Ю.С. Богачев¹, Ю.С. Затуливетер²,

Ю.А. Попов, В.И. Чучкин

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

¹Международный научно–технологический парк "Технопарк в Москворечье"

²Институт проблем управления РАН

Пути решения программируемого метАкомпьютинга в новой компьютерной парадигме

В работе сформулирована актуальная задача проектирования, имеющая определяющее значение для развития глобальной компьтерной сети; выработан и обоснован технологический способ ее решения. Данный проект впервые представлен Международным научно-технологическим парком "Технопарк в Москворечье" на международной конференции в Санкт-Петербурге в 2002 г. [1].

Глобальный кризис компьютерной парадигмы [2, 3]

Неограниченные функциональные возможности сотен миллионов универсальных компьютеров Сети остаются невостребованными, поскольку полномасштабный программируемый метакомпьютинг в Сети пока невозможен.

Причины многообразны – непригодность сложившихся технологий к программированию глобально-распределённых вычислений в существенно недетерминированной компьютерной среде, не обладающей свойствами целостного, универсально программируемого метакомпьютера, нерешённость проблем защиты информации в ресурсах компьютеров, вовлекаемых в программируемый метакомпьютинг и др.. Как показали исследования, помимо этих широко осознанных причин системного и технологического характера, имеются фундаментальные, связанные с неприменимостью первой (нынешней) парадигмы последовательного машинного счёта в модели Дж. фон Неймана в качестве системообразующей основы глобально-распределённого счёта.

Парадигма последовательного счёта стала теоретической основой компьютерной индустрии в конкурентной борьбе с многими, более сложными моделями компьютерного счёта. Архитекторы и программисты получили предельно простую в реализации систему правил универсального счёта. Благодаря уникальному сочетанию простоты правил с их высокой практической значимостью она закрепила своё превосходство в многомиллионных тиражах микропроцессоров, ставших предельным её воплощением и составившими основу первого этапа компьютерной революции. Главное его завоевание – многомиллионные тиражи компьютеров и программ, формирование массового компьютеростроения, нового и высокодоходного сектора мирового рынка. Победившая в условиях массовых тиражей модель последовательного счёта сумела справиться и со вторым этапом компьютерной революции, в результате которого де-факто появилась Сеть, давшая глобализацию пространства компьютерной информации (данных и программ), но не сумевшая обеспечить основ автоматического универсально- программируемого счёта в глобальной компьютерной среде.

Исследование феномена компьютерной информации в глобальной компьютерной среде показывает, что десятилетие Сети завершается многими свидетельствами несоответствия нынешней аксиоматики последовательного машинного счёта нарастающим требованиям интеграции компьютерной информации и глобально-распределённых информационно- вычислительных процессов. Напрашивается следующий вывод: системообразующий потенциал первой компьютерной парадигмы исчерпан. Задача интеграции глобальной компьютерной среды в универсально- программируемый метакомпьютер, составляющая основу третьего этапа компьютерной революции, не может быть решена в рамках ныне действующей модели машинного счёта.

В рамках классической аксиоматики машинного счёта программисты получили возможность для неограниченного воспроизводства избыточных и трудно совместимых форм представления одних и тех же структур данных. Теоретически каждый программист имеет право и возможность строить своё собственное информационное пространство. Ранее, во времена очень ограниченных вычислительных ресурсов, это способствовало эффективности получаемых программных реализаций, предельно приспосабливаемых и к специфике задач, и вычислительных ресурсов. Цена такой эффективности – крайне низкая совместимость и переносимость программных решений. В дальнейшем, компьютерная индустрия, по мере развития технологий производства компьютерных компонентов, добивалась мобильности программных решений за счёт наращивания числа этажей громоздких (внешних относительно базовой модели) программных надстроек и конкурирующих корпоративно- ведомственных стандартов компьютерной информации.

В глобальной компьютерной среде WWW многоэтажные программные надстройки над классической моделью создают системно-деструктивный эффект «информационного шума», в условиях которого полномасштабные реализации программируемого метакомпьютинга невозможны.

Пути разрешения компьютерного кризиса

Опираясь на опыт Ю.С. Затуливетер – один из авторов отечественного мультипроцессора ПС-2000, Ю.А. Попов – научный руководитель от МИФИ ряда договорных работ с ФГУП "НПО "Агат" по созданию управляющих цифровых вычислительных систем с аппаратной реализацией языков высокого уровня [5], В.И. Чучкин – главный конструктор системы коллективного пользования ЭВМ) [6], считают своевременным и технологически реализуемым в наших условиях опережающий переход к новой парадигме глобально-распределенных вычислений, которая дает адекватную теоретическую основу программируемого метакомпьютинга [3]. Она позволит на доступных и недорогих технологиях, лежащих в основе многомиллионных тиражей компьютеров, кардинально улучшить общесистемные характеристики компьютерных решений в ресурсах Сети.

Основой новой парадигмы является математическая регламентация универсальной формы представления и способов обработки структурированной информации в форме исчисления древовидных структур [4]. Она не ведёт к чрезмерным усложнениям компьютерной аксиоматики и допускает конкурентоспособные программные реализации в сложившейся компьютерной среде. Данный подход в направлении к новой парадигме машинных вычислений, базируется на компьютерной информации в качестве единой и универсальной системообразующей категории. Новая модель даёт универсальную форму представления и основу обработки компьютерной информации в едином математически однородном поле программ и данных. Новая парадигма станет доминирующей по мере широкого применения программируемого метакомпьютинга в ресурсах глобальной компьютерной среды.

