Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем. (Основные комплектующие современного ПК)

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Вычислительная система – совокупность аппаратно-программных средств, образующих единую среду, предназначенную для решения задач обработки информации (вычислений). Первоначально, универсальные вычислительные системы создавались на основе однопроцессорных ЭВМ с целью увеличения их быстродействия.

В первых ЭВМ процессоры сами управляли операциями ввода-вывода. Однако скорость работы внешнего устройства значительно меньше скорости работы процессора, поэтому во время операций ввода-вывода процессор фактически простаивал. Чтобы сбалансировать их работу, в конце 1950-х – начале 1960-х гг. ЭВМ начали комплектовать независимыми процессорами ввода-вывода для параллельного выполнения вычислений и операций обмена данными, тогда и появился термин «вычислительная система».

Основными преимуществами вычислительной системы по сравнению с однопроцессорной ЭВМ являются: значительное повышение производительности за счёт статического или динамического распараллеливания процесса решения задачи (например, выполнение частей задачи на различных процессорах); увеличение эффективности использования оборудования за счёт более полной его загрузки; повышение надёжности системы и др.

Постоянное увеличение степени интеграции и быстродействия элементов современных микропроцессоров, высокий уровень их надёжности и относительная дешевизна позволяют строить вычислительные системы путём объединения необходимого числа микропроцессоров и организации параллельной обработки данных.

Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложнил управление вычислительным процессом, а также распределение аппаратных и программных ресурсов.

Поэтому важная роль в вычислительных системах стала отводиться операционной системе, выполняющей функции планирования вычислительного процесса и распределения ресурсов (оперативной и внешней памяти, процессоров, периферийного оборудования и др.), а также оптимизирующим компиляторам с языков высокого уровня, позволяющим в наибольшей степени использовать особенности микропроцессоров.

Большую роль в достижении высокой эффективности работы вычислительной системы играет система коммутации, связывающая процессоры между собой или с модулями оперативной памяти.

Как правило, для этого применяют общую шину, с которой соединены процессоры и модули памяти. В вычислительной системе, состоящих из нескольких процессоров, обычно используют матричные коммутаторы, а также топологию связи – кольцо, звезда и др. При объединении большого числа процессоров применяют более сложные топологии связи – тор, гиперкуб и др.

Современные вычислительные системы сильно отличаются друг от друга своими возможностями и характеристиками, и этим обусловлено разнообразием признаков, по которым классифицируют вычислительные системы (например, по типам и числу ЭВМ или процессоров, архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы).

Глава 1. Состав вычислительной системы

Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Аппаратные и программные средства вычислительной техники принято рассматривать отдельно. Соответственно, отдельно рассматривают аппаратную конфигурацию вычислительных систем и их программную конфигурацию. Такой принцип разделения имеет для информатики особое значение, поскольку очень часто решение одних и тех же задач может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами. Критериями выбора аппаратного или программного решения являются производительность и эффективность. Обычно принято считать, что аппаратные решения в среднем оказываются дороже, зато реализация программных решений требует более высокой квалификации персонала.

Аппаратное обеспечение

К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию — аппаратную конфигурацию, необходимую для исполнения конкретных видов работ, можно собирать из готовых узлов и блоков.

По способу расположения устройств относительно центрального процессорного устройства (ЦПУ— Central Processing Unit, CPU) различают внутренние и внешние устройства. Внешними, .как правило, являются большинство устройств ввода-вывода данных (их также называют периферийными устройствами) и некоторые устройства, предназначенные для длительного хранения данных.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью переходных аппаратно-логических устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфейсы в вычислительной технике называют протоколами. Таким образом, протокол — это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами.

Многочисленные интерфейсы, присутствующие в архитектуре любой вычислительной системы, можно условно разделить на две большие группы: последовательные и параллельные. Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный — одновременно группами битов. Количество битов, участвующих в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса, например восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают один байт (8 бит) за один цикл.

Параллельные интерфейсы обычно имеют более сложное устройство, чем последовательные, но обеспечивают более высокую производительность. Их применяют там, где важна скорость передачи данных: для подключения печатающих устройств, устройств ввода графической информации, устройств записи данных на внешний носитель и т. п. Производительность параллельных интерфейсов измеряют байтами в секунду (байт/с; Кбайт/с; Мбайт/с).

Устройство последовательных интерфейсов проще; как правило, для них не надо синхронизировать работу передающего и принимающего устройства (поэтому их часто называют асинхронными интерфейсами), но пропускная способность их меньше и коэффициент полезного действия ниже, так как из-за отсутствия синхронизации посылок полезные данные предваряют и завершают посылками служебных данных, то есть на один байт полезных данных могут приходиться 1-3 служебных бита (состав и структуру посылки определяет конкретный протокол).

