8.2.5 多处理机实例
多处理机系统主要有四大类。第一类是多向量处理系统，以CRAY YMP-90，NEC SX-3和FUJITSU VP-2000等为代表；第二类是基于共享存储的多处理机系统，如
SGI Challenge 和 Sun SparcCenter 2000；第三类是基于分布存储的大规模并行处理系统（MPP），比如
Intel Paragon，CM-5，Cray T3D等。第四类是机群系统。
1 MPP
大规模并行性并行处理（massively parallel processing，MPP）系统的定义随着时间推移在不断地变化。按照当前的标准，具有几百或几千台处理机的任何机器就是大规模并行处理系统。显然，随着计算机技术的快速发展，对并行度的要求会愈来愈高。
科学计算中的重大挑战性课题,例如：磁记录工业要靠用计算机来研究静磁和交互感应以降低高密度磁盘金属薄膜镀层的噪音。用计算机辅助设计合适的药物，用以治疗癌症和后天免疫缺乏综合症。现在，用高性能计算机已经发现一种新的试剂，能抑制人工免疫缺乏病毒蛋白酶的作用。在超级计算机上研究计算流体动力学将辅助设计出高速民航飞机。通过化学动力学的计算可设计出较好的发动机模型，从而提高燃料的燃烧效率。对许多由酶催化控制的生物过程可用计算机来设计用于化学反应的催化剂。大规模并行量子模型要进行大量模拟以减少催化剂设计以及它们特性优化所需的时间。没有超级计算能力的MPP系统是不可能对海洋精确建模的。臭氧耗损的研究也要求用计算机分析其复杂的化学和动力学机制。海洋活动和臭氧耗损都将影响全局天气预报。其它需要计算支持的重要领域有实时医疗诊断的数字解析、通过计算建模研究减少大气污染、计算生物学家设计蛋白质结构、图象和图象理解以及科研与教学相结合的技术。某些重大挑战性课题的计算需求如图8.22所示。这张图列出了支持科学模拟、先进计算机辅助设计和大型数据库与信息检索操作的实时处理等所需要的处理速度和存储器规模的量级。重大挑战性课题要求能提供1
Teraflops计算能力、1 Terabyte主存储器和1 Terabyte/s I/O带宽的计算机，这就称为3T性能目标。目前，性能最好的计算机与重大挑战性课题的这些要求相比，其速度还约慢100至10,000倍，存储容量太小，I/O带宽还太窄。
图8.22 重大挑战性课题的需求
MPP系统最重要的特点是进行大规模并行处理。在MPP系统中，用的是VLSI硅片、砷化镓技术、高密度组装和光技术,采用可扩展技术、共享虚拟存储技术、容许时延技术、多线程技术的系统结构。
Mpp系统采用分布存储方式可以使系统容易扩充，但由于每个处理机不能直接访问非本地存储器，只能使用消息传递方法来解决这个问题。这使得编程困难并且通信开销增加。虚拟共享存储器(Shared
Virtuel Memory)，又称共享分布存储器(Distributed Shared Memory)可以改善这一状况。这是在基于分布存储器的多处理机上，实现物理上分布但逻辑上共享的存储系统。其基本思想是，将物理上分散的各个处理机所拥的局部存储器，在逻辑上加以统一编址，形成一个统一的虚拟地址空间来实现存储器的共享。每个处理机可以访问全局存储器的任一位置，用户可以把它当成全局共享存储系统。这样，用户以前在全局共享多处理机系统上编写的程序就可以不加修改地在虚拟共享存储器系统上运行，这给软件的移植带来了方便，同时解决了难于对复杂数据结构进行传递和难于进行进程迁程的问题。虚拟共享存储器系统的优点有：编程容易，系统结构灵活，可扩充性好，有较好的软件移植性。已有的研究结果表明，在虚拟共享存储器系统上编制的程序比用消息传递方式编制的程序效率要高，这是因为：首先，在虚拟共享存储器系统上，据都是以块的方式进行传送，如果一个程序，具有较高的局部性，则当把一个数据块传送到一个结点后，该结点对它的访问就成为本地访问，而消息传递方式的每次访问都需要通信。第二，许多并行应用程序都是分阶段执行的，每次执行前，都有一个数据交换阶段，其时间受通信限制。在虚拟共享存储器系统中，数据只有用到的时候才传送，取消了数据交换阶段，把通信时间加以分散，提高了并行性。最后，虚拟共享存储器系统提供的虚存空间比单个结点的存储空间大得多，减少了换页操作。因此，虚拟共享存储器系统受到了越来越广泛的重视。目前，实现虚拟共享存储器系统的途径有三种：(1)硬件实现。将传统的Cache技术扩展应用到松耦合分布式存储多处理机。这种途径需要在现有的松耦合分布式存储多处理机上，增加专用部件以取得高效的实现。(2)操作系统和库实现。通过虚拟存储管理机制取得共享和一致性。这种途径可在现有松耦合分布式存储多处理机上不增加任何专用部件实现。(3)编译实现。自动将共享访问转换成同步和一致原语。它要求用户显式控制全局数据，当传送大量数据时或试图进行迁移时极其复杂。现有的虚拟共享存储器系统大多数采用第一途径、第二途径或这两个途径结合实现的。
具有重大挑战性的应用问题将推动现在和未来的MPP系统朝3T性能的目标前进。