Profesionální počítače, výkonné výpočetní systémy, RISC

Tématem tohoto čísla PC WORLDu jsou profesionální počítače
a výkonné výpočetní systémy. Profesionálními počítači se zde
rozumí cokoliv schopného poskytovat výpočetní služby nad rámec
možností běžného osobního počítače - ale to je samozřejmě velmi
pružná definice. Patří sem sálové počítače, superpočítače či
tzv. mainframy, důležitější je ovšem svět komornějších pracovních
stanic, které jsou přece jen v dosahu většího množství uživatelů.



Všechny tyto počítače se od běžných PC odlišují výkonem, ale
i rozšiřovatelností, operačními systémy, a v první řadě také
cenou. V tomto článku si připomeneme primární důvody jejich
nasazení, jednotlivé rodiny produktů a klíčové výrobce a cesty,
jimiž se dnes ubírají či v nejbližší době hodlají ubírat. Ve
většině případů se ovšem jedná o náročná řešení, vyžadující
pravidelnou práci dedikovaného správce, který je dnes možná
nejhůře sehnatelnou devizou. Určitě je ale vlastní rozhodování
o pořízení toho či onoho řešení velmi obtížné, většinou je
rozhodující dostatečnost jeho softwarové části a žádný obecný
článek vám tady nemůže pomoci.

Svět PC je přes svou rozmanitost vlastně prostý. Uživatel,
kdykoli se svým počítačovým vybavením narazí na nějaké meze jeho
možností, prostě si koupí výkonnější počítač nebo si jej dovybaví
chybějícími periferiemi. Tento proces má ale značné limitace.
Procesory používané v PC jsou dostupné jen v poměrně omezené
výkonnostní škále, totéž platí o rozšiřování interních sběrnic
bez podstatného dopadu na výkon a spolehlivost PC. Největší
brzdou však může být vlastní operační systém, a tak zde nemluvíme
o tak triviálních obtížích, jako je jednouživatelnost DOSu či
jeho neschopnost nabízet stabilní běh více aplikací, nebo prostě
nemožnost důsledně využít velikou paměť a vícero procesorů.
Přechod na něco nadřazeného běžnému "personálnímu počítači" je
zpočátku jednoduchý. Řada výrobců PC dnes nabízí modely
charakterizované jako workstation, což je označení dříve
jednoznačně chápané jako počítač vybavený riscovým procesorem
a nějakou formou operačního systému UNIX. Tyto modely jsou nyní
ovšem postaveny na jednom či dvou procesorech Intel Pentium II
a Windows NT. A to je oblast, kde je dnes vývoj nejvýraznější.