Поскольку обмен данными через последовательные устройства производится не байтами, а битами, их производительность измеряют битами в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с). Несмотря на кажущуюся простоту перевода единиц измерения скорости последовательной передачи в единицы измерения скорости параллельной передачи данных путем механического деления на 8, такой пересчет не выполняют, поскольку он не корректен из-за наличия служебных данных. В крайнем случае, с поправкой на служебные данные, иногда скорость последовательных устройств выражают в знаках в секунду или, что тоже самое, в символах в секунду (с/с), но эта величина имеет не технический, а справочный, потребительский характер.

Последовательные интерфейсы применяют для подключения «медленных» устройств (простейших устройств печати низкого качества, устройств ввода и вывода знаковой и сигнальной информации, контрольных датчиков, малопроизводительных устройств связи и т. п.), а также в тех случаях, когда нет существенных ограничений по продолжительности обмена данными (большинство цифровых фотокамер).

Программы — это упорядоченные последовательности команд. Конечная цель любой компьютерной программы — управление аппаратными средствами. Даже если на первый взгляд программа никак не взаимодействует с оборудованием, не требует никакого ввода данных с устройств ввода и не осуществляет вывод данных на устройства вывода, все равно ее работа основана на управлении аппаратными устройствами компьютера.

Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в неразрывной связи и в непрерывном взаимодействии. Несмотря на то что мы рассматриваем эти две категории отдельно, нельзя забывать, что между ними существует диалектическая связь, и раздельное их рассмотрение является по меньшей мере условным.

Состав программного обеспечения вычислительной системы называют программной конфигурацией. Между программами, как и между физическими узлами и блоками существует взаимосвязь — многие программы работают, опираясь на другие программы более низкого уровня, то есть, мы можем говорить о межпрограммном интерфейсе. Возможность существования такого интерфейса тоже основана на существовании технических условий и протоколов взаимодействия, а на практике он обеспечивается распределением программного обеспечения на несколько взаимодействующих между собой уровней. Уровни программного обеспечения представляют собой пирамидальную конструкцию. Каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение предшествующих уровней.

Такое членение удобно для всех этапов работы с вычислительной системой, начиная с установки программ до практической эксплуатации и технического обслуживания. Обратите внимание на то, что каждый вышележащий уровень повышает функциональность всей системы. Так, например, вычислительная система с программным обеспечением базового уровня не способна выполнять большинство функций, но позволяет установить системное программное обеспечение.

Базовый уровень. Самый низкий уровень программного обеспечения представляет базовое программное обеспечение. Оно отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Как правило, базовые программные средства непосредственно входят в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемах, называемых постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ— Read Only Memory, ROM). Программы и данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации.

В тех случаях, когда изменение базовых программных средств во время эксплуатации является технически целесообразным, вместо микросхем ПЗУ применяют перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ — Erasable and Programmable Read Only Memory, EPROM). В этом случае изменение содержания ПЗУ можно выполнять как непосредственно в составе вычислительной системы (такая технология называется флэш-технологией), так и вне ее, на специальных устройствах, называемых программаторами.

Системный уровень. Системный уровень — переходный. Программы, работающие на этом уровне, обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением, то есть выполняют «посреднические» функции.

От программного обеспечения этого уровня во многом зависят эксплуатационные показатели всей вычислительной системы в целом. Так, например, при подключении к вычислительной системе нового оборудования на системном уровне должна быть установлена программа, обеспечивающая для других программ взаимосвязь с этим оборудованием. Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с конкретными устройствами, называются драйверами устройств — они входят в состав программного обеспечения системного уровня.

Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Именно благодаря им он получает возможность вводить данные в вычислительную систему, управлять ее работой и получать результат в удобной для себя форме. Эти программные средства называют средствами обеспечения пользовательского интерфейса. От них напрямую зависит удобство работы с компьютером и производительность труда на рабочем месте.

Совокупность программного обеспечения системного уровня образует ядро операционной системы компьютера. Полное понятие операционной системы мы рассмотрим несколько позже, а здесь только отметим, что если компьютер оснащен программным обеспечением системного уровня, то он уже подготовлен к установке программ более высоких уровней, к взаимодействию программных средств с оборудованием и, самое главное, к взаимодействию с пользователем. То есть наличие ядра операционной системы — непременное условие для возможности практической работы человека с вычислительной системой.

Служебный уровень. Программное обеспечение этого уровня взаимодействует как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня. Основное назначение служебных программ (их также называют утилитами) состоит в автоматизации работ по проверке, наладке и настройке компьютерной системы. Во многих случаях они используются для расширения или улучшения функций системных программ. Некоторые служебные программы (как правило, это программы обслуживания) изначально включают в состав операционной системы, но большинство служебных программ являются для операционной системы внешними и служат для расширения ее функций.

В разработке и эксплуатации служебных программ существует два альтернативных направления: интеграция с операционной системой и автономное функционирование. В первом случае служебные программы могут изменять потребительские свойства системных программ, делая их более удобными для практической работы. Во втором случае они слабо связаны с системным программным обеспечением, но предоставляют пользователю больше возможностей для персональной настройки их взаимодействия с аппаратным и программным обеспечением.

