Рабочие станции, серверы и суперсерверы

Создание RISC-процессоров и микросхем памяти с большой емкостью привело к окончательному оформлению настольных систем высокой производительности, которые сегодня известны как рабочие станции. Первоначальная ориентация рабочих станций на профессиональных пользователей (в отличие от ПК, которые вначале ориентировались на самого широкого потребителя-непрофессиона­ла) привела к тому, что сейчас рабочие станции – хорошо сбалансированные системы, в которых высокое быстродействие сочетается с большим объемом оперативной и внешней памяти, высокопроизводительными внутренними магистралями, высококачественной и быстродействующей графической подсисте­мой и разнообразными устройствами ввода-вывода. Это свойство, хорошая сбалансированность, выгодно отличает рабочие станции среднего и высокого классов от ПК.

В литературе существует неоднозначность в определении термина «рабочая станция». Совсем недавно под рабочей станцией понимался любой терминал (в том числе и персональный компьютер), работающий в вычислительной сети и с помощью которого пользователь может использовать ресурсы вычислительной техники, объединенные в сеть.

В современном представлении принадлежность к сети не является единственным признаком рабочей станции. Сама станция – особый вид компьютера, имеющий очень много общего с ПК, в то же время существенно отличающийся от них. Основная сфера применения рабочих станций – области, требующие большого количества вычислений, и управление высококачественной графикой. Это, прежде всего, системы автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированные системы научных исследо­ваний (АСНИ), а также системы автоматизации разработки программного обеспечения.

Если ПК очень эффективны для использования в различных экономических приложениях (бухгалтерии, торгово-промышлен­ные фирмы и другие аналогичные организации), а также как бытовые компьютеры, то применение их для указанных выше приложений (САПР, АСНИ) малоэффективно, поскольку рабочие станции имеют значительно большую мощность, а также периферию с повышенными техническими характеристиками.

Тем не менее, быстрый рост производительности ПК на базе новейших МП Intel в сочетании с резким снижением цен на эти изделия и развитием технологии локальных шин, позволяющей устранить многие «узкие места» в структуре ПК, делают современные ПК весьма привлекательной альтернативой рабочим станциям. В свою очередь производители рабочих станций создали изделия так называемого «начального уровня», по стоимостным характеристикам близкие к производительным ПК, но все еще сохраняющие лидерство по производительности и возможностям наращивания. Все это привело к понятию «персональная рабочая станция», которое объединяет эти два направления.

Пять фирм США производят около 90 % рабочих станций. До середины 90-х годов прошлого столетия (и тысячелетия) рынок рабочих станций (которые активно используются и в настоящее время) выглядел следующим образом:

1) Sun Microsystem, на базе разработанного этой фирмой 64-разрядного RISС МП SPARC (Scalable Processor Architecture) выпускала рабочие станции с аналогичным наименованием. Разработанный этой фирмой МП Ultra SPARC III (1997 – 1998 гг.) имел тактовую частоту 600 МГц и быстродействие 600 – 700 MIPS
(32-разрядный МП Pentium 66 выпуска этого года имел быстродействие 25 – 100 MIPS). Sun занимала около 30 % мирового рынка рабочих станций;

2) Hewlett – Packard (HP), на базе 64-разрядного МП RISC собственной разработки (начальная серия РA 8000, с тактовой частотой 500 ÷ 560 MГц) выпускала рабочие станции серии HP 8000 (9000). Следует отметить, что эта фирма и фирма Intel разрабатывают МП PA-RISC (IA-64), совместимый с процессорами Intel. НР занимает 22,6 % мирового рынка рабочих станций;

3) IBM – на базе 64-разрядного RISC МП POWER (Performance Optimization With Enhanced Risс) выпускает рабочие станции RS/6000 (на основе которых эта же фирма производит суперкомпьютеры PS). Начальные варианты этого процессора POWER II оформлялись в виде восьми микросхем, объединяющих порядка 23 млн транзисторов на площадке 1217 мм². Эволюция этих процессоров в направлении малых систем привела к однокристальному процессору POWER PC. Этот же процессор использует фирма Apple для своих персональных рабочих станций. IBM занимает 16,1 % рынка рабочих станций;

4) разработанные фирмой DEC Alpha-станции, рабочие станции на основе 64-разрядного процессора RISC МП Alpha. МП Alpha – первый на рынке однокристальных 64-разрядных процессоров и до 90-х годов самый мощный процессор. Производи­тель­ность процессора 21164 (1994 г.) с тактовой частотой 300 МГц оценивалась как 1200 MIPS. Эти процессоры фирма Cray Research Inc использовала в своих суперкомпьютерах. Слабое место этого МП – соотношение цена-производительность. Эти рабочие станции занимают 10,9 % мирового рынка;

5) Silicon Graphics Computer System (SGCS) – ведущий производитель рабочих станций для геоинформационных систем, использует 64-разрядные RISC МП фирмы MIPS, один из процессоров которой имеет производительность около 800 MIPS. До 90-х годов занимала 10,2 % мирового рынка рабочих станций.

