Главная особенность гибридной архитектуры NUMA (nonuniform memory access) – неоднородный доступ к памяти.
Гибридная архитектура совмещает достоинства систем с общей памятью и относительную дешевизну систем с раздельной памятью. Суть этой архитектуры – в особой организации памяти, а именно: память физически распределена по различным частям системы, но логически она является общей, так что пользователь видит единое адресное пространство. Система построена из однородных базовых модулей (плат), состоящих из небольшого числа процессоров и блока памяти. Модули объединены с помощью высокоскоростного коммутатора. Поддерживается единое адресное пространство, аппаратно поддерживается доступ к удаленной памяти, т.е. к памяти других модулей. При этом доступ к локальной памяти осуществляется в несколько раз быстрее, чем к удаленной. По существу, архитектура NUMA является MPP (массивно-параллельной) архитектурой, где в качестве отдельных вычислительных элементов берутся SMP (cимметричная многопроцессорная архитектура) узлы. Доступ к памяти и обмен данными внутри одного SMP-узла осуществляется через локальную память узла и происходит очень быстро, а к процессорам другого SMP-узла тоже есть доступ, но более медленный и через более сложную систему адресации.
Структурная схема компьютера с гибридной сетью: четыре процессора связываются между собой при помощи кроссбара в рамках одного SMP-узла. Узлы связаны сетью типа "бабочка" (Butterfly):
Рис. 3.3. Структурная схема компьютера с гибридной сетью
Впервые идею гибридной архитектуры предложил Стив Воллох, он воплотил ее в системах серии Exemplar. Вариант Воллоха – система, состоящая из восьми SMP-узлов. Фирма HP купила идею и реализовала на суперкомпьютерах серии SPP. Идею подхватил Сеймур Крей (Seymour R.Cray) и добавил новый элемент – когерентный кэш, создав так называемую архитектуру cc-NUMA (Cache Coherent Non-Uniform Memory Access), которая расшифровывается как "неоднородный доступ к памяти с обеспечением когерентности кэшей". Он ее реализовал на системах типа Origin.
Шина – набор проводников. Как правило, в шину объединяют проводники, передающие сходные по назначению сигналы. Например, по шинам передаются в параллельном коде машинные слова: так в архитектуре вычислительных систем выделяют шину данных, шину команд, шину адреса, и т.п.
Общая шина – шина, сигналы на которую могут выдавать несколько устройств. Общая шина характеризуется тем, что к ней подключено несколько источников сигналов (драйверов) и для обеспечения правильного функционирования, а часто и физической целости системы, необходимо, чтобы в каждый момент времени на шину работал только один источник сигнала, а остальные источники находились в неактивном состоянии. Это достигается использованием специальных логических элементов с тремя состояниями (tri‑state outputs) и соответствующим управлением. К состояниям выхода «0» и «1» добавляется состояние «Z», в котором выход элемента отключен и от «0» и от «1», то есть в котором устройство не влияет на состояние сигналов общей шины. Буфер с тремя состояниями часто называют шинным формирователем.
Подключенные к общей шине устройства совместно или с помощью специального устройства – арбитра определяют очередность доступа к общей шине. Если два устройства будут выдавать на шину свои сигналы одновременно, может возникнуть конфликт. Так, если одно устройство выдает на шину «1», а другое – «0», то по шине потечет ток короткого замыкания, от «1» к «0», который может разрушить проводники шины или выходные усилители одного из устройств.
Поскольку устройства реагируют на сигналы, предоставляющие доступ к шине, не мгновенно, а с некоторой (в общем - случайной) задержкой, то в предоставлении устройствам доступа к шине всегда предусматривают паузы так, чтобы предыдущее устройство успело отключиться от шины, а следующее подключилось лишь после этого.
Другой распространенный вариант подключения нескольких источников сигналов к шине – использование мультиплексоров. В этом случае обеспечивается логическая коммутация сигналов. Мультиплексирование обеспечивает физическую целость устройства даже при неправильном управлении.
В логическом массиве СБИС ПЛ фирмы Altera отсутствуют внутренние шины с тремя состояниями (трехстабильные) и компилятор автоматически заменяет общую шину с трехстабильными элементами на шину с мультиплексированием сигналов. Трехстабильные буферы ввода/вывода СБИС ПЛ позволяют физически подключаться к внешним общим шинам. САПР Quartus при логическом синтезе не позволяет избежать конфликтов на выводах СБИС ПЛ, поскольку не имеет информации о внешних устройствах, подключенных к выводам. Однако при моделировании выявляются конфликты на выводах СБИС ПЛ, обусловленные подачей недопустимых внешних воздействий.
Рис. 3.3. Структурная схема компьютера с гибридной сетью