Прикладной уровень. Программное обеспечение прикладного уровня представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых на данном рабочем месте выполняются конкретные задания. Огромный функциональный диапазон возможных приложений средств вычислительной техники обусловлен наличием прикладных программ для разных видов деятельности.

Поскольку между прикладным программным обеспечением и системным существует непосредственная взаимосвязь, то можно утверждать, что универсальность вычислительной системы, доступность прикладного программного обеспечения и широта функциональных возможностей компьютера напрямую зависят от типа используемой операционной системы, от того, какие системные средства содержит ее ядро, как она обеспечивает взаимодействие триединого комплекса человек — программа — оборудование.

Глава 2. Основные комплектующие современного ПК

Монитор. Он является основным устройством вывода всей визуальной информации — текста, графики, видео. Без монитора вы попросту не сможете пользоваться вашим ПК.

Стоимость монитора зависит от фирмы — изготовителя и основных характеристик, в частности — разрешения, яркости, углов обзора, размера диагонали.

В настоящее время одними из самых распространенных являются мониторы с разрешением1920х1080 точек (формат Full HD).

Оптимальный показатель яркости — от 250 до 300 кд/кв. м. Оптимальные углы обзора — порядка 160—180 градусов в обеих плоскостях. Что касается размера диагонали, то он может колебаться в довольно широких пределах — от 15 до 27 и более дюймов.

Следующий пункт — периферия.

Обычно этим словом обобщают все дополнительные устройства ввода—вывода, к примеру, мышь, клавиатуру, джойстики, колонки, наушники, микрофон и т.д.

Как правило, рядовому непритязательному пользователю нужны лишь клавиатура с мышкой (чтобы вводить данные) и какое—либо устройство вывода звука, к примеру, колонки (чтобы слушать музыку, смотреть фильмы).

В отдельных случаях может возникнуть надобность в микрофоне, к примеру, для общения в онлайн играх, для записи своего голоса или разговора по скайпу. Стоимость простых периферийных устройств, как правило, незначительна.

В состав системного блока может входить довольно много отдельных элементов. Ниже перечислим самые основные.

1. Корпус. Это своеобразный каркас, к которому крепятся все остальные элементы. Многие пользователи недооценивают значимость правильного выбора корпуса, не зная о том, что именно он зачастую влияет на работоспособность и производительность всей системы.

Хороший корпус надежно защищает все части компьютера от пыли, грязи и механических повреждений, обеспечивает циркуляцию воздуха вокруг деталей и узлов, подверженных нагреву.

Существует три основных форм—фактора корпуса — mini—tower, mid—tower, а также big—tower (маленький, средний и большой). Выбор того или иного форм—фактора, прежде всего, зависит от общего числа и размеров комплектующих (нужно, чтобы все они без проблем помещались внутри корпуса).

2. Блок питания. Данное устройство необходимо для преобразования и распределения входного напряжения. Основная характеристика блока — это мощность. Чем выше производительность компьютера, тем более мощный блок нужен для его полноценной работы.

К примеру, если вы хотите собрать современный игровой ПК, то мощность блока должна быть в пределах 1000 Ватт. Для простого домашнего ПК подойдет блок питания, обладающий мощностью 500—600 Ватт.

При расчете требуемой мощности блока нужно складывать мощность всех устройств, входящих в его состав, обращая первоочередное внимание на характеристики видеокарты (она обычно кушает больше всего).

3. Материнская плата. Данное устройство можно назвать основой любого ПК. Ведь именно материнка связывает воедино все остальные компоненты (аудио и видеоконтроллеры, сетевые платы, процессор, видеокарту, оперативную память и т.д.) и обеспечивает их взаимодействие.

При выборе материнской платы следует ориентироваться на форм—фактор (ATX, microATX или какой—то другой), общее количество слотов разных типов (PCI, microPCI — для подключения оперативной памяти, аудиоконтроллеров, сетевых и видеокарт) и тип сокета (для установки того или иного процессора).

На обычных домашних ПК, как правило, используется форм—фактор ATX. Что касается числа слотов, то тут все зависит от того, какой объем оперативной памяти вы планируете использовать, какие контроллеры хотите устанавливать.

Для домашнего ПК вполне достаточно 2—4 разъемов под оперативку и столько же PCI—слотов. Тип сокета зависит от того, какой именно процессор планируете использовать — AMD или Intel.

4. Оперативная память. Данное устройство необходимо для хранения временных данных. Чем больше у ПК объем оперативной памяти, тем с большими объемами данных он сможет работать (не будут тормозить ресурсоемкие программы и игры).

Максимальный объем оперативки определяется числом слотов под нее в материнской плате. Оптимальный объем для современного домашнего ПК — 4—8гигабайт. При установке оперативной памяти используются отдельные модули, к примеру, по 2 или 4 гигабайта.

Таким образом, установив 2 модуля по 4 Гбайт, мы получаем 8 Гбайт. Такого же результата можно достичь, установив 4 модуля по 2 Гбайт (конечно, если в материнке есть 4 слота под оперативную память).