Таким образом, практически до 2000 г. рынок был поделен между компьютерной техникой на основе процессоров Intelх86 (и их аналогов) и производительными, но дорогими рабочими станциями на различных RISC-архитектурах.

С ростом популярности высокопроизводительных процессоров на основе архитектуры Intelх86 параллельно со снижением их цены сложилась ситуация, в которой доля рынка на основе «настоящих» RISC-архитектур сократилась до нерентабельного уровня, что привело к окончательному смещению приоритетов разработчиков этих архитектур в сторону серверов и суперкомпьютеров. Многие из перечисленных архитектур остановились в своем развитии и их исчезновение – дело времени. Так, прекратилась разработка DEC Alpha, MIPS и фактически HP PARISC. IBM POWER позиционирует на рынок дорогих высокопроизводительных серверов. Наибольшие перспективы широкого использования имеет МП Itanium, совместной разработки Intel и HP.

Сервер – компьютер, обеспечивающий обслуживание пользователей сети: разделяемый доступ к процессорам, дискам, файлам, принтеру, системе электронной почты и т.д. Этот класс компьютеров имеет ряд специфических особенностей. Прежде всего, это связано с необходимостью обеспечения высокоэффективного многопользовательского и многозадачного режима: высокая производительность, надежность, дублирование, резервирование дисков, их повышенная емкость и т.д. В то же время требования к мониторам невысоки, так как эти компьютеры, как правило, не используются в качестве персональных станций, а являются компьютерами коллективного пользования, регламентирующими работу вычислительных сетей и предоставляющие свой ресурс конечным пользователям. Серверы и рабочие станции производились одними и теми же фирмы. Однако и в этом разделе вычислительной техники, в связи с указанными выше причинами, произошли серьезные изменения.

Стремительное увеличение ресурсов массовых ПК, появление 64-разрядных процессоров для них (AMD-Athlon, Operton и Intel-Xeon) привели не только к постепенному вытеснению с рынка рабочих станций традиционных МП RISC-архитектур, перечисленных выше, но и к появлению серверов так называемого младшего уровня, ориентированных на эти МП, 2- – 4-процессорные модели. Серверы младшего уровня присутствуют в модельных рядах всех крупнейших компаний, производителей серверных решений Fujitsu-Siemens, Dell, HP, IBM, Sun. Поставляемая этими фирмами продукция содержит узлы, изготавливаемые, как правило, самими фирмами самостоятельно. Огромный опыт проектирования серверных решений и фирменные технологии позволяют этим компаниям создать гораздо более совершенные устройства в сравнении с моделями на базе готовых платформ, однако они заметно дороже.

Так, фирма НР под торговой маркой Proliant выпустила к 2005 г. 10 млн 2- – 4-процессорных серверов на базе МП как Intel, так и AMD.

Фирма IBM поставляет серверы нижнего уровня под маркой Server x Series. Однопроцессорные серверы используют МП Pentium 4, двух- и четырехпроцессорные модели используют МП Xeon. Sun поставляет подобные серверы под маркой Sun Fire на базе МП AMD Operton – двух- и четырехпроцессорные модели, иногда применяются для таких серверов и фирменные МП Sun.

Весьма перспективным считается направление разработки серверов на базе готовых платформ. Платформой принято называть сочетание корпуса и системной платы (иногда к ним добавляется блок питания, шасси для дисков и другие элементы). Использование таких платформ имеет огромные преимущества как с технической, так и с маркетинговой точки зрения. Использование стандартных платформ делает создание сервера столь же простым, как и сборка обычного ПК, что позволяет даже небольшим компаниям пополнить модельный ряд серверов младшего уровня. Изготовители платформ имеют большую свободу при проектировании, могут принимать нестандартные компоновочные решения. Очевидны и маркетинговые преимущества – цена платформы будет ниже, чем стоимость купленных по отдельности системной платы и корпуса. Именно по этому пути идут многие российские компании – их модельные ряды фактически представляют собой аналог продуктов модельного ряда того или иного изготовителя платформ, выпущенной на рынок под собственной торговой маркой. Среди изготовителей платформ фигурируют такие известные фирмы, как
ASUSTeK Computer Inc., Intel, MSU.

