Неалгоритмические методы цифрового моделирования (стр. 5 )

Если бы в ЦВМ были параллельная (S+1)-модульная ОП, то выигрыш достиг бы »100 раз.

Схема аналого-цифровой модели интегрального уравнения:

Для организации параллельной обработки в АВМ одновременно S выражений (1) для нескольких разных к-х шагов : к=jS…(j+1)S, j=0…l-1 требуется параллельный ввод в АВМ (S+1)-й функций одной переменной yi(t), k(x1,t),…,k(xS, t).

Поэтому в УПС для повышения производительности АЦВК вводится избыток интегральных схем ЦАП и СВХ (МЛ), например в данном случае – это ЦАП1…ЦАПS и МЛS+1…МЛ2S, или 2S БИС: ЦАП и СВХ.

Ординаты всех (m+3) квантованных функций одной переменной: семейство ядра:{K(xk, t)}1m, функция первого приближения f(x), искомые функции в двух соседних итерациях yi(x) и yi+1(x), хранятся в ОЗУ ЦВМ. Функция следующего приближения yi+1(x) вычисляется поординатно на основании функции предыдущего приближения yi(x) за l=m/S циклов работы АЦВК. Широкое применение в УПС схем аналоговой памяти МЛ(СВХ) существенно упрощает организацию чередования режимов работы АВМ, УПС и ЦВМ, которая в данном случае близка к таблице 2-го класса аналого-цифровых вычислений:

Цикл	j (j=0…l-1)	J+1
Фаза	А (m(S+1) тактов)	В (2S тактов)	А	В
АВМ	Вычисление, в конце запись ординат yi+1(x1)…yi+1(xS) в МЛ2S+1…МЛ3S	Исходное положение	– /// –	– /// –
УПС	АДМ в положении 0, передача в АВМ через ЦАП0, ЦАП1…ЦАПS поординатно (S+1)-й функции каждую за m тактов	Взаимная передача за 2S тактов в АВМ ординаты f(x1)…f(xS) и в ЦВМ yi+1(x1)…yi+1(xS)	– /// –	– /// –
ЦВМ	Прерывание, работает КПДП и выгружает в канал вв/выв ординаты функций yi(tk), {K(x, tk)}	Вычисление по ф.(2,3), подготовка буферов вывода : yi+1(t), k(x(j+1)S, t)… k(x(j+1)S, t)	– /// –	– /// –

Требования к взаимной синхронизации АВМ и ЦВМ невысокие :

1)  В фазе В она вообще не нужна;

2)  В фазе А работа КПДП и канала вв/выв ЦВМ синхронизуется с УУ АВМ так, чтобы совместить «пуск» АВМ с началом передачи в АВМ m(S+1)-й ординат функций yi(t) и {k(xk, t)}k=1k=S, а окончание их передачи – со стробом записи результирующих ординат yi+1(x1)…yi+1(xS) из АВМ в МЛ2S+1…МЛ3S в УПС и последующим возвратом АВМ в режим «исходное положение» для подготовки к фазе В.

Масштаб времени в АВМ и длительность фазы А определяется скоростью работы КПДП и канала вв/выв ЦВМ.

АЦВК рассмотренных принципов организации применяются при проектировании и отладке цифровых САУ сложных объектов: тепловозов, электровозов, самолетов, космических ракет, реакторов: тепловых, химических и ядерных; роботов и т. п.

Недостатки АЦВК очевидны:

Ø  Возрастание погрешности решения из-за АВМ;

Ø  Необходимость разворачивания производства АВМ и УПС с более сложной и дорогой технологией производства и метрологией, чем ЦВМ;

Ø  Существенное усложнение системного ПО по сравнению с базовым ПО ЦВМ;

Ø  Ограниченный класс математических задач, ускорение решения которых возможно в АЦВК при значительных дополнительных затратах.

Поэтому интенсивно ищутся способы организации ВМ, которые позволили бы добиться такого же или более существенного повышения скорости решения сложных задач путем чисто цифрового моделирования и на типовой универсальной цифровой элементной базе и схемотехнике. Основная тенденция развития этой новой организации ЦВМ – массовый параллелизм процессоров в аппаратно избыточных системах с потоковым или алгоритмическим программированием элементарных машин и программированием перестратваемой структуры сложной вычислительной сети элементарных вычислительных машин. Типичный представитель такой организации средств ИВТ – это транспьютерная сеть, где транспьютер – элементарная однокристальная машина, снабженная локальной ОП и не менее, чем четырьмя последовательными портами вв/выв (линками) для передачи команд и данных соседним транспьютерам. На их базе уже создаются командно-алгоритмически (или потоково) и структурно программируемые микропроцессорные платформы (суперкристаллы, большие пластины, ультрабольшие ИС), интегрирующие до 10…100 млн. транзисторов, на которых размещается 256…1000 транспьютеров.