По типу оперативная память делится на DDR3 и DDR4. DDR4 обеспечивает более быстрый доступ к данным. Также есть такой показатель, как частота оперативной памяти. Оптимальное значение частоты — до 2.8 ГГц.

5. Видеокарта. Данное устройство отвечает за обработку всей выводимой на монитор графики — фотографий, изображений, фильмов, игр и т.д.

При использовании слабой и дешевой видеокарты многие игры будут тормозить (либо вовсе не запустятся). Фильмы в Full HD также будут сильно тормозить. При использовании хорошей дорогой видеокарты многие игры можно запускать на максимальных настройках.

При этом не будет наблюдаться каких—либо лагов, задержек и прочих неприятных вещей. Основная характеристика видеокарты — это объем используемой памяти. Для современных видеокарт оптимальный объем составляет 1—2 гигабайта.

Также карты классифицируются по типу охлаждающей системы — есть модели с воздушным и водным охлаждением. При этом водное охлаждение обычно используется в действительно мощных и дорогих картах (которые сильно нагреваются в процессе работы).

6. Процессор. Данное устройство отвечает за обработку всей информации в памяти компьютера. Чем более мощным (производительным) является процессор, тем быстрее обрабатывается информация. Соответственно, тем быстрее работает компьютер.

От мощности процессора напрямую зависит скорость работы большинства программ и самой операционной системы (загрузка, открытие папок в проводнике и т.д.).

При выборе процессора следует обращать внимание на такие характеристики, как тип сокета, частота, общее число ядер, размер кэша. Тип сокета зависит от используемой материнской платы.

Что касается частоты, то тут чем больше, тем лучше. Оптимальный вариант — от 2.7 до 3.4 МГц. Оптимальное число ядер — 4. Что касается размера кэша, то здесь есть три уровня — первый, второй и третий (так называемая быстрая, средняя и долгая память процессора).

Чем больше объем каждого из уровней, тем лучше. Самый оптимальный вариант для современных домашних ПК — процессоры линейки Intel Core(от i3 до i9).

7. Жесткий диск (HDD). Данное устройство отвечает за хранение всей информации — файлов, музыки, видео, программ, самой операционной системы. Основная характеристика жесткого диска — это его объем. Чем больше этот самый объем, тем больше данных вы сможете хранить на компьютере.

Оптимальный объем HDD для современного ПК — 1—2 Тбайт. Среди других характеристик можно отметить форм—фактор (диаметр диска). В обычных ПК используется 3.5—дюймовый диск.

Кроме того, большую роль играет частота вращения диска. Ее оптимальное значение — 7200 оборотов в минуту. В дополнение к HDD можно использовать SSD (твердотельный накопитель). Его отличительные особенности — более быстрая работа, низкое потребление энергии, повышенная надежность (ввиду отсутствия подвижных частей, как в HDD). Однако стоит SSD значительно дороже.

В любой ценовой категории пользователь сможет найти идеальный вариант для покупки, который будет соответствовать параметру «цена-качество». Однако есть и такие, цена которых исчисляется в миллионах долларов, однако воспользоваться такими «машинами» обычный пользователь не сможет.

Самый мощный компьютер в мире.

Выделить такой ПК довольно сложно. Все они созданы для определенных вычислений, и используются по своему прямому назначению.

На первое место по вычислительной мощности можно поставить детище компании «IBM» — «Summit». Рейтинг суперкомпьютеров он возглавляет благодаря наличию более 4500 связанных между собою серверов, которые по площади занимают место, равное двум теннисным кортам.

«На борту» этих серверов 9200 процессоров «IBM Power9», в каждом из которых 22 ядра, а также 28 тысяч графических устройств, с процессором «NVIDIA Tesla V100».

На каждом из серверов установлено порядка 500 Гб когерентной памяти типа «DDR4 SDRAM» и 800 Гб энергозависимой памяти, для использования в качестве буфера. Благодаря таким характеристикам, устройство обладает вычислительной мощностью в 122 петафлопс, при потреблении энергии в 15 мегаватт в час.

Самый дорогой компьютер в мире Странно, но самый дорогой – не значит «самый мощный». По крайней мере, так считают японцы. Они создали ПК, который обязательно удивит внешним видом, но вот «внутренностями» — никогда. Почти у любого пользователя ПК было такое устройство.

Речь идет о Zeus Computer, появившемся в продаже в 2008 году. Стоимость платиновой версии (Jupiter) – 742 тысячи долларов, а золотой (Mars) – 560 тысяч долларов. Главная причина высокой стоимости – наличие драгоценных камней на корпусах, сделанных из платины и золота, соответственно.

Любителей поиграть в игры этот компьютер расстроит, ведь на его борту Core 2 Duo E6850, 2 гигабайта ОЗУ, 1 ТБ накопитель, под управлением ОС Windows Vista. Видеокарта в этом творении японцев и вовсе отсутствует. Стоит заметить, что это самое дорогое устройство из тех, которое может приобрести обычный пользователь.