Особенности нового подхода

Характерное отличие предлагаемого подхода к решению проблем программируемого метакомпьютинга состоит в том, что он основан на фундаментальных свойствах компьютерной информации. Новизна начинается с изменений в логических основах компьютерного счёта, которые осуществляются путём минимальной коррекции классической аксиоматики, устраняющей причины воспроизводства информационного шума. Новая модель вычислений выражена исчислением древовидных структур [4, 7]. Она реализует парадигму единого, математически однородного поля компьютерной информации. В этом высокоорганизованном (вполне структурированном) поле представления программ и данных в глобальной компьютерной среде на регулярной основе обеспечиваются необходимые предпосылки и для произвольных композиций компьютерных функций, и для интеграции компьютерных решений.

Преимущества нового подхода

Поскольку предлагаемый подход основан на фундаментальных (потому единых и равно обязательных) свойствах компьютерной информации, то открываются кратчайшие пути к полномасштабной реализации программируемого метакомпьютинга минимальными затратами средств и времени. Он не вступает в противоречие ни с одним и существующих подходов. Скорее, является основой интеграции высших достижений в каждом из них.

Проект продвижение нового подхода

Для продвижения нового подхода требуется разработка инструментария программирования первой очереди и его апробация на реальных задачах с повышенными требованиями к объёмам данных и вычислений.

Одной из перспективных областей эффективного использования новых инструментальных средств могут стать задачи физики высоких энергий, связанные с разработкой и проведением экспериментов на ускорителях новых поколений [8]. В таких проектах объёмы экспериментальных данных, размещаемых в сетевых ресурсах с сотнями и тысячами компьютеров, уже достигли 500 Тбайт, а число участников процессов распределённой и высокопроизводительной обработки данных - сотен специалистов (Проект BaBar). Разрабатываются новые проекты (LHC, CERN), которые дадут на порядок большие объёмы экспериментальных данных (15 Пбайт), а число участников распределённой обработки собранных данных достигнет нескольких тысяч.

Для решения таких задач используются существующие Grid-технологии, разрабатываются их новые модификации (как в части распределённой обработки данных, так и в части распрёделённого хранения сверхбольших объёмов данных).

Предварительный анализ показал, что при определённых условиях, предлагаемый подход к организации регулярно программируемых распределённых вычислений в математически однородном поле компьютерной информации может органично вписаться в задачи компьютерной обработки данных, стоящие в этой сфере перед Grid-технологиями.

Успешная апробация программируемого метакомпьютинга на задачах этой области, предъявляющей рекордные требования к компьютерным средствам распределённой обработки данных, станет прочной основой для последующих этапов расширения сфер действия нового подхода на всю Сеть. Сеть сможет работать в режиме универсально-программируемого метакомпьютера только в едином, математически однородном и высокоорганизованном поле компьютерной информации.

Список литературы

1. Zatuliveter Yu. S., Popov Yu.A., Chuchkin V.I. Problem of Development of Specialized Computers for Global Computer Environment. International Conference " Shock Waves in Condensed Matters", Saint-Petersburg, Russia, 1- 6 September 2002, pp. 189 – 191, Saint- Petersburg, 2002.

2. Затуливетер Ю.С. Информация и эволюционное моделирование. Труды Международной конференции "Идентификация систем и задачи управления", SICPRO`2000, Москва, 26-28 сентября 2000г, Институт проблем управления РАН, с.1529-1573 (http://zvt.hotbox.ru).

3. Затуливетер Ю.С. Программируемый метакомпьютинг в математически однородном поле компьютерной информации. Электронные библиотеки: перспективные методы и технологии, электронные коллекции. Труды Четвертой Всероссийской научной конференции RCDL`2002 (Дубна, 15-17 октября, 2002г.). В двух томах. –Дубна, ОИЯИ, 2002, Т2., с.105-116..

4. Затуливетер Ю.С., Халатян Т.Г. ПАРСЕК - язык компьютерного исчисления древовидных структур с открытой интерпретацией. Стендовый вариант системы программирования. -М., 1997 (Препринт/Институт проблем управления РАН), 71с.

5. Степанов А.Н., Попов Ю.А. Об одном способе реализации схем синтаксически – управляемого перевода. "Программирование", №4, 1985, сс. 54- 62.

6. Васильков В.В., Чучкин В.И. Опыт проектирования аппаратно – программных средств СКП ЭВМ технического вуза. В сб. "Проектирование и создание многомашинных и многопроцессорных систем реального времени", Труды семинара МДНТП, М.МДНТП, 1987 г., сс 10 –17

7. Затуливетер Ю.С. К единому полю компьютерной информации в концепции исчисления древовидных структур. Труды института проблем управления РАН. Том XVIII. М.: Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова, 2002. С.113-126..

8. Кореньков В., Тихоненко Е. Организация вычислений в научных областях. Открытые системы, № 2, 2001. (http://www.osp.ru/os/2001/02/030.htm)