Самоконфігуровні високопродуктивні комп\'ютерні системи

Краткое содержание

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У  вступі  наведено  загальну  характеристику  роботи,  обґрунтовано  її

актуальність, сформульовано її мету та основні задачі досліджень, визначено методи

вирішення поставлених задач, сформульовано наукову новизну роботи та практичну

цінність  одержаних  результатів.  Наведено  дані  про  впровадження  результатів

роботи, її апробацію та публікації.

У  першому  розділі «Аналіз  принципів  побудови,  технологій  проектування  та

напрямків розвитку високопродуктивних комп’ютерних систем» досліджено методи

підвищення  продуктивності  комп’ютерних  систем.  Для  цього  проаналізовано

архітектуру  і  оцінено  технічні  характеристики  сучасних  суперкомп’ютерів,

включаючи  персональні,  та  показано,  що  значна  їх  частина  побудована  з

використанням  спеціалізованих  апаратних  прискорювачів,  причому  саме  завдяки

цьому  ними  досягнуто  високих  показників  продуктивності.  Визначено  проблемні

питання  побудови  суперкомп’ютерів,  що  дозволило  окреслити  перспективні

напрями діяльності в галузі високопродуктивних комп’ютерних систем.

Розглянуто  питання  прискорення  універсальних  комп’ютерних  систем

використанням  паралельних  апаратно-орієнтованих  спеціалізованих  процесорів

(СП).  На  основі  дослідження  архітектури  СП  та  аналізу  відповідності  різних  типів

пам’яті  вимогам  до  пам’яті  сучасного  СП,  показано  переваги  застосування  в  СП

пам’яті  з  впорядкованим  доступом.  Проведено  аналіз  архітектури  та  технічних

характеристик спеціалізованих апаратних прискорювачів (САП), запропоновано їхні

узагальнені  структури,  та  встановлено,  що  САП  належать  до  багатопроцесорних

комп’ютерних  систем  класів  ОКМД  та  частково  МКМД,  в  структурах  яких  наявна

спільна  або/і  локальна  пам’ять.  Визначено  загальні  тенденції  розвитку  САП  та

встановлено,  що  подібні  тенденції  сьогодні  характерні  й  для  універсальних

програмовних процесорів. Показано проблеми, що обмежують застосування САП.

Розглянуто  передумови  створення  та  приклади  перших  реалізацій,  а  також

наведено  структури  РККС  на  основі  програмовних  логічних  інтегральних  схем.

Проведено  порівняльний  аналіз  основних  технічних  характеристик  універсальних

мікропроцесорів і програмовних логічних інтегральних схем та показано потенційну

перевагу  ПЛІС  для  побудови  високопродуктивних  комп’ютерних  систем,  що

дозволило  виявити  тенденцію  їх  широкого  впровадження  в  суперкомп’ютерах  та

перспективних персональних суперкомп’ютерах.

Подано  огляд  сучасних  технологій  і  засобів  проектування  СП  для  РККС.

Показано,  що  актуальною  тенденцією  розвитку  цих  технологій  є  підвищення  рівня

проектування  від  міжрегістрових  передач  до  системного  з  метою  спрощення  та

скорочення часу проектування, результатом чого є створення засобів автоматичного

генерування програмних моделей процесорів з їх конфігуровних моделей та з опису

алгоритму їх роботи мовою високого рівня.

На  основі  проведеного  аналізу  принципів  побудови,  технологій  проектування

та напрямків розвитку високопродуктивних комп’ютерних систем виокремлено такі

способи підвищення їхньої продуктивності: 1) підвищення тактової частоти роботи;

2) паралелізм; 3) конвеєризація; 4) спеціалізація.  Встановлено,  що  застосування

ПЛІС  в  комп’ютерних  системах  дає  можливість  використати  всі  чотири  зазначені

способи  підвищення  їхньої  продуктивності.  Визначено  проблемні  питання

  12

використання  високопродуктивних  комп’ютерних  систем  з  реконфігуровною

логікою,  а  саме: 1) необхідність  визначення  алгоритмів,  що  підлягають  реалізації  в

реконфігуровному  середовищі,  та  розроблення  ПМСП,  які  реалізуються  в  ньому;

2) необхідність  виконання  розподілу  обчислювальних  завдань  між  універсальним

комп’ютером  і  реконфігуровним  середовищем  в  процесі  написання  програми;

3) неможливість  завчасного  розроблення  для  реалізації  в  реконфігуровному

середовищі  ПМСП,  які  були  б  ефективні  на  всіх  класах  задач.  Сформульовано

вирішувану в дисертації науково-технічну проблему та перелік завдань, які потрібно

виконати для її вирішення.

У  другому  розділі “Розроблення  основ  організації  функціонування  та

дослідження  шляхів  удосконалення  архітектури  реконфігуровних  комп’ютерних

систем”  розвинуто  теорію  побудови  РККС  та  здійснено  пошук  шляхів  підвищення

їх ефективності.

Запропоновано  визначення  основних  понять  РККС,  що  спрощує  розуміння

принципів  їх  функціонування.  Проведено  класифікацію  базових  структур  РККС  за

ступенем  зв’язаності  універсального  процесора  з  реконфігуровним  середовищем  та

виділено  відповідні  їм  типи  архітектури  РККС: 1) з  слабозв’язаною

реконфігуровною  логікою; 2) з  тіснозв’язаною  реконфігуровною  логікою,

підключеною  до  шини  пам’яті; 3) з  тіснозв’язаною  реконфігуровною  логікою,

підключеною  до  шини  процесора; 4) з  інтегрованою  в  АЛП  універсального

процесора реконфігуровною логікою; та 5) з інтегрованими в реконфігуровну логіку

універсальним і спеціалізованим процесорами.

В  РККС  першого  типу  універсальний  процесор  взаємодіє  із  реконфігуровним

середовищем  через  інтерфейс  введення / виведення,  тобто  як  із  зовнішнім

пристроєм.  Швидкість  обміну  інформацією  тут  є  достатньо  низькою,  тому  така

архітектура  придатна  для  обчислювальних  завдань,  виконання  яких  не  вимагає

проведення  швидкого  та  об’ємного  обміну  інформацією  між  універсальним  і

спеціалізованим  процесорами.  В  РККС  другого  і  третього  типів  реконфігуровне

середовище  під’єднане  до  універсального  процесора  через  системну  шину,  що

забезпечує високу швидкість взаємодії, причому в першому з них СП під’єднується

до  шини  універсального  процесора,  а  в  другому –  до  шини  пам’яті.  РККС

четвертого  і  п’ятого  типів  забезпечують  найвищу  швидкість  взаємодії

універсального  процесора  з  спеціалізованим,  причому  в  першому  з  них  СП

використовується  як  один  з  операційних  пристроїв  універсального  процесора

шляхом  розширення  його  системи  команд,  а  в  другому  універсальний  процесор  є

вбудованим  в  реконфігуровне  середовище  комп’ютерної  системи  з

реконфігуровною  логікою  і  виконує  функції  керування  СП,  будучи  реалізованим

«жорстко» під час виготовлення кристалу ПЛІС, або як програмна модель. Останній

підхід,  по  суті,  є  реалізацією «комп'ютерної  системи  на  програмовному  кристалі»

(англ.  SoPC –  System on a Programmable Chip).  Принциповим  його  недоліком  є

обмеження  ресурсів  РККС  ємністю  кристалу.  Для  нарощення  ресурсів  та

підвищення  продуктивності,  а  також  надання  РККС  властивості  масштабованості,

до  універсального  процесора  підключають  зовнішні  пристрої  реконфігуровної

логіки, що, власне, і є реалізацією тіснозв’язаної та слабозв’язаної типів архітектури.

Це  доводить  доцільність  застосування  реконфігуровних  прискорювачів  для

  13

побудови  РККС  та  виконання  подальших  досліджень  на  тіснозв’язаній  та

слабозв’язаній типах архітектури.

З  метою  виявлення  вузьких  місць  в  організації  функціонування  РККС,  які  є

причиною  недостатньої  їх  ефективності  на  певних  класах  задач,  і  здійснення

пошуку шляхів їх вдосконалення,  сформульовано спосіб опрацювання інформації в

РККС  та  подано  перелік  і  описано  порядок  застосування  необхідних  для  його

реалізації комп’ютерних засобів. Відповідно до цього способу, процес опрацювання

інформації в РККС подається як послідовне виконання чотирьох етапів. На першому

етапі  користувач  створює  програму  inP   на  мові  програмування  високого  рівня,

розподіляє  цю  програму  на  підпрограму  UPPP   універсального  комп’ютера  та

підпрограму  REP   реконфігуровного  середовища,  виконує  компіляцію  підпрограми

UPPP  універсального комп’ютера, формує її виконавчий файл  obj  та зберігає його в

пам’яті  універсального  комп’ютера.  На  другому  етапі  користувач  для  виконання

підпрограми  REP  реконфігуровного середовища розробляє (або використовує готове

рішення)  на  мові  опису  апаратних  засобів  програмну  модель  спеціалізованого

процесора  SPPM ,  виконує  її  логічний  синтез  та  завантажує  до  реконфігуровного

середовища  отримані  в  результаті  логічного  синтезу  файли  конфігурації

 FPGAq K...q,conf 1conf ,  FPGAK  –  кількість  кристалів  ПЛІС,  які  формують

реконфігуровне  середовище,  і,  таким  чином,  створює  в  цьому  середовищі  СП.  На

третьому етапі за командою користувача операційна система завантажує виконавчий

файл  obj   підпрограми  універсального  комп’ютера  до  його  основної  пам’яті  за

допомогою  стандартного  завантажувача.  На  четвертому  етапі  РККС  виконує

програму  inP ,  причому  в  універсальному  комп’ютері  та  в  реконфігуровному

середовищі  виконуються  відповідні  підпрограми –  UPPP   та  REP .  В  разі  повторного

виконанні цієї ж програми користувач послідовно виконує третій і четвертий етапи,

а  в  разі  наявності  виконавчого  файлу  та  файлів  конфігурації  для  виконання

програми –  завантажує  файли  конфігурації  до реконфігуровного  середовища,  і  далі

послідовно виконує третій і четвертий етапи.

На  основі  цього  способу  розроблено  методику  та  отримано  вирази  для

розрахунку  тривалості  опрацювання  інформації  в  РККС.