Некоторые промышленные компьютера стоят намного больше, но выполняют узкоспециализированные задачи и созданы в одном экземпляре. Кроме этого стоит отметить еще несколько моделей.  

Eazo X70. Компьютер появился на свет в 2007 году. Глядя на него в 2019 можно посмеяться и удивиться: за что же такие деньги? «На борту» можно найти: Intel Core 2 Quad Q9550 — 3 ГГц. ОЗУ: 4 Гб. Видеочип: NVIDIA 8800GTX. Водяное охлаждение. Звуковая карта 7,1. Два винчестера, объемом 150 Гб и 500 Гб. Предустановленная Windows.

Самым дорогим является его корпус, который состоит из сплава магния, золота, платины и инкрустированный бриллиантами. За определенную сумму можно изменить характеристики. Стоимость базовой комплектации 45000 долларов.

701 Jewelry Данный ПК был создан в 2009 году, а его особенностью является то, что в него инкрустированы камни «Swarovski». Характеристики слабы, даже для 2009 года: 2-х ядерный процессор, 2 ГБ ОЗУ, встроенный видеоадаптер и Windows Vista управляет всем этим.

Необычности добавляет встроенный в корпус экран, диагональю в 7 дюймов, который, по словам создателей, может воспроизвести FullHD видео. Стоимость этого «чуда» — почти 1 миллион рублей.

Vulcan Blue Gene. Один из самых мощных компьютеров был спроектирован для представления моделей физических явлений, а также для вычислений и обработки входящих данных в реальных масштабах и без задержек.

Характеристики следующие: производительность: 4,29 петафлопс; максимальная производительность: 5,03 петафлопс; потребляемая мощность: 1,9 МВт.

Количество памяти суперкомпьютера близится к 326 000 гигабайт. Общее количество ядер задействованных в работе – 393 тысячи. Количество операций в секунду – 596 миллионов. Находится в Калифорнии, США, а стоимость составляет 6,5 миллиардов рублей (100 млн. долларов.)

SuperMUC Благодаря этому ПК появилась возможность генерировать объекты виртуальной реальности в исследовательских целях. Расположение его – город Бавария, Германия, Европейский Центр имени Лейбница.

На его борту более 155 тысяч ядер и 340 терабайт в запоминающих устройствах. Для отображения сгенерированных объектов используется стереоскопический монитор, с поддержкой разрешения 4К.

Стоимость SuperMUC – около 7 млрд рублей (111 млн. долларов).

IBM Roadrunner Еще одно детище компании IBM. Прародители компьютеров создали ПК для лаборатории города Лос-Алмос, штат Нью-Мексико. Первый запуск ПК был осуществлен в 2008 году.

На тот момент, максимальная производительность «Дорожного бегуна» составила 1,03 петафлопс, хотя создатели рассчитывали на показатели, близкие к 1,7. Даже показатель в 1,03 стал самым высоким в 2008 году.

После небольших доработок и улучшений, спустя всего полгода, «Roadrunner» смог перешагнуть отметку в 1,5 петафлопса, установив наивысшую планку для своего времени.

Рис. 1 IBM Roadrunner

К сожалению, проработал он всего несколько лет. В 2013 году он был заменен на «Cielo», который оказался менее энергозатратным и малогабаритным.

Сейчас «Roadrunner» находится на военной базе США, где контролирует ядерный потенциал страны.

Trinity. Еще один блюститель порядка на ядерных базах США, который, к сожалению, так и не заработал. На этот суперкомпьютер было потрачено 174 млн. долларов, а построили его в лабораториях Лос-Аламоса и Сандии.

Его место, в данный момент, уверенно занимает «Roadrunner». Вычислительная мощность компьютера – 43.9 петафлопс.

Sequoia Blue Gene/Q Информация о характеристиках данного компьютера строго засекречена. Всего 3 года назад его называли самым быстрым.

Скорость работы равна 20 петафлопс. Этот «аппарат» является очередной разработкой, связанной с контролем ядерного вооружения США, но это не единственное его применение.

В 2012 году Blue Gene/Q был внедрен в академию Эрнеста Лоуренса, город Ливермор, где с ее помощью проводились изучения в сфере климата, астрономии, генома человека и ядерного оружия. Сейчас компьютер поддерживает работу с научными приложениями.

ASC Purple, Blue Gene/L Мощный компьютер, как видно из названия, состоит из двух суперкомпьютеров – «ASC Purple» и «Blue Gene/L», общей стоимостью 290 млн $.

Система была создана по заказу Министерства энергетики США фирмой IBM, для симуляции проведения ядерных испытаний. Компьютер самостоятельно изучал плотность атмосферы, а также сопутствующие факторы и давал прогнозы о ходе глобального потепления.

Sieraa, Summit. Снова пара компьютеров, способных выдать результат обработки со скоростью 400 петафлопс. Данные модели были созданы для обеспечения безопасности экономики и ядерной программы США. На их создание ушло более 325 миллионов долларов.

