Всеукраїнська науково-практична конференція



Сторінка3/60
Дата конвертації11.05.2018
Розмір3.74 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   60

Мельник А.О., Мельник В.А.


НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА» (УКРАЇНА)

Самоконфігурування – шлях до впровадження реконфігуровної

логіки в масові обчислення



Розглядаються шляхи підвищення продуктивності комп’ютерних систем спеціалізованими прискорювачами на основі високопродуктивних програмовних процесорів з орієнтованою на заданий клас алгоритмів архітектурою та на основі реконфігуровних середовищ. Проведено порівняльний аналіз та оцінено переваги другого підходу. Показано, що для впровадження реконфігуровної логіки в масові обчислення необхідно звільнити користувача від необхідності проектування та реалізації в реконфігуровній логіці спеціалізованих процесорів, що забезпечується використанням самоконфігуровних комп’ютерних систем.
1. Вступ

Сьогодні важко знайти галузь, яка не залежить від продуктивності комп’ютерних систем. Разом з тим, на початку 21-го століття швидкий до того часу темп зростання продуктивності універсальних процесорів, що є базою персональних комп’ютерів та багатопроцесорних комп’ютерних систем, почав сповільнюватися. Ця тенденція ще більш помітною є сьогодні, коли тактова частота роботи універсальних процесорів практично не змінилася протягом останніх кількох років. Причиною цього є фундаментальні обмеження в енергоефективності КМОН-технології, за якою реалізують переважну більшість інтегральних схем, та обмеження, які накладає традиційний спосіб опрацювання інформації на архітектуру універсального процесора, зокрема, послідовний характер виконання команд програми, послідовний доступ до команд та даних в пам’яті.

Задача підвищення продуктивності комп’ютерних систем в даний час в більшості вирішується створенням багатоядерних процесорів, причому кількість ядер в кристалі змінюється від одиниць або одного-двох десятків складних до сотень простіших, і має тенденцію до збільшення. Разом з тим, підхід нарощення кількості процесорів в системі також має ряд принципових недоліків. Тому сьогодні одним з найперспективніших напрямів діяльності в сфері високопродуктивних обчислень є створення комп’ютерних систем з використанням апаратних прискорювачів, в тому числі створених на основі реконфігуровних середовищ, які позбавлені вказаних вище недоліків завдяки високим технічним характеристикам як НВІС прискорювачів, так і сучасних кристалів програмовних логічних інтегральних схем (ПЛІС) – апаратній основі реконфігуровного середовища, та досягненням у галузі технологій проектування апаратних засобів.

Питанням побудови високопродуктивних комп’ютерних систем з використанням апаратних прискорювачів, в першу чергу на основі реконфігуровних середовищ, присвячено книгу [Мельник А. О., Мельник В. А. Персональні суперкомп'ютери: архітектура, проектування, застосування. Монографія. Львів: Видавництво Львівської політехніки, Львів, 2013. — 516 с.]. В доповіді розглядаються шляхи підвищення продуктивності комп’ютерних систем спеціалізованими прискорювачами на основі високопродуктивних програмовних процесорів з орієнтованою на заданий клас алгоритмів архітектурою та на основі реконфігуровних середовищ, аналіз яких показує, що для впровадження реконфігуровної логіки в масові обчислення необхідно звільнити користувача від необхідності проектування та реалізації в реконфігуровній логіці спеціалізованих процесорів.



2. Спеціалізовані програмовні прискорювачі

Спеціалізований програмовний прискорювач (СПП) – це пристрій, який має в своєму складі високопродуктивний програмовний процесор з орієнтованою на заданий клас алгоритмів архітектурою та призначений для підвищення продуктивності комп’ютерної системи. Він забезпечує виконання на апаратному рівні складних алгоритмів обробки великих масивів даних, що вимагає багато часу та ресурсів у випадку їх реалізації на універсальному процесорі.

Сьогодні найпоширенішими СПП є процесори CELL, розроблені сумісно компаніями IBM, Toshiba та Sony; плати компанії ClearSpeed (Великобританія – США); блоки та плати GPGPU, розроблені компаніями ATI та Nvidia; плати GRAPE, розроблені спільно науковцями університету м. Токіо та Національної астрономічної обсерваторії Японії.