Windows NT & UNIX

Motorem je tu především vývoj Windows NT 4.0, jež firma Microsoft
postavila na nové architektuře, plně 32bitové, se separovanými
aplikačními adresovými prostory a omezenou podporou více
procesorů. Bylo by závažnou chybou jej chápat jen jako vylepšenou
verzi Windows 95 či verzi předcházející Windows 98, která
s novými uživatelskými službami představují mix architektur,
a Microsoft samotný nezastírá, že v budoucnosti (po premiéře
Windows NT 5.0 s plug-and-play) můžeme očekávat existenci jen
personální a plné verze Windows NT, jako vyhovujícího řešení pro
všechny uživatele.
Už dnes můžeme vidět, jak se přes bolestivou instalaci
libovolného hardwaru (a nenechte si nic nalhávat) začínají
Windows NT prosazovat i v kancelářích, jež obecně nejsou těmi
nejnáročnějšími uživateli. Přispívají k tomu i značkoví výrobci
počítačů, kteří nabízejí modely s tímto systém již nainstalovaným
(znovu však platí, zkuste do HP Vectry doinstalovat značkovou
zvukovou kartu).
Ale zpátky k tzv. PC workstation, kde se využije klíčová
vlastnost Windows NT - možnost přerozdělovat procesy mezi více
procesorů. Oproti unixovým řešením je toto značně limitováno
jednak samotnými NT, podporovaným počtem procesorů (verze NT
Enterprice maximálně 8), jednak omezenou podporou aplikacemi
- pamatujete si na nedávné kompletní přepracování 3D Studia Max
do multiprocesorové verze? Existují ovšem řešení od ostatních
výrobců, které toto řeší - nezapomínejte, že je vždy třeba
naprogramovat vrstvu HAL (Hardware Abstraction Layer), jež
oddělí obecná Windows od hardwarových odlišností jednotlivých
modelů počítačů (kam počet procesorů určitě patří). Firma Unisys
tak např. nedávno předvedla řešení, které umožňuje seskupovat
prakticky neomezený počet procesorů počítače do "clusterů", na
nichž potom může běžet určitý operační systém zcela nezávisle
vedle jiného, vnímajícího zase jen svůj pracovní cluster.
V takovém případě můžete nechat na svém počítači běžet například
2x Windows NT a 1x OS/2, a příliš se nezajímat, co který zvládá
za hardware.
Vraťme se však ke konkrétním typům procesorů. Windows NT se na
samotném počátku jevila jako univerzální řešení, podporující
většinu používaných procesorů (MIPS, PowerPC, Alpha atd.). Tady
ale iniciativa Microsoftu jasně opadla, možná díky snižujícím se
prodejům těchto platforem, a dnes máme v podstatě k dispozici jen
Windows NT pro procesor Alpha, jehož budoucnost je ovšem po
akcích DEC-Intel (postupně soudní spor, odkoupení částí
technologií Intelem a nakonec vyrábění Alphy Intelem pro DEC)
a DEC-Compaq (zakoupení DECu Compaqem) poněkud nejistá.
V budoucnosti bude tedy obtížné najít workstation s Windows NT
a neintelovským řešením. Prozatím jsou eliminováni i klasičtí
klonaři "intelů" jako je Cyrix či AMD, kteří nebyli schopni
nabídnout plně kompetitivní řešení, přinejmenším v oblasti
32bitového výkonu nezbytného pro NT.
Tato situace se takto vyhraňuje tím spíše, že Intel připravuje
svůj Merced (oficiálně Intel IA/64), 64bitový procesor
gigaherzové kategorie a zcela nové architektury. Jeho nástup
můžeme očekávat ke konci roku 1999, a o razantní uvedení na scénu
serverů a pracovních stanic je postaráno už teď. Většina výrobců
počítačů projevila více či méně halasnou podporou - ostatně jak
již bylo řečeno, Windows NT nemohou na jiných procesorech
nabídnout, a další expanze unixovské platformy je již velmi
obtížná. Mimo izolovaných serverů je akceptování UNIXu novými
uživateli jen minimální, i přes jeho zjevné výhody co se týká
výkonu a především stability. Nejvýraznější je to u firmy HP,
která dnes má asi 50 % trhu PC s předinstalovanými Windows NT
a navíc je ochotna se vzdát svých procesorů PaRISC ve prospěch
procesoru Merced, jenž vlastně s Intelem spoluvyvíjí.
Není ale cílem tohoto článku vytvořit dojem naprosté převahy
platformy NT. Základním problém dvojice Windows NT & použitelný
hardware je její omezená "škálovatelnost", tj. schopnost průběžně
zvětšovat možnosti podnikového řešení podle rostoucích nároků.
Podle neoficiálně uveřejněných informací interní rešerše
amerických telefonních společností ukázaly nevhodnost Windows NT
pro jejich potřeby - jsou příliš založena na přerušeních (několik
zařízení připojených na sériové a paralelní porty dokáže
neuvěřitelné věci s výkonem vašeho počítače) oproti UNIXu, který
používá technologii timeslice , tj. nekompromisní přerozdělování
času mezi procesy. Windows NT tu negarantují plynulost
telelefonního spojení během zátěžových špiček.

Clustering

Při jiném pohledu zase na úrovni již trochu větší firmy správce
zjišťuje, že potřebuje řešení přesahující možnosti
čtyřprocesorového serveru, a navíc potřebuje skutečnou "high
avalaibality", tedy dostupnost služby bez ohledu na možné
vysazení celého počítače, kdy vám žádné diskové pole a UPS
nemohou pomoci. Jediným řešením je takový počítač duplikovat
dalšími, které jej mohou zastoupit nejen v případě výpadku, nýbrž
také v případě přílišného zatížení klienty. To už ale vlastně
mluvíme o clusterovacích technikách, kde pojem cluster jsme již
zmínili v příbuzném významu spolupracující skupiny procesorů.
Cluster je většinou skupina systémů, které jsou těsně spojeny do
jediné entity za účelem poskytování rychlých, ale především
nepřerušovaných služeb. Mohli bychom hledat další definice
(a různé firmy svůj clustering chápou různě), ale vždy je to
cesta k těsné kooperaci mezi samostatnými počítači a operačními
systémy, a možnosti rychle probíhající úlohu přenést z počítače
na počítač.
Jestliže tedy máme cluster pracovních stanic, pravděpodobně
sdílejících diskový prostor prostřednictvím Fibre Channelu nebo
podobné gigabitové (od 1 Gb/s) sítě, můžeme se připojovat na na
nich běžící WWW server, aniž bychom přesně věděli, který
z počítačů nás obsluhuje. Navíc, protože vzdálené komunikace
klient/server (obzvláště komerční databáze) jsou transakčně
orientovány - jsou tedy spíše založeny na dvojicích
otázka--odpověď než na spojitém toku dat --, může být naše úloha
postupně zpracována různými počítači, aniž by si naše účetní
všimla, že v průběhu její práce se třetina podnikových serverů
zhroutila. Výsledkem clusteru je tedy jakýsi virtuální počítač,
podstatně výkonnější a spolehlivější než jeho části - tady už
klasické úsloví o nejslabší článku řetězu neplatí.
Podobná řešení jsou již dlouho dostupná na unixových systémech
a také náležitě rozšířená (Karlova univerzita takto např.
provozuje svou agendu na clusterovaných počítačích SGI).
Clustering se pomalu stává dostupným i na pracovních stanicích
kategorie PC, dnes ovšem jen ve formě beta-verzí. Od konce června
tak bude k dispozici Orion Phase I, clusterovací řešení firmy
Novell, pochopitelně určené pro NetWare. Co se týče Windows NT,
je zase k vyzkoušení WolfPack, který se také pomalu blíží finální
verzi.
Nesázejte ovšem na to, že v budoucnosti bude clustering řešením
na všechny neduhy platformy PC a jejich operačních systémů,
i když je pravda, že PC workstation s motherboardem na 100 MHz
a dvěma procesory Pentium II na 450 MHz může směle konkurovat
leckjaké pracovní stanici z předchozích let.

Minipočítače, mainframy & superpočítače

Jak ovšem naznačuje označení, mnohaprocesorové pracovní stanice
s operačním systémem UNIX nemusí být optimální pro velké servery
komerčních řešeních, kde jsou vhodnější mainframy či
superpočítače. Studie společnosti Gartner Group z minulého roku
přitom ukazuje, že provozní náklady zohledněné na výkon jsou
1,2--3,7 nižší u mainframových řešení než u centralizovaných
a distribuovaných unixových serverů.
Termín mainframe původně odkazoval na "kabinet" obsahující
centrální procesorovou jednotku prapočítačů vyplňujících celé
místnosti. Po nastoupení menších minipočítačů (viz dále) na
počátku sedmdesátých let byl tento termín převzat pro popis celé
rodiny počítačů. Minicomputer je počítač "střední kategorie,"
určený pro komplexní výpočty prováděné paralelně s efektivním
zpracováním intenzivního vstupu a výstupu. Minipočítače jsou
používány u aplikací zpracovávajících transakce (typicky velké
databáze) a jako rozhraní pro mainframové počítače a sítě WAN.
Musíme za nimi hledat především počítače určené spíše pro dávkové
zpracování než pro interaktivní komunikaci a ovládání uživatelem,
ačkoli ta není principiálně vyloučena na žádném z operačních
systémů výrobců velkých počítačů, jako IBM, Unisys a dalších.
Pojem kabinetů je přitom velmi důležitý, doslova jde o skříňová
zařízení, kam lze za chodu zasouvat zásuvky, které jsou samy
o sobě víceprocesorovými počítači třeba s gigabytem paměti
s propojením se svými sousedy na bázi sítě 100 MB/s a více. Takto
můžete průběžně modifikovat výkon zařízení či dělat servisní
zásahy. Počet takových "subpočítačů" přitom může jít do desítek
až stovek.
Nejtypičtějším zástupem tohoto směru je dnes zřejmě produktová
řada RS/6000 firmy IBM. Tam patří jednoprocesorové pracovní
stanice, přenosné počítače až zmíněné, sál zabírající obludy,
přičemž to vše spojuje operační systém AIX (varianta UNIXu od
IBM), který má řadu silných vlastností, jako je implementace
všech nezbytností Internetu (WWW, Java, firewall.), zlokalizované
grafické rozhraní, a jen tak mimochodem - tytéž programy můžeme
nechat běžet na malé pracovní stanici RS/6000 i plnokrevném
mainfraimu postaveném na 512 procesorových nodech (tj. zásuvkách
s až 8 procesory Power2 či nověji PowerPC 604).
Superpočítače jsou potom to nejmohutnější, co se dá v oblasti
výpočtu získat a bývají to natolik speciální (masivně paralelní)
řešení se specializovanými operačními systémy a vývojovými
prostředky, že jejich výkon se dá přímo s nižšími počítači
srovnávat jen obtížně. Při dosahování maximálních výkonů se
přitom na mrtvoly vývojářů nehledí, a nasazují se třeba tisíce
procesorů, chlazených vodou či dokonce tekutým dusíkem.
Na konci let osmdesátých ovšem již nadšení z možností jejich
architektury do značné míry opadlo, především díky prudkému
vývoji na poli integrovaných obvodů a levných osobních počítačů.
Jejich naprostá nezastupitelnost tak byla výrazně vytlačena do
mikrosegmentu superpočítačů typu Cray, nezbytných pro masivně
paralelní výpočty pohybů tekutin apod. To vše přinejmenším
naznačuje vysoký počet slučování firem z této oblasti, která
ovšem není titěrná - podle IDC bude mít na přelomu tisíciletí
hodnotu 6 miliard dolarů. Superpočítače v porovnání s PC či
mainframy nabízejí výkony ekvivalentní tisícům PC či stovkám
mainframů (viz tabulku).
Základním problémem a omezením designu superpočítačů zůstávají
fyzikální limity v rychlosti elektronických signálů. Dodatečného
zvýšení výkonu lze tedy dosáhnout jen přidáním více procesorů,
jinými slovy paralelním prováděním operací. Paralelismus ovšem
vyžaduje, aby byly výpočty rozložitelné do menších řetězců
operací, které by mohly procesory samostatně řešit, což značně
komplikuje jakýkoli vývoj operací. Zařízení nesoucí označení
superpočítače dnes seženete i za cca 100 000 dolarů.