Машина поступила в работу в 2017 году и до сих пор занимает одно из ведущих мест по быстродействию. Данное детище IBM смогло заменить «Titan», проводивший тестирование новейших научных исследований.

Earth Simulator Был внедрен в 2002 году, стоимость создания – 500 миллионов долларов. Спроектирован агентством аэрокосмических исследований для изучения геофизики и глобального потепления. Считался самым мощным в то время.

Состоит из множества системных блоков, стоящих рядом, и имеет защиту от землетрясений.  

Fujitsu K. Компьютер проводит работу с физико-химическими исследованиями. Его постройка обошлась в 1,2 миллиарда долларов. Запуск работы – 2011 год, а скорость обработки данных – 11 петафлопс.

На этот ПК ежегодно тратятся 10 миллионов долларов, а энергопотребление равно 10 тысячам домов в Японии.

Titan. Данный ПК введен в работу в 2012 году и стал обновлением суперкомпьютера «Ягуар».

На его борту 18 тысяч процессоров «AMD Opteron» с 16-ью ядрами в каждом, 18 тысяч графических процессоров NVIDIA Tesla, 710 Терабайт ОЗУ и 40 Петабайт ПЗУ. Пиковая производительность ПК – 27 петафлопс. С июня 2016 года занимает 3 место в топ-500 суперкомпьютеров.

Тяньхэ-2, «Млечный путь» Компьютер создавало более 1000 инженеров и ученых. Сумма, потраченная на создание – около 400 миллионов долларов.

Система разработана в Китае университетом обороны по заказу правительственных органов. Расположена в городе Гуанчжоу.

Скорость работы – 33 петафлопс. Информация, которую он обрабатывает в течении часа, может быть изучена людьми в течение 1000 лет. Этот компьютер моделирует различные приложения в сфере безопасности «поднебесной».

Самый дорогой игровой компьютер HyperPC CONCEPT 8. Данный ПК можно назвать лучшим на отечественном рынке, а его стоимость составит 1,5 миллиона рублей.

За эти деньги пользователь получит: 28-ядерный процессор Xeon W3175-X от Intel, с частотой до 4.3 Ггц. Материнскую плату Asus «Dominus Extreme». 2 видеокарты NVIDIA «Titan» поколения RTX. 12 планок ОЗУ «HYPER X Predator» общим объемом в 128 Гигабайт. SSD накопитель, объемом 2 ТБ. 2 жестких диска Seagate «IronWolf», объемом 12 Тб каждый. Блок питания Corsair HX1200i на 1200 ватт. Водяное охлаждение для видеокарты и процессора. Жидкий металл, для лучшей теплопередачи.

Глава 3. Конфигурация современного бюджетного ПК

Офисные компьютеры должны обеспечивать не только высокую мощность для возлагаемых на них задач, но и придерживаться приемлемой стоимости. Собираем недорогой ПК для простых задач.

Вполне можно обойтись простейшей сборкой, которой будет достаточно для работы в офисных приложениях, для изучения сайтов и просмотра фильмов, связи по Skype и прочих популярных задач. Попробуем собрать компьютер для дома и офиса. Вот, что нам понадобится:

• Процессор
• Кулер
• Материнская плата
• Оперативная память
• Постоянная память
• Корпус

Критерии выбора.

При выборе комплектующих для рабочего ПК необходимо исходить из двух главных параметров: бюджет и достаточная производительность.

Что касается производительности, то компьютер должен обеспечивать хорошее быстродействие при работе с большими документами, таблицами и графиками. Это накладывает серьезные требования к центральному процессору, который должен быть современным, и иметь 2 или 4 ядра.

При работе с текстовой информацией и серфинге в интернете не требуется наличия большого объема оперативной памяти, тем более, что при использовании SSD практически вся информация сбрасывается в быстрый кэш на носителе, а не в оперативную память.

Соответствующая материнская плата также не должна иметь лишних функций, но зато необходимо, чтобы она была надежной и долговечной, за что обычно отвечает материал электролитических конденсаторов. В бюджетных моделях именно они чаще всего являются причиной раннего выхода из строя платы. Среди требований к плате также можно назвать наличие выхода HDMI, чтобы можно было при необходимости подключить компьютер к большому телевизору для трансляции презентаций или просмотра фильма дома.

С требованием по питанию офисного решения справится практически любой блок питания, но он должен обеспечивать надежную работу, малый шум и долговечность. Кроме того, у БП должно быть достаточно коннекторов для подключения жестких дисков, например, 6 колодок для SATA накопителей.

В качестве системного диска лучше иметь твердотельный накопитель (SSD) емкостью 120 Гбайт и выше. Для хранения данных желательно иметь еще HDD хотя-бы на 512 Гбайт. Жесткие диски более надежны и позволяют восстановить данные в случае неожиданного краха системы.

Что качается корпуса, то особых требований к нему нет — он должен быть достаточно удобным не только с точки зрения повседневного использования, например, для подключения флешек на лицевой стороне, но и обслуживания внутренних компонентов ПК, т. е. иметь легкий доступ к комплектующим.

