Самоконфігуровні високопродуктивні комп’ютерні системи

Abstract

Дисертація присвячена розробленню теоретичних основ, методів та засобів побудови та організації функціонування нового класу високопродуктивних комп’ютерних засобів – самоконфігуровних комп’ютерних систем і їхніх компонентів, їх дослідженню та реалізації. Розроблено основи організації функціонування та досліджено шляхи вдосконалення архітектури РККС, визначено проблеми, що перешкоджають підвищенню їх ефективності і запропоновано методи їх вирішення. Розроблено теоретичні основи побудови та організації функціонування СККС, в яких враховано запропоновані вдосконалення РККС. Досліджено характеристики тривалості опрацювання інформації в СККС і доведено їх принципові переваги над реконфігуровними. Розроблено принципи структурної організації СККС і концептуальні основи побудови їхніх компонентів. Розроблено нову архітектуру, спосіб опрацювання інформації, базові типи структур та основи проектування паралельних спеціалізованих процесорів для виконання в реконфігуровному середовищі СККС алгоритмів з інваріантною до даних структурою. Розроблено та досліджено методи побудови в СККС засобів генерування програмних моделей спеціалізованих процесорів, структуру та принципи функціонування системи генерування. Здійснено розроблення, дослідження та реалізацію засобів взаємодії компонентів СККС. Запропоновано методологічні основи побудови, принципи структурної організації та функціонування системи віддаленого доступу до реконфігуровних прискорювачів. Проведено реалізацію та експериментальні дослідження СККС і їх базових компонентів. Диссертация посвящена разработке теоретических основ, методов и средств построения и организации функционирования нового класса высокопроизводительных компьютерных средств – самоконфигурируемых компьютерных систем и их компонентов, их исследованию и реализации. Проведен анализ принципов построения, технологий проектирования и направлений развития высокопроизводительных компьютерных систем. Исследованы основные подходы к построению этих систем, определены проблемные вопросы повышения их производительности и эффективности, установлена перспективность построения высокопроизводительных компьютерных систем на основе устройств реконфигурируемой логики. Разработаны основы организации функционирования и исследованы пути совершенствования архитектуры РККС. Проведено исследование и сравнительный анализ типов архитектуры РККС и обоснована целесообразность применения в них реконфигурируемых ускорителей. Проведены исследования средств взаимодействия компонентов РККС слабосвязанной и тесносвязанной типов архитектуры с позиции организации взаимодействия между компьютером и реконфигурируемым ускорителем, оценены характеