Архитектура потоковой супер ЭВМ, построенной на принципах схемной эмуляции
Статья - Компьютеры, программирование
Другие статьи по предмету Компьютеры, программирование
, возникающих на стыках отдельных ПЛИС при их объединении в решающее поле.
Еще одной, не менее важной проблемой, выступает конструкторско-технологическое ограничение на размещение ограниченного числа ПЛИС на печатной плате приемлемого размера. Что решается путем модульного построения аппаратуры. В свою очередь, введение модульного принципа построения аппаратуры порождает проблемы нового типа границ - межмодульного. И т.д., и т.п.
Архитектура вычислительной структуры, построенной на принципах схемной эмуляции
Поскольку целью данной статьи есть стремление донести идею применения принципов схемной эмуляции к вопросу создания альтернативной вычислительной среды, то на рис.3 такая среда представлена на уровне функциональной схемы без привязки к структурам конкретных комплектующих каких-либо производителей.
Тем не менее, за основу принимается, что базовым элементом такой архитектуры является микросхема программируемой логики. Потому что именно соединение принципа многопоточности авторского модуля схемной эмуляции с принципом параллельного действия ПЛИС позволяет создать принципиально новую вычислительную среду параллельного действия. В то же время, высокая степень регулярности представляемой структуры позволяет использовать различные варианты ее реализации, предоставляя тем самым разработчикам широкое поле деятельности при поиске наиболее оптимальной конфигурации на этапе опытно-конструкторских работ. На рис.3 отображены три варианта реализации авторской идеи, которые, тем не менее, органично дополняют одна другую даже в пределах одной структуры.
Работа в новой системе представляется следующим образом.
Изначально, пользователь, находясь в среде графического редактора (установленного на ПК), рисует граф алгоритма своей вычислительной задачи. После окончания этапа рисования, специальный программный модуль "сворачивает" рисунок проекта в так называемый файл описания схемы (ФОС), который и загружается в рабочую область эмуляции кристалла ПЛИС, уже предварительно "отформатированного" структурой модуля эмуляции. Модуль эмуляции разворачивает в рабочей области эмуляции программную модель схемы проекта.
Именно на уровне программной модели происходит эмуляция (имитация) работы схемы задачи пользователя.
Модуль эмуляции, с учетом динамики протекающих в программной модели процессов, порождает в матрице FPGA множество потоков. Под процессами здесь подразумется волны изменения значений идентификаторов в ветвях программной модели рисунка задачи пользователя. Потоки - это реальные сигналы в матрице FPGA. В соответствии с идеологией системы эмуляции одному процессу может соответствовать некоторое множество потоков.
Одна часть потоков "существует" исключительно в рабочей области эмуляции и не выходит за ее пределы, назовем их внутренними. Предназначены они для обеспечения функционирования самой модели. Другая часть потоков, для которой необходимо выполнение каких-либо арифметических или логических операций, предписанных вершинами графа задачи, посредством концентратора SW перенаправляются в свободные исполнительные процессоры (Исполнительный процессор 1 - Исполнительный процессор N). Назовем такие потоки внешними. Каждый внешний процесс несет на себе необходимые операнды и номер (код) операции, и возвращает результат операции в рабочее поле эмуляции. Исполнительные процессоры, как и макропроцессоры для случая РВС, не управляют процессом обработки информации, а лишь реализуют операции над поступающими на их входы операндами.
модуль эмуляция вычислительный многопоточность
Рис. 3 Функциональная схема модуля вычислительной структуры, построенной на принципах схемной эмуляции
Существенным отличием представляемой архитектуры от идеологии реконфигурируемых вычислительных структур является то, что здесь исполнительные процессоры никоим образом не привязаны к вершинам графа задачи пользователя.
В соответствии с идеологией системы эмуляции, в каждый момент времени каждый из исполнительных процессоров может быть занят обработкой данных, поступивших на его входы вместе с любым внешним потоком. Поэтому в функциональном плане они должны быть абсолютно идентичными, то есть, каждый должен быть способным выполнить операцию, предписанную любой вершине графа задачи. Правило выбора процессора потоком простое: поток, посредством сетевого концентратора, выбирает первый же исполнительный процессор, который не занят обработкой данных какого-либо другого протока.
Со времен появления первых компьютеров стало очевидным, что для каждого уровня технологического развития практически единственным путем увеличения мощности вычислительной системы является соединение энного числа процессоров в единую "упряжку", то есть создание мультипроцессорной системы. Казалось бы, что может быть проще: превратить однопроцессорную машину в многопроцессорную путем добавления на платформу некоторого числа точно таких же процессоров. Однако на практике все оказалось гораздо сложнее и добавление в систему даже одного процессора может уменьшить производительность системы. Ведь в этом случае разработчик сталкивается с принципиально новым явлением - информационным и алгоритмическим взаимодействием процессоров. И здесь важнейшим аспектом, связанным с эффективностью работы вычислителя, начинает выступать организация межпроцессорного обмена служебными