Процессор.

Intel Celeron G4900 идеально вписывается в сборку, по цене и по характеристикам. Ни о каких многопоточных нагрузках, в условиях офисных задач, не может идти и речи. Парочка программ и браузер — основные потребители ресурсов. Поэтому нам важна вычислительная мощность на одно ядро. С эти, традиционно, Intel справляется лучше, чем AMD. Процессор Intel Celeron G4900 Coffee Lake (3100MHz, LGA1151 v2, L3 2048Kb):

• 2-ядерный процессор, Socket LGA1151 v2
• Частота 3100 МГц
• Объем кэша L2/L3: 512 КБ/2048 КБ
• Ядро Coffee Lake

Рис. 2 Процессор Intel Celeron G4900 Coffee Lake

Конкуренты предлагают в этом ценовом сегменте, неплохие продукты. Например, FX-6300 и его модификации. Или же A10-9700. Первый имеет целых 6 ядер и 6 потоков, но не имеет встроенной графики. A10-9700 находится где-то посередине между вышеупомянутыми процессорами, что по цене, что по производительности. Но в отличие от FX, имеет сокет am4.

Рис. 3 Процессор AMD A10-9700 Bristol Ridge (AM4, L2 2048Kb)

Кулер для CPU

При покупке процессора сразу же стоит подумать о системе охлаждения. Так как система не будет находиться под тяжелой нагрузкой, справиться с таким малым количества тепла сможет абсолютно любой кулер.

В идеале — взять боксовую версию процессора, но можно и рассмотреть более дешевые варианты.

Ориентируемся в основном на уровень шума, создаваемый вертушкой, чтобы компьютер не гудел, как паровоз. Например, ID-COOLING DK-01T подходит идеально.

Рис. 4 Кулер для процессора ID-COOLING DK-01T

Материнская плата

Для рабочего или домашнего компьютера не нужны игровые и мультимедийные излишества, поэтому выбораем материнскую плату MSI H310M Pro-VDH PLUS H310 Socket-1151v2. Здесь предусмотрены 2 слота для оперативной памяти DDR4 (для двухканального режима), есть 4 слота для жестких дисков (и SSD), и даже есть 1 разъем для мощной видеокарты PCI-E16x.

На задней стороне корпуса 2 разъема USB3.1, D-Sub, DVI-D, HDMI и разъем для гигабитной сети Glan. Формфактор (размер) материнской платы соответствует стандарту microATX. Материнская плата MSI H310M PRO-VDH PLUS:

• Материнская плата форм-фактора microATX
• Сокет LGA1151 v2
• Чипсет Intel H310
• 2 слота DDR4 DIMM, 2133-2666 МГц

Рис. 5 Материнская плата MSI H310M PRO-VDH PLUS

Полный аналог на сокете am4 — ASRock A320M-HDV R4.0, однако здесь есть большее количество usb-портов (4 на задней панели) и место под установку M.2-накопителя.

Оперативная память

Модуль памяти DIMM 4Gb DDR4 PC19200 2400MHz Crucial (CT4G4DFS824A) можно назвать оптимальным вариантом не только для офисного компьютера, но и для недорогого домашнего игрового ПК. Несмотря на заявленную поддержку 2400 MHz, память без проблем работает и на частотах 3000 MHz.

Рис. 6 Оперативная память 4 ГБ Crucial CT4G4SFS824A

SSD-накопитель

Оптимальным вариантом будет ADATA Ultimate SU650 120Gb (ASU650SS-120GT-R SATA3) 2.5″. Это весьма быстрый и долговечный носитель, который имеет отличные скоростные и ресурсные характеристики, и к тому же почти не нагревается, а значит, выдержит работу в летние жаркие дни.

Рис. 7 Твердотельный накопитель ADATA Ultimate SU650 120GB (retail)

В паре с SSD желательно в корпус установить и обычный 3.5 дюймовый HDD емкостью 1000 Гб. Рекомендуется Western Digital WD Blue 1 TB (WD10EZEX) как недорогой и надежный вариант хранилища данных.

Корпус для офисного ПК

Корпус MicroATX Minitower Crown CMC-401 (CM-PS450office) 450W Black обладает отличным дизайном, большим внутренним объемом для установки комплектующих с хорошей вентиляцией.

В передней части предусмотрены 3 отсека для устройств 5,25 дюйма и 4 слота расширений для 3.5 дюймовых накопителей.

На передней панели имеется планка с 2 портами USB 2.0 и разъемами для наушников и микрофона.

Но самое главное — в нем уже установлен весьма качественный, тихий и надежный блок питания на 450 Вт.

Компьютерный корпус CROWN MICRO CMC-401 450W Black

• Компьютерный корпус Mini-Tower
• Блок питания 450 Вт
• Форм-фактор: ATX, mATX
• Спереди: USB x2, наушн., микр.

Рис. 8 Компьютерный корпус CROWN MICRO CMC-401 450W Black

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вычислительные системы бывают разделимые (включающие несколько ЭВМ, которые способны работать независимо друг от друга) и неразделимые (или многопроцессорные, состоящие из процессоров, каждый из которых может выполнять свои функции только в составе вычислительной системы).

