От мэйнфреймов к мультифреймам

Компьютеры семейства Bull Escala

Всем известно засилье американских и японских фирм на компьютерном рынке. Но старушка Европа тоже может предложить кое-что интересное. Конечно, основное внимание следует обратить на крупнейшие европейские компьютерные компании, такие как Siemens Nixdorf (Германия), Bull (Франция), ICL (Великобритания) и др. Большинство из них выпускали или продолжают выпускать большие универсальные компьютеры или мини-компьютеры собственной разработки с собственными операционными системами. Разработка и производство таких сложных компьютерных систем сами по себе являлются гарантией качества как аппаратной, так и программной продукции такой фирмы.

Французская компания Bull, основанная знаменитым Ф. Бюллем еще в 1932 г., до настоящего времени производит и поставляет известные мэйнфреймы марки DPS c операционной системой GCOS. Она является также одним из крупнейших системных интеграторов в мире. В настоящей статье речь пойдет о компьютерах семейства Escala, выпускаемых этой фирмой.

Серверы Escala

SMP-серверы Escala, с точки зрения, архитектуры представляют, пожалуй, наибольший интерес. Эти серверы ориентированы на применение процессоров PowerPC. Полезно напомнить, что выпуском этих микропроцессоров занимается альянс IBM и Motorola. Первоначально эти микропроцессоры задумывались как массовая продукция, которая могла бы составить конкуренцию микропроцессорам от Intel. К сожалению, этого (по крайней мере на сегодняшний день) достичь не удалось. Во многом это связано и с определенными задержками с выходом новых, более быстродействующих микропроцессоров серии PowerPC. Важным шагом в единоборстве с микропроцессорами Intel может стать ожидаемое появление 64-разрядного микропроцессора PowerPC 620.

Как по числу (до 8), так и по типу используемых микропроцессоров (PowerPC 601/604) серверы Escala относятся к системам среднего класса. Они относительно дешевы и конкурируют с SMP-серверами на базе микропроцессоров Intel Pentium.

По сравнению с более высокопроизводительными микропроцессорами POWER производства компании IBM, в PowerPC ориентация была сделана на однопроцессорную реализацию. Реализация POWER в виде нескольких микросхем требует решения проблемы синхронизации между ними, что затрудняет повышение тактовой частоты. Среди других основных отличий архитектуры PowerPC от POWER укажем на общее упрощение набора команд и добавление встроенной поддержки мультипроцессирования. С целью обеспечения двоичной совместимости с архитектурой POWER относительно редко встречающиеся и удаленные команды в PowerPC перехватываются и эмулируются программно.

Архитектура PowerScale

Фирмой Bull была разработана архитектура PowerScale SMP, которая ориентировалась на 3 поколения микропроцессоров PowerPC 601/604/620. Общее представление об этой архитектуре дает рис. 1. При ее разработке Bull сделала основной упор на эффективность выполнения коммерческих приложений, характеризующихся довольно случайным обращением к оперативной памяти (ОП) и соответственно высокой вероятностью непопадания в кэш. Поэтому особенно важным для Bull стало обеспечение высокой пропускной способности тракта процессор/память и эффективное решение проблемы поддержания когерентности кэш-памяти. Поскольку традиционная общая системная шина SMP-серверов часто становится в этих условиях узким местом, разработчики PowerScale пошли по другому, судя по всему, более перспективному пути.

В PowerScale осталась традиционная шина только для адресов и управления, а для потоков данных применяется неблокирующийся коммутатор. Этот коммутатор имеет 4 порта к двухпроцессорным платам (по одному порту на каждую плату), что и дает ограничение в 8 процессоров на сервер. Коммутатор имеет также 1 порт к подсистеме ввода/вывода и 1 порт к подсистеме ОП. Все соответствующие эти портам магистрали являются 64-разрядными, за исключением 256-разрядного пути от коммутатора к ОП. Всю эту систему магистралей как целое Bull называет "системной шиной" MPB_SysBus.

Вообще следует отметить, что наиболее "продвинутые" из современных SMP-архитектур, например SGI Origin 2000 или HP/Convex SPP 1x00 в SMP-узлах, применяют как раз коммутаторы, а не традиционные системные шины. По сравнению с более распространенной организацией коммутатора, имеющего несколько портов для подсоединения модулей ОП (как это сделано, например, в Convex SPP 1000), в PowerScale имеется один порт для ОП. Это, вероятно, способствует удешевлению коммутатора, однако магистраль, соединяющая коммутатор и подсистему ОП, может стать узким местом системы.

С целью компенсации этого потенциального недостатка подсистема полностью расслоена до уровня строки кэш-памяти (32 байта). Это позволяет ускорить обращения к ОП. Интересно, что PowerScale оптимизирует степень расслоения в зависимости от конкретно установленных плат ОП, меняя уровень расслоения. Более того, PowerScale позволяет комбинировать более высокий и более низкий уровни расслоения. Всего этого программное обеспечение вообще "не видит". Это можно сравнить с некоторыми другими SMP-компьютерами, где для поддержания уровня расслоения приходится покупать ОП слишком большими "порциями".

