Вишинський Віталій Андрійович. Електронні обчислювальні машини на основі алгебр з регулярним матричним представленням

Краткое описание

Вишинський Віталій Андрійович. Електронні обчислювальні машини на основі алгебр з регулярним матричним представленням: дисертація д-ра техн. наук: 05.13.13 / НАН України; Інститут кібернетики ім. В.М.Глушкова. - К., 2003.

Вишинський В.А. Електронні обчислювальні машини на основі алгебр з регулярним матричним представленням. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.13 обчислювальні машини, системи та мережі. Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України, Київ, 2004.
У дисертації вирішується фундаментальна проблема сучасного розвитку ОТ шляхом формування нових знань в області Computer science. Для цього запропонована оригінальна матрично-алгебраїчна універсальна алгоритмічна система, на якій побудована нова машинна технологія обробки інформації - машинна алгебра. Запропонована машинна математика для ЕОМ нового покоління. У такій однопроцесорній ЕОМ є можливість досягти порогу продуктивності, який оцінюється в 1Тфлопс. Програмне забезпечення нової машини має наступність стосовно програмного багажу сучасних ЕОМ.
Складність і вартість програмного забезпечення запропонованої ЕОМ істотно спрощується. Його частка на сучасному етапі розвитку значно менше витрат на апаратуру.

У дисертаційній роботі поставлена і вирішена фундаментальна проблема сучасного розвитку ОТ. Її зміст полягає в усуненні протиріччя між рівнем інтеграції в мікроелектронній апаратурі (величезне зосередження обчислювальних схем на кристалі) і технологією обчислювального процесу (обробка в дрібних одиницях інформації - числах). Вирішення проблеми зводиться до заміни машинної арифметики ( основа обчислювальної
технології сучасних ЕОМ) машинною алгеброю. Зазначена алгебра дозволяє реалізувати процеси збереження, передачі й обробки інформації в
укрупнених одиницях, адекватних рівню інтеграції елементів ОТ у
мікросхемі.
Для вирішення фундаментальної проблеми в дисертації запропонована оригінальна універсальна алгоритмічна матрично-алгебраїчна система. На її базі розроблена нова технологія машинної обробки інформації, а також запропоновані загальна концепція й основні принципи організації та функціонування ЕОМ нового покоління.
Принципи, алгоритмічна й апаратурна підтримка нової технології, що захищаються в дисертації:
1. Пропозиція, згідно з якою машинною мовою ЕОМ має бути мова високого рівня, у якій процедури сучасних ЕОМ використовуються як машинні команди, а машинними операндами (мінімальними одиницями інформації, з яким працює ЕОМ) запропоновані складні структури даних сучасних машин.
2. Підвищення технологічності обчислювального процесу виконується за рахунок
- організації оригінальної архітектури і структури ЕОМ, що підтримує роботу двох контурів: матричного (алгебраїчного) і числового (керуючого);
- застосування єдиних апаратурних і комунікаційних напрацювань для алгебраїчної (матричної) і скалярної (числової) обробки інформації;
- структурування пам'яті машини і засобів зв'язку із середовищем користувача за типами даних, що належать різним машинним алгебрам;
- зведення обчислення добутку матриць високого порядку до рівня машинної операції.
3. Ефективне використання переваги мікроелектроніки як основи елементної бази, на якій реалізується технологія, здійснюється шляхом
- організації адресації пам'яті комбінацією двох способів - "просторового" і "часового";
- застосування мінімального функціонально повного набору елементів-мікросхем, необхідного і достатнього для реалізації ЕОМ, що працює в алгебрі матриць;
- застосування способу множення дійсних чисел (складова операція множення матриць), яке дозволяє створювати пристрої, що не уступають по швидкодії існуючим аналогам, але одночасно на 1,5 порядку вимагають меншої кількості необхідних контактів у мікросхемах.
4. Забезпечення високого рівня продуктивності ЕОМ досягається за рахунок
- розпаралелювання на рівні реалізації машинних операцій (використовується математичний апарат інтерполяції і розпаралелювання робочих даних обчислювального процесу до його початку (апріорі));
- транспортування машинної матриці (операнда машинної технології) паралельно всіма її елементами, але послідовно розряд за розрядом позиційного представлення;
- застосування суто апаратурного (не мікропрограмного) способу підтримки мови надвисокого рівня (самого нижнього рівня машинної мови), технічно реалізуючи алгебру матриць (структурна реалізація мови надвисокого рівня);
- використання нової організації розпаралелювання сортування, у якій порівняння виконується не між числами, взятими із вихідного масиву, а з однієї (загальної для всієї матриці чисел) константою;
- представлення даних в оптимальному вигляді для нової технології на основі математичного апарату регулярних матричних представлень.
Застосування нової машинної технології і запропоновані принципи її реалізації дозволили на сучасному етапі розвитку вирішити ряд принципово важливих проблем, що з’явились при створенні ЕОМ понадвисокої продуктивності і сьогодні набули самостійного значення. До них належать такі проблеми:
- організації зв'язку і керування обчислювальними засобами;
- розпаралелювання обчислювального процесу на рівні процедур сучасних машин;
- використання надвеликої інтеграції мікроелектронної технології для створення схем обробки ОТ;
- використання надвеликої інтеграції мікроелектронної технології для створення схем пам'яті.
Крім того, на сучасному етапі знята актуальність інших не менш важливих проблем
- узгодження частоти обробки інформації в мікросхемі і поза нею;
- контактних площадок мікросхеми;
- створення САПР мікросхем надвеликої інтеграції;
- відбраковування (верифікація) готових мікросхем надвеликої інтеграції.
Розроблена і запропонована теоретична база по створенню нової технології дозволяє
- досягти еквівалентної швидкодії в 1Тфлопс для однопроцесорного варіанта матрично-алгебраїчної машини (варіант SISD) при тактовій частоті елементів, що не перевищує 300 МГц;
- ліквідувати диспропорцію між витратами на апаратуру і програмними засобами (понад 90% вартості витрат сучасної обчислювальної системи складають витрати на програмне забезпечення).
Запропоноване вирішення фундаментальної проблеми дозволяє створити ЕОМ нового типу, для якої
- програмне забезпечення містить у собі як складову частину весь програмний продукт сучасних засобів ОТ, чим вирішується задача спадковості програмного забезпечення;
- мова користувача (зовнішня) є функціональною (не процедурною), що дозволяє відгородити ЕОМ від небажаного втручання (проблема хакерів, програмних вірусів).
Отримані результати фундаментальних досліджень мають велике
прикладне значення, оскільки сучасний розвиток мікроелектроніки дозволяє без особливих кадрових і фінансових ускладнень створити протягом двох - трьох років дослідний зразок однопроцесорної ЕОМ з використанням запропонованої матрично-алгебраїчної технології обробки інформації. Еквівалентна швидкодія такої машини сягає понад 1Тфлопс. Апаратурні витрати і надійність її належать до класу середніх машин.