным удаленного узла. Вспомните, что узлы имеют общее адресное пространство, а не память. Каждому узлу кластера выделяется часть общего адресного пространства. Расширение адресного пространства и обновление справочников позволяет добавлять в кластер новые узлы.

Каталоги, о которых мы говорим, содержат только информацию о данных в памяти различных узлов, данные на диске вне этой структуры. Проще говоря, аппаратура следит за тем, что происходит в памяти, тогда как ОС — за тем, что находится на дисках.

Ранние реализации NUMA с когерентностью кэшей на основе справочников имели большую разницу во времени обработки промахов удаленных и локальных кэшей. Когда процессор в узле определяет промах кэша L2, время получения данных из памяти удаленного узла может быть значительно больше времени получения данных из памяти узла, в котором находится процессор. Например, на ранней машине Sequent промахи удаленных кэшей обрабатывались в 10 раз медленнее локальных. Чтобы добиться от такой архитектуры достаточной производительности, требуется поддерживать приемлемо низкое число удаленных обращений путем тщательного распределения данных приложений по узлам. Обычно число таких обращений пытаются свести к 10 процентам. Таким образом, переход от архитектуры SMP к распределенному кластеру может потребовать изменений в прикладных программах и перераспределению данных приложений.