В США уже 10…20 лет в научных и проектных центрах эксплуатируются несуперинтегральные гиперкубовые суперЭВМ типа СМ – 1,2,3 (Connection Machine – соединительная машина), содержащие 65536 элементарных последовательных машин (одноразрядных процессоров), размещенных в 212 кластерных СБИС, каждая из которых содержит 16 элементарных машин и по гиперкубовому принципу соединяется 12-ю линками с 12-ю непосредственными соседями. Опыт их эксплуатации показал, что такие суперЭВМ, организованные по принципу массового параллелизма, могут превзойти по возможностям рассмотренные АЦВК. Например, на СМ – 1 удалось построить цифровую модель всех переходных процессов проектируемой БИС, содержащей до 8000 транзисторов.

Поэтому остальную часть данной дисциплины мы посвятим изучению основ архитектуры параллельных ЦВМ, а завершим её рассмотрение в следующей дисциплине «Специализированные процессоры, машины и сети».

3. Основы архитектуры параллельных

ЭВМ и систем.

3.1 Типы параллелизма в задачах обработки

информации и принципы их использования

для повышения производительности ВС.

Параллельная обработка информации, наряду с повышением быстродействия элементной базы, является эффективным методом увеличения производительности ЦВМ. Правительства всех развитых стран мира рассматривают высокопроизводительные параллельные вычисления в ЦВМ как стратегически важнейшую задачу, решение которой обеспечивает не только техническое лидерство в области ВТ, но и конкурентноспособность экономики страны на мировом рынке XXI века. В программы создания параллельных ВС вкладываются миллиарды долларов с тем, чтобы к 2000 году достичь производительности 104 Гфлопс (млрд. операций с плавающей запятой в секунду).

Применяются следующие способы организации параллельной обработки информации:

1)  Совмещение во времени различных этапов обработки разных задач (псевдопараллелизм на основе мультипрограммирования и разделения времени процессора);

2)  Одновременное решение разных задач или параллельных частей одной и той же сложной задачи на нескольких процессорах или ЭВМ;

3)  Конвеерная обработка как наиболее важный вид обработки по второму способу.

Вся история развития современных однопроцессорных ЭВМ и микропроцессорных систем – это постепенное введение и усовершенствование методов параллельной обработки:

1)  Параллельные многоразрядные сумматоры и АЛУ;

2)  Многомодульные параллельные многопортовые ОЗУ;

3)  Конвеерные АЛУ и конвеевные блоки управления процессоров с блоками опережающей выборки команд;

4)  Кэш-память;

5)  Сверхпараллельная аппаратно избыточная арифметика (матричные однотактные сдвигатели, блоки умножения и деления);

6)  Псевдопараллелизм на уровне устройств ЭВМ на основе мультипрограммной обработки и обработкив режиме разделения времени центрального процессора.

Дальнейшая тенденция введения параллелизма – это организация параллельной одновременной работы нескольких процессоров и прочих устройств ЭВМ: модулей ОЗУ, процессоров (каналов) ввода-вывода, периферийных устройств. С целью экономии расхода технических средств в настоящее время структурную и функциональную организацию параллельной ВС приспосабливают под определенный наиболее распространенный вид параллелизма, встречающийся в задачах обработки информации, с тем, чтобы получить максимальный выигрыш в повышении скорости решения определенного класса задач при минимальных затратах. Строятся параллельные ВС, проблемно-ориентированные на какой-либо достаточно широкий класс задач, но являющиеся машинами широкого назначения в своем классе задач.

В будущем при переходе на новую многопроцессорную ультрабольшую интегральную элементную базу (например, большие пластины транспьютерных сетей), т. е. после перехода к «мелкозернистым» ВС станет экономически выгодным крупносерийное производство универсальных параллельных ВС. Однако в любом случае тип параллелизма решаемой задачи оказывает существенное влияние на способ организации паралелльной ВС и на основные элементы её архитектуры: техническое, программное и информационное обеспечение.

Поэтому очень важно понять как тип параллелизма решаемой задачи влияет на способ оргпнизации параллельной ЭВМ.

3.1.1 Естественный параллелизм

независимых задач.

Он наблюдается, если в ВС поток не связанных между собой задач. В этом случае повышение производительности сравнительно легко достигается путем введения в «крупнозернистую» ВС ансамбля независимо функционирующих процессоров, подключенных к интерфейсам многомодульной ОП и инициализации процессоров ввода/вывода (ПВВ).

 

Число модулей ОП m>n+p c тем, чтобы обеспечить возможность параллельного обращения в памятьвсех обрабатывающих процессоров и всех ПВВ и повысить отказоустойчивость ВС. Резервные (m-n-p) модули ОП необходимы для быстрого восстановления при отказе рабочего модуля и для хранения в них ССП процессоров и процессов в контрольных точках программ, необходимых для рестарта при отказе процессора или модуля ОП.

Создается возможность под каждую из решаемых задач временно объединять пару: Пi+ОПj как автономно функционирующую ЭВМ. Предварительно этот же модуль ОП работал в паре: ПВВк+ОПj, и в ОПj в буфер ввода была занесена программа и данные. По окончании обработки в ОПj организуется и заполняется буфер вывода, а затем модуль ОПj вводится в пару ОПj+ПВВr для обмена с периферийным устройством.