Přehled trhu

Protože tady už padlo několik konkrétních názvů firem a výrobků,
je na čase se ještě podívat na další konkrétní nabídky některých
typických výrobců. V oblasti pracovních stanic s UNIXem, který by
nás měl asi zajímat nejvíce, je dnes zřejmě nejdůležitější firma
Sun (36 % "dolarů obratu"), HP (22 %), následuje SGI s 15 %, IBM
s 10 %, a dále firmy jako je Compaq (+DEC) či Intergraph.

Sun

Firma Sun Microsystems byla vždy především prodejcem
"levnějších" pracovních stanic, typicky osazených systémem
Solaris. Stanice Sun se hodně rozšířily v bankovní a akademické
oblasti a tuto pozici si hodlají udržet. Na počátku roku se česká
pobočka stala dodavatelem počítačového vybavení pro Telecom
a nových levných modelů Ultra (vedle rychlých procesorů
UltraSparc v nich nalezne klasické EIDE disky!), které mají velmi
dobrou šanci na oslovení českých bank.
Výraznější aktivity ovšem vyvíjí i na poli výkonných počítačů,
obzvláště superpočítačů, kde nedávno "spolkla" dřívější Cray
Business Systems Division a GlobalWorks Division of Thinking
Machines, a model Ultra HPC 1000 se pohybuje někde na úrovni
výkonu 32 Gflops (pokud mermomocí chcete nějaká čísla).

HP

Firma HP v poslední době v oblasti serverů značně posilovala,
a jak se zdá, tak na úkor IBM. Podílí se na tom především prodej
pracovních stanic Kayak, postavených na procesorech Pentium II
a Windows NT, které spolu s tím, že tyto stroje koupíte
v běžných dealerských kanálech, pravděpodobně přispívají
k jejich oblibě. Vlastní unixovské (HP-UX 9.0) stroje firmy HP
jsou postaveny na procesorech PaRISC, jež jsme zmiňovali
v souvislosti s Mercedem. S tím souvisí agresivní marketingová
kampaň, která by měla zákazníkům HP přinést upgradovací program
na budoucí stroje s Mercedem a Xeonem (příští verze Pentia Pro),
možná se slevou 1 000 - 20 000 dolarů. 64bitovou verzi HP UNIXu
si mimochodem nedávno licencovaly NEC i Hitachi, takže se zdá, že
přinejmenším firma HP bude mít cestu k nové generaci
highendových operačních systémů hladkou.

