входами и
выходами, 
Важнейшим элементом архитектуры любого компьютера, а высокопроизводительных вычислительных систем в особенности, являются средства обмена данными между процессором и оперативной памятью, процессором и другим процессором, процессором и другими устройствами и т.д. Организация внутренних коммуникаций вычислительной системы называется ее топологией. Далее речь идет о многопроцессорных компьютерах, которые в данном контексте принято рассматривать как набор узлов (процессорных элементов, модулей памяти, переключателей) и соединений между узлами.
Приведем несколько определений. Два узла называются соседними, если между ними имеется прямое соединение. Порядком узла называется количество его соседей. Диаметром сети (а речь идет, фактически, о локальных сетях) называется максимальный путь между любыми двумя узлами. Масштабируемость характеризует возрастание сложности соединений при добавлении в конфигурацию новых узлов. Если система обладает высокой степенью масштабируемости, ее сложность будет незначительно изменяться при наращивании системы, неизменным будет и диаметр сети.
Приведем примеры топологий, которые применяются в параллельных вычислительных системах. Распространенной является хорошо масштабируемая топология "гиперкуб" (рис. 5, а - в).
Для адресации узлов в гиперкубе каждому узлу присваивается свой идентификационный номер, при этом двоичные представления идентификационных номеров соседних узлов отличаются одним битом. Алгоритм пересылки сообщения от одного узла к другому в этом случае достаточно простой и основан на побитовом сравнении двоичных представлений идентификационных номеров текущего узла и адресата.
Другим примером топологии является двумерная решетка (рис. 5, г). Это обычная квадратная решетка с граничными соединениями разного рода.
Более сложный тип коммуникации
дается многоступенчатыми соединениями. В этом случае на одном конце соединения
находятся процессоры, а на другом – процессоры или другие узлы. В середине
располагаются переключатели. При передаче данных от узла к узлу переключатели
устанавливаются таким образом, чтобы обеспечить требуемое соединение. Очевидно,
для этого требуется некоторое время - "время установки". Примерами
многоступенчатых соединений являются соединения "бабочка" (рис. 5, д) и "омега".
Эти соединения формируются из переключателей, имеющих 2 входа и 2 выхода. Входы
и выходы коммутируются. Количество переключателей, необходимое для нормальной
работы сети с
входами и
выходами,
Более устойчивую и эффективную работу обеспечивает перекрестное соединение (рис. 5, е). Переключатели динамически конфигурируются так, чтобы обеспечить требуемое соединение. Масштабируемость такого соединения не очень хорошая, так как добавление нового узла требует включения дополнительно 2n-1 переключателей.
а) 1-мерный гиперкуб б) 2-мерный гиперкуб в) 3-мерный гиперкуб
г) плоская решетка д) соединение "бабочка" е) перекрестное соединение
Рис. 5. Топологии коммуникаций вычислительных систем
Важнейшими атрибутами системы коммуникаций являются стратегии управления, переключения и синхронизации. Что касается управления, то здесь можно выделить две альтернативы: централизованное управление единым контроллером (модулем управления) и распределенное управление. Примерами распределенного управления являются работа многоступенчатых соединений, где каждый узел принимает решение, как поступить с поступившим сообщением - оставить его себе или передать соседу. Другой вариант используется, например, в соединениях типа "звезда", где каждое сообщение пересылается в контроллер, который определяет его дальнейшую судьбу.
Синхронизация тоже может быть глобальной, когда синхронизующая последовательность импульсов передается всем узлам вычислительной системы, но может быть и локальной, когда каждый узел имеет свой собственный генератор. Последний вариант называется асинхронной работой. Преимущество глобальной синхронизации, характерной для SIMD машин, заключается в более простой аппаратной и программной реализации, а асинхронные системы, чаще всего это MIMD-компьютеры - более гибкие.
Стратегии переключения тоже бывают двух видов. Во-первых, это пакетное переключение, когда сообщение разбивается на более мелкие пакеты, пересылаемые по сети. Преодолев очередное соединение, пакет попадает на очередной узел, который определяет, куда этот пакет должен быть отправлен и должен ли он быть отправлен вообще. В конце концов пакеты должны прибыть на узел-адресат, причем пути их могут быть разными. На последнем узле пакеты собираются и восстанавливается переданное сообщение. Во-вторых, возможно цепное переключение, когда между отправителем и адресатом создается магистраль, по которой и передается сообщение целиком.