Коммутатор данных обеспечивает соединения типа "точка-точка". Базовая частота синхронизации в системе равна 75 МГц (для PowerPC 601). "Ширина порта" ЦП равна 8 байт. Они передаются за 1 такт, что дает пиковую производительность 600 Мбайт/с на пересылках ЦП-ОП и ЦП-ЦП (т.е. кэш-кэш). "Ширина порта" ОП составляет 32 байта, но на их передачу в ОП уходит 3 такта, что дает пиковую производительность 800 Мбайт/с. Таким образом, 2 пересылки (из двух разных плат ЦП) в ОП "съедают" всю пропускную способность подсистемы ОП. Параллельно с ними через коммутатор может происходить обмен данными между кэшами разных процессоров. Поэтому коммутатор достигает пиковой пропускной способности 1,4 Гбайт/с. Даже если отсутствуют передачи типа кэш-кэш, пиковая пропускная способность 800 Мбайт/с превосходит аналогичную характеристику всех рассмотренных нами ранее в этой рубрике SMP-серверов других фирм на базе Intel Pentium.

Для обеспечения когерентности кэша используется доработанный Bull, известный протокол MESI, в который включены два новых примитива, поддерживающих работу с коммутатором. Кэш первого уровня встроен в каждый процессор PowerPC и всегда является "подмножеством" кэш-памяти второго уровня. Это гарантирует протокол когерентности. Отметим, что строение кэша первого уровня в PowerPC 601 и 604 различается. В PowerPC 601 используется объединенный 8(!)-канальный частично-асссоциативный кэш с длиной строки 64 байта, а в PowerPC 604 - раздельные 4-канальные частично-ассоциативные кэши для команд и данных с длиной строки 32 байта. Объединенный кэш команд и данных второго уровня является прямоадресуемым и может иметь емкость от 0,5 до 1 Мбайт на ЦП (в будущих версиях планируется достигнуть емкости 4 Мбайт). Для управления при взаимодействии со "внешним миром" кэш второго уровня снабжен специальными тегами.

Конструктивное строение и конфигурации

Конструктивно система Bull Escala спроектирована как традиционный SMP-сервер, в котором платы ЦП, плата ввода/вывода IOD и платы ОП вставляются в слоты системной платы backplane. Платы ОП (до 4 на систему) содержат по 2 или 4 банка. Каждый банк имеет 4 SIMM (используется 60 нс DRAM). Емкость платы ОП может составлять 64, 256 512 или 1024 Мбайт, итого до 2 Гбайт на систему. В подсистеме ОП для обнаружения и коррекции ошибок используются коды ECC.

В таблице 1 приведены основные характеристики конфигураций различных моделей серверов Escala. Все модели можно разделить на 3 группы в зависимости от исполнения - монтируемые в стойку, настольные и минибашенные. Серверы комплектуются процессорами PowerPC 601 c тактовой частотой 75 МГц или PowerPC 604 с тактовой частотой 112 МГц. Оценки производительности SPECint92/fp92 для этих процессоров составляют 94/92 и 152/149, соответственно. В серверах поддерживаются современные промышленные стандарты каналов ввода-вывода F&W SCSI-2, а также SSA. Соотвественно возможна комплектация широким набором ВУ различных типов, в т.ч. дисковыми массивами RAID, 4 и 8-мм НМЛ, CD ROM и др. Стоечные модели комплектуются ВУ c использованием конструктива ящика: бывают, в частности, не только обычные дисковые ящики, но также ящики DAS (для RAID-массивов) и ящики SSA.

Таблица 1. Конфигурация серверов Escala.

Заключение

Серверы Escala работают под управлением ОС AIX 4.1, часть ядра которой, отвечающую за поддержание мультипроцессирования, разработали специалисты Bull совместно с IBM. Использование AIX делает доступным наиболее популярные СУБД Oracle, Informix, Sybase, монитор обработки транзакций Tuxedo, а также большое количество готовых приложений. С нашей точки зрения, высококачественное программное обеспечение Escala является одной из основных привлекательных черт этих систем.

Производительность 8-процессорного сервера Escala на базе PowerPC 601 при обработке транзакций составляет 3513 tpmC, на базе PowerPC 604 - около 4500 tpmC. Последняя величина больше, чем у большинства SMP-серверов на платформе Intel Pentium, хотя Escala и уступает, например, мощным десятипроцессорным серверам компании Unisys. Кроме того, Escala имеют весьма хорошие отношения долл./tpmC. Это связано с довольно низкими ценами серверов Escala.

С целью дальнейшего повышения производительности и увеличения надежности работы Bull предлагает кластерные конфигурации серверов Escala (PowerScale). В кластер можно объединить до 4 стоечных моделей Escala. Они могут поставляться вместе с продуктом ISM (объектно-ориентированные средства интегрированного управления системой, включающие средства обеспечения секретности, мониторинг и управление системой, управление сетью и др.), что в сочетании с Oracle Parallel Server и средствами управления кластером образует некоторое готовое интегральное решение, которое Bull называет мультифрейм. Такие программно-аппаратные комплексы могут поддерживать работу от одной до пяти тысяч пользователей и служить альтернативой мэйнфреймам. Стоимость мультифрейма, обеспечивающего работы тысячи пользователей, составляет 700 тыс. долларов США (т.е. всего 700 долл. на человека).

Хотя серверы Escala могут использоваться в различных областях применения, в Европе наблюдается некоторая тенденция в сторону их использования в первую очередь в государственной сфере. В нашей стране Bull осуществляла поставки своей продукции еще в 70-е годы. В качестве наиболее крупного проекта с применением серверов Escala в России следует упомянуть систему автоматизации федеральной службы налоговой полиции РФ. Реализация таких проектов сама по себе говорит о качестве компании и ее продукции.