SGI

Silicon Graphics (SGI) je firma, kterou rozhodně nemůžeme
opomenout, a navíc jsou její proměny nejmarkatnější. Po dlouhou
dobu představovala synonymum pro náročnou počítačovou grafiku,
v posledních letech ji ovšem pronásledovaly spíše problémy
a poklesy na akciovém trhu. Částečně z toho můžeme obvinit
nasycení profesionálního grafického trhu a rostoucí konkurenci
levnějších řešení, ale problémy mohou ležet hlouběji.
V každém případě dnes je v čele společnosti řada vedoucích
pracovníků pocházejících z HP, razících heslo "Get serious." Loni
uvedený populární "Kyslík", levná pracovní stanice O 2 (ale
s architekturou zvládající nekomprimované video!) se sběrnicí PCI
ovšem nemusí charakterizovat nastupující trend. Dnešní SGI
navazuje strategické dohody s Intelem, Microsoftem a Oraclem,
a směřuje do podnikové oblasti, kde - jak jsme si řekli - mohou
spolehlivá řešení prožívat boom. Současné produktové řady O 2
a Octane (UNIX OS IRIX 6.x, riscový procesor MIPS) se přesunou na
procesory Intel IA/64 a nabídka systému se rozšíří o Windows NT.
Vyšší řady MIPS ještě neopustí (RS 10000 až budoucí 16000), ale
opět můžeme očekávat poklesy jejich důležitosti, pokud se nástup
IA/64 vydaří. Stále ještě trochu cizorodé superpočítače Cray
(převzaty ze zakoupené společnosti Cray) by měly převzít
technologie z předchozích nejvyšších řad SGI (především NUMA
- Nonuniform Memory Access).
To možná nejdůležitější je ale společná cesta se společnostmi
jako je Oracle, směrem k databázovým a WWW řešením pro podnikové
Intranety či Extranety.

IBM

O firmě IBM jsem se již zmiňovali v souvislosti s její řadou
RS/6000. Snad bychom měli upřesnit, že nabízí celou škálu řešení,
která jsou v některých oblastech zastupitelná, jako je to, např.
u RS/390, jež v některých oblastech může nahradit RS/6000
a obráceně. Oba případy přitom můžeme považovat za mainframy
běžící nějakou formou UNIXu. Např. právě v květnu byla ohlášena
již pátá generace RS/390 G5, která s deseti CMOS procesory zvládá
až 700 mil. připojení na WWW server denně.
V poslední době se prodeje serverů IBM (a Compaqu) snižovaly,
zřejmě ve prospěch Hewlett-Packardu. Tento trend by se měl
zastavit s přepracovanými rodinami počítačů IBM, kde S390 G5 je
jednoznačně cílen na nejvýznamnějšího konkurenta
v "top-oblasti", firmu Hitachi, RS/6000 a AS/400 potom na servery
firem HP a DEC, a servery Netfinity na produkty Compaqu.
Mimo to ovšem jiné divize IBM podnikají i v NT oblasti, kde se
IBM snaží nabízet alternativy k Microsoft BackOffice (podnikové
řešení s NT serverem, SQL, WWW servery apod.). IBM Suite a IBM
Enterprise Suite for Windows NT je tak k dispozici taktéž od
počátku května, a v budoucnosti by měly být k dispozici i pro
RS/340, RS/6000 další platformy (i formou clusterování).
Doufejme, že se ani ostatní producenti výrobků spadajících do
kategorie profesionální počítač na nás nebudou zlobit, když je
protentokrát opomeneme. Ostatně řada z nich dnes prochází váhavým
obdobím, která oblast počítačů je pro ně výhodnější, či zda mají
prostě nabízet vertikální řešení pokrývající všechny potřeby
uživatelů. Stačí ukázat si prstem na firmu Sun, rozšiřující se
"nahoru" i "dolů" či firmu Intergraph (klasiku v oblasti
víceprocesorových PC), která nedávno oznámila zájem vyrábět
i běžnější osobní počítače.



****

Porovnání výkonu počítačů

<T> Pentium PC <T> Mainframe <T> Superpočítač

Instrukcí za sekundu <T>50 milionů <T>100 milionů <T>64
miliard

Paměť (MB) <T>16 <T>1 000 <T>64 000--128 000

Disk (MB) <T>1 000 <T>100 000 <T>20 milionů (20 TB)

I/O Rychlost (MB/) <T>5 <T>50 <T>10 000

Současných operací <T>Několik <T>Desítky <T>Stovky