Використання прискорювача зменшує на один-два порядки час розв’язання задачі на універсальному комп’ютері. Разом з тим, можна виділити й деякі проблеми, що істотно знижують ефективність СПП, а саме: складність розроблення, спеціальне програмування, орієнтація на вузький клас алгоритмів.

З метою надання комп’ютерним системам можливості досягнення високих показників продуктивності при виконанні довільних завдань, для реалізації прискорювачів використовують пристрої програмовної логіки, а комп’ютерні системи, де використовуються такі пристрої, називають реконфігуровними (РККС).

2. Реконфігуровні прискорювачі

Реконфігуровність прискорювача означає його здатність змінювати конфігурацію (налаштовувати внутрішню структуру функціональних вузлів та зв’язків між ними). Ця здатність надає можливість відображення виконуваних комп’ютерною системою обчислювальних алгоритмів в апаратні засоби, тобто створення спеціалізованого процесора, який забезпечує найшвидше їх виконання. Можливість реконфігурування, тобто зміни структури, відкриває перспективи надання принципово нових властивостей та досягнення високих технічних характеристик РККС. РККС створили конкуренцію іншим високопродуктивним комп’ютерним засобам завдяки досягненню високих технічних характеристик ПЛІС та завдяки створенню технології проектування програмних моделей обчислювальних пристроїв, яка описує процес розробки архітектури обчислювальних пристроїв на рівні міжрегістрових передач з використанням мов опису апаратних засобів (VHDL, Verilog, ін.) і їх реалізації у вигляді надвеликих інтегральних схем на базі ПЛІС. Для розробки та відлагодження програмних моделей обчислювальних пристроїв розроблено спеціальні інтегровані середовища із вбудованими засобами компіляції та симуляції.



3. Самоконфігуровні комп’ютерні системи

Виконання проектування та синтезу спеціалізованих процесорів в реконфігуровному середовищі, зміни конфігурації реконфігуровного середовища, а перед цим розподілу обчислювального навантаження між універсальними та спеціалізованими процесорами РККС потребують залучення значних людських ресурсів, що суттєво знижує ефективність РККС.

Постає задача пошуку шляхів підвищення ефективності РККС. Ця задача розв’язується шляхом дослідження способу та комп’ютерних засобів опрацювання інформації в РККС та розробленням нового способу опрацювання інформації та нового типу комп’ютерних засобів для реалізації цього способу, а саме – самоконфігуровних комп’ютерних систем (СККС).

З погляду користувача, СККС функціонує аналогічно до традиційного універсального комп’ютера, оскільки він а) розробляє програму на мові високого рівня та подає її до СККС для виконання компіляції; б) ініціює виконання програми після її компіляції; в) завантажує дані до опрацювання та отримує результати. Таким чином, СККС реконфігурується самостійно відповідно до особливостей заданого комп’ютерною програмою обчислювального алгоритму на відміну від РККС, де ці дії виконує користувач, при цьому конфігурування ініціюється не користувачем, а операційною системою.

Створення СККС дає можливість використання всіх потенційних можливостей, наданих властивістю зміни конфігурації реконфігуровного середовища, і забезпечує СККС одне з чільних місць серед найперспективніших засобів високопродуктивних обчислень та є шляхом до впровадження реконфігуровної логіки в масові обчислення.

Висновки

Обґрунтовано потребу та проблеми підвищення продуктивності комп’ютерних систем.

Розглянуто шляхи підвищення продуктивності комп’ютерних систем спеціалізованими приско-рювачами на основі високопродуктивних програмовних процесорів з орієнтованою на заданий клас алгоритмів архітектурою та на основі реконфігуровних середовищ, їх переваги та недолі-ки.

Запропоновано новий клас високопродуктивних комп’ютерних систем – самоконфігуровні комп’ютерні системи, створення яких забезпечить впровадження реконфігуровної логіки в масові обчислення.


УДК 004.4; 004.7


Поділіться з Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   60


База даних захищена авторським правом ©wishenko.org 2017
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка