Опубликован: 03.04.2013 | Доступ: свободный | Студентов: 310 / 11 | Длительность: 34:17:00
Специальности: Разработчик аппаратуры
Лекция 7:

Современные вычислительные технологии и их аппаратные платформы

< Лекция 6 || Лекция 7: 123456 || Лекция 8 >

6.5. Принципы и методы МКМД-бит-потоковой организации вычислений

МКМД-бит-потоковая вычислительная технология разработана в 80-х годах прошлого столетия по заказу МО СССР для решения задач эксплуатации и боевого применения ВВТ с экстремальными и противоречивыми требованиями по производительности и отказоустойчивости. В частности, время жизни (10 лет) разведывательных и связных комплексов космического базирования уже тогда превосходило более чем на 1 порядок время безотказной работы комплектующих СБИС (10 тыс. часов) в условиях жестких электромагнитных и радиационных космических воздействий. Такое требование кардинальным образом изменило сам подход к построению систем обеспечения живучести БВС, которая должна парировать в темпе близком к реальному времени множественные отказы аппаратуры, так как доминирующие до сих пор схемы многократного мажоритарного резервирования способны парировать только одиночные отказы аппаратуры.

МКМД-бит-потоковая вычислительная технология базируется на следующих принципах и методах [138]:

  1. Принцип "одна инструкция - один процессор" строго выдерживается на всех уровнях управления, включающих:
    • бит-процессорный с "глубиной" взаимодействия до двух смежных по времени и/или пространству бит из циклически обрабатываемых потоков данных;
    • слов-процессорный с "глубиной" взаимодействия до двух смежных по времени и/или пространству n -разрядных операндов из циклически обрабатываемых потоков данных;
    • поток-процессорный с "глубиной" взаимодействия до m*N смежных по времени и/или пространству слов из циклически обрабатываемых потоков данных, где коэффициент векторизации m = 1, N по потокам данных, а также параметры самих потоков данных n и N задаются пользователем.
  2. Программирование бит-матрицы ведется в режиме разделения времени с обработкой, а закрепленные за каждым бит-процессором индивидуальные бит-инструкции не изменяются в течение как минимум одного цикла формирования n*N -битного потока результирующих данных.
  3. Процессы обработки и передачи данных совмещены по времени и аппаратуре, а их скорости равны, причем циклическая обработка потоков данных ведется в конвейерной арифметике, младшим разрядом вперед и требует постоянно обнуляемого старшего буферного разряда, препятствующего "паразитному" распространению "единицы переноса" между словами промежуточных или результирующих потоков данных.

Весь (сверх)большой коллектив (103-105) бит-процессоров работает синхронно.

Из приведенных данных следует, что в МКМД-бит-потоковых вычислительных технологиях:

  1. Фазы изготовления бит-матричных СБИС, (микро)программного конструирования и использования проблемно- или алгоритмически ориентированных (суб)процессоров разделены во времени, а полный цикл их работы включает этапы загрузки микропрограмм в бит-матрицу с временем T_{p}, вхождения в конвейер с временем T_{0} и собственно обработку потоков данных с временем T_{d}, которые должны удовлетворять системообразующему неравенству:
    T_{p}+T_{0} << T_{d} = r*n*N*\tau_{c}, ( 6.1)

    где r - количество циклов обработки N -словного потока n -битных данных, а \tau_{c} - цикл работы бит-процессора и всей бит-матрицы.

  2. Вычислительный процесс представляет собой ассоциативное взаимодействие пространственно фиксированного потока бит-инструкций с пространственно-временными потоками бит-данных, причем правила взаимодействия можно модифицировать в (квази)реальном масштабе времени по параметрам (r, n, N) и направлениям распространения данных между инициализированными операционными устройствами.
  3. Управление вычислительным процессом осуществляется на трех уровнях с разным латентным периодом:
    • "медленное" (с временем реакции T^{1}_{u}= T_{p}+ T_{0}), когда отвечающая активизированному поток-оператору микропрограмма загружается в бит-матрицу, превращая ее в проблемно-ориентированный (суб)процессор;
    • "быстрое" (с временем реакции T^{2}_{u}= n_{u}*N_{u}* \tau_{c}+ T_{0}), когда с помощью N_{u} внешних n_{u} -разрядных переменных задаются или модифицируются направления распространения и параметры (r, n, N) обработки потоков данных, что превращает проблемно-ориентированный в алгоритмически ориентированный (суб)процессор;
    • "сверхбыстрое" (с временем реакции T ^{3}_{u}\to \tau_{c} ), когда с помощью содержимого одного или нескольких бит обрабатываемых или специально сформированных промежуточных данных меняются реализуемые бит-процессорами функции.

Соотношение (6.1) говорит о том, что системные временные издержки инициализации МКМД-бит-потоковых (суб)процессоров должны быть пренебрежимо малыми по сравнению со временем их использования, и достигается оно за счет:

  • распараллеливания шин ввода (микро)программ, что обеспечивает минимизацию T_{p} ;
  • выбора потоковых алгоритмов работы (суб)процессоров, что обеспечивает минимизацию T_{0},

а также выбора параметров потоков данных (n, N) и количества циклов r их "непрерывной" обработки.

Из приведенных данных видно: принципы и методы МКМД-бит-потоковой организации вычислений инвариантны аналоговой и цифровой формам представления обрабатываемых данных. Это позволяет рассматривать их и как прототип организации вычислений в реальных нейронных ансамблях, и как детерминированный вариант нанометровых или супра-молекулярных вычислительных технологий.

Первое положение подтверждается тем, что в реальных нейросетях на равных используется как дискретная "спайковая" активность, так и непрерывная электроэнцефалографическая активность и вызванные потенциалы.

Второе положение подтверждается тем, что в нанометровых и супрамолекулярных вычислительных технологиях в качестве "рабочего тела" выступают квантовые (суб)системы, которые имеют двойственную природу и могут вести себя в пространстве и во времени и как непрерывные (аналоговые), и как дискретные (цифровые) с дискретными или непрерывными спектрами поглощения и излучения, а в общем случае - перераспределения энергии в системе. Поэтому в нанометровых или супрамолекулярных вычислительных технологиях используемые физико-технические процессы станут определять спектр допустимых архитектур, где:

  1. Неравенство (6.1) сохранит свое системотехническое значение, а его параметры приобретут следующий физический смысл:
    • T_{p} - время синтеза вычислителя-потомка из "рабочего тела" вычислителя-предка, возможно, и с дифференцированным обменом массой с "окружающей средой", что свойственно полуоткрытым (био)физическим, (био)химическим и биологическим системам;
    • T_{0} - время установления "устойчивого" взаимодействия квантового "рабочего тела" вычислителя-потомка с потоками "свободной" массы
    • обработка ведется не в ассоциативной памяти (бит)данных,как это имеет место в классических ассоциативных архитектурах [46, 116, 175], а в ассоциативной памяти (бит)инструкций,"содержимое" которой может модифицироваться под воздействием преобразуемых потоков данных, что не исключает использование в их работе традиционных DD-ассоциативных конструкций, обеспечивающих соответственно доступ и обработку данных в зависимости от их содержимого;
    • организация вычислений достаточно адекватна детерминированным системотехническим условиям работы перспективных нанометро-вых и супрамолекулярных вычислителей;
    • пользователю доступны практически все уровни распараллеливания вычислений: бит-, слов-, поток- и задач-процессорный, что позволяет максимально интенсифицировать использование имеющегося однородного аппаратурного ресурса, перераспределяя его как между операционными, управляющими, адресными, интерфейсными и диагностическими функциями в зависимости от требований активного поток-оператора, так и по задачам, решаемым на различных уровнях организации вычислительного процесса.
< Лекция 6 || Лекция 7: 123456 || Лекция 8 >
Виктор Бузмаков
Виктор Бузмаков
Россия, г. Москва
Юрий Самков
Юрий Самков
Россия