Одним из видов неразделимых вычислительных систем являются кластеры, состоящие из нескольких связанных между собой ЭВМ, которые находятся в едином корпусе или соединены скоростным каналом связи.

Вычислительные системы делят также на однородные и неоднородные. Однородная вычислительная система строится на базе однотипных процессоров или ЭВМ, а неоднородная состоит из ЭВМ или процессоров различных типов.

Выделяют многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы.

В многомашинных вычислительных системах каждый из процессоров имеет свою локальную оперативную память и работает, как правило, под управлением своей операционной системы, а в многопроцессорных системах процессоры работают с общей оперативной памятью под управлением единой операционной системы.

Также выделяют классы параллельных вычислительных систем: SMP (симметричная мультипроцессорная обработка данных – группа процессоров работает с общей памятью), MPP (вычислительная система с массовым параллелизмом – процессоры, число которых практически не ограничено, работают каждый со своей памятью), NUMA (промежуточная архитектура, сочетающая свойства классов SMP и MPP).

Если в состав вычислительных систем кроме цифровых вычислительных машин входят аналоговые вычислительные машины, то она относится к гибридным вычислительным системам. Эти системы обычно используются при моделировании сложных систем, динамических процессов и др., например, при разработке геолого-технологических моделей нефтяных и газовых месторождений, систем управления полётом самолёта.

В 1966 М. Флинн (США) предложил классифицировать вычислительные системы по числу потоков команд и потоков данных. Он выделил 4 класса: SISD (один поток команд – один поток данных), к которому относятся системы с одним процессором; SIMD (один поток команд – много потоков данных), включающий однородные векторные и матричные системы; MISD (много потоков команд – один поток данных); MIMD (много потоков команд – много потоков данных), в котором каждый процессор работает по своей программе и со своими данными. Эта классификация до сих пор актуальна, однако она не позволяет достаточно полно и точно охарактеризовать все виды вычислительных систем (например, потоковые), поэтому попытки более точно систематизировать всё разнообразие вычислительных систем продолжаются.

Например, классификация Базу (США, 1987) основана на последовательном определении принятых при проектировании вычислительных систем решений: уровня параллелизма (данные, команды или задачи), метода реализации алгоритмов (аппаратный или программный), способа параллельного выполнения команд (конвейеризация или одновременное независимое), а также способа управления процессом выполнения команд (синхронный или асинхронный).

Кришнамурти (Индия, 1989) предложил классифицировать вычислительные системы по четырём характеристикам: уровню параллелизма; способу реализации параллелизма (аппаратный или аппаратно-программный), топологии (матрица, линейный массив, тор, дерево, звезда и др.), степени связи процессоров (сильная, слабая, средняя) и механизму взаимодействия процессоров (посредством передачи сообщений, разделяемых переменных или по готовности операндов), способу управления (синхронный, асинхронный, потоком данных).

Важными вехами в развитии вычислительных систем стало создание таких систем, как ILLIAC IV (сдана в эксплуатацию в 1974; матричная, из 64 процессоров), векторно-конвейерные «Cray-1» (1976, США), «Cyber 205» (1981, США), «Cray C90» (1991, США), вычислительная система с массовым параллелизмом «Connection Machine-1» (объединяла 65 536 одноразрядных процессоров, связанных через гиперкуб, 1985), «Cray T3E» (1995) и др.

В СССР выпускались: вычислительные система ПС-2000 (производство с 1981) и ПС-3000 (1984–87), многопроцессорные комплексы «Эльбрус-1» (1980), «Эльбрус-2» (1985).

Самая быстродействующая система в России на середину 2015 – «Ломоносов-2» производства компании «Т-Платформы», установленная в МГУ им. М. В. Ломоносова. Она достигает производительности 1,8 Пфлопс.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Богданов А.В., Корхов В.В., Мареев В.В., Станкова Е.Н. Архитектуры и топологии многопроцессорных вычислительных систем.- М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. - 176 с.

2. Информатика. Учебник. Под общ. ред. А.Н. Данчула М.: Изд-во РАГС, 2014. — 528 с.

3. Гуров В.В. Архитектура микропроцессоров. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. - 273 с.:ил.

4. Гуров В.В. Компоненты и архитектура компьютеров: конспект лекций, 2018.- 104 с.

5. Информатика: Базовый курс / С. В. Симонович и др. -- СПб.: Питер, 2013. -- 640 с.: ил.

6. Основы информатики. Савельев А.Я. М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2017. — 328 с.

7. Нестеров П. В. Микропроцессоры.- М.: Высшая школа, 1984. -104 с.

8. Новиков Ю.В. , Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2018. - 368 с.

9. Новиков Ю.В. Введение в цифровую схемотехнику.- М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2016. - 344 с.:ил.

10. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 5-е изд. (+CD). - СПб.: Питер, 2017. - 844 с: ил.