Успешное развитие серверов младшего уровня свидетельствует о том, что, несмотря на то, что уровень технического прогресса определяют самые современные и высокопроизводительные устройства, к которым приковано всеобщее внимание, успехи рынка зависят вовсе не от них – им принадлежит лишь незначительная доля рынка, основную же прибыль компании-изготовители получают от массовых устройств. Именно с этим связано то, что крупнейшие изготовители высокопроизводительных, «тяжелых», UNIX-серве­ров включились в производство серверов младшего уровня. Это вовсе не означает, что эти компании прекратили дальнейшее совершенствование своих традиционных высокоуровневых серверов. К этим компаниям относятся, прежде всего, HP, IBM, и Sun, у каждой из которых имеются свои подходы при реализации высокопроизводительных устройств. Общим является использование «классических» RISC-процессоров собственной разработки, изначально предназначенных для однопроцессорных рабочих станций. Постоянное совершенствование этих процессоров – переход от 32-раз­рядных на 64-разрядные, иерархия кэш-памяти и интеграция ее в процессоре, появление двухъядерных и многоядерных процессоров. UNIX-сервер – это многопроцессорная система, количество процессоров не меньше восьми, но может доходить до нескольких сотен. По производительности такой сервер эквивалентен мейнфрейму и приближается к границам суперкомпьютеров.

Особенности разработки высокопроизводительных серверов перечисленными выше фирмами, заключаются в следующем.

НР.В 2005 – 2006 гг. НР вступила в завершающую стадию перевода «тяжелых» серверов со своей традиционной архитектуры РА-RISC на архитектуру IA 64 (Itanium 2 – по заказу фирмы Intel). Серверы на процессорах Alpha заканчивают свое существование. Это свидетельствует о том, что даже такой мощной фирме, как Hewlett-Packard, сложно поддерживать одновременно два процессора. Хотя пока компания одновременно с новыми Itanium-серверами Integrity продолжает выпускать свои традиционные модели НР9000. Традиционные серверы разделяются на серверы начального уровня, включающие от четырех до восьми процессоров РА8900, оперативную память от 32 до 128 Гбайт, имеющие симметричную многопроцессорную архитектуру (SMP), серверы среднего уровня –
16- – 32-процессорные серверы на процессорах РА8900; суперкомпьютеры НР9000 Superdome с количеством процессоров до 128 и оперативной памятью 1 Тбайт. Серверы НР на базе процессора Itanium, которые обозначаются как HP Integrity, имеют такие же градации и примерно одинаковые с описанными выше традиционными НР-серверами характеристики.

Платформа IBM POWER. Платформа развивается с 1990 г., когда было разработано семейство высокопроизводительных рабочих станций RS6000, ныне известных как e Server p Series. За прошедшее время прошло шесть поколений MP POWER (от POWER1 до POWER6). В последних процессорах произошла интеграции функций, для исполнения которых ранее применялись отдельные микросхемы, кроме размещения двух уровней кэш в кристалл был встроен контроллер оперативной памяти. Благодаря новым технологическим решениям появилась возможность строить решения с многоядерной архитектурой. Уже в 2001 г. IBM интегрирована на одном кристалле два 64-разрядных процессорных ядра, что позволило на старших серверах IBM получить вдвое повышенную производительность. Процессор POWER в 2006 г. был рекордсменом по числу выходных контактов – 3181. Фирма IBM выпускает широкий спектр серверов, имеющих модульную структуру.

Серверы RISC/UNIX платформы Sun SPARC связаны с появлением в 1989 г. первой массовой рабочей станции SPARCStation1. В 1991 г. появился первый сервер Sun-SPARC server 600 МР. Развитие SPARC-платформы связано с тремя компаниями: Sun Microsystem, Fujitsu и Texas Instruments.

Первые две занимаются разработкой и совершенствованием архитектуры SPARC, последняя изготавливает процессоры.

Будущее SPARC с двумя процессорами нового поколения Niagara и Rock. Niagara, выпущенная в 2006 году по технологии 90 НМ, включает в себя восемь самостоятельных ядер на кристалл. Кроме этого высокая степень интеграции позволит разместить в кристалле контроллер памяти и четыре контроллера Gigabit Ethernet. Проект Niagara принципиально однопроцессорное решение для построения SMP-систем.

Микропроцессор Rock (планируется к выпуску во второй половине 2008 г.), представляет собой дальнейшее развитие идей, реализованных в проекте Niagara.

Для очень больших сетей (сотни и более компьютеров рабочих станций) используются мощные многопроцессорные серверы с возможностями наращивания ОП, дискового пространства, быстрым интерфейсом дискового обмена (FAST SCSI и т.п.), несколькими сетевыми интерфейсами. Серверы подобного рода получили название суперсерверы. По уровню общесистемной производительности, функциональным возможностям отдельных компонентов, отказоустойчивости, поддержке многопроцессорной обработки и т.д. суперсерверы вышли на уровень мейнфреймов и мощных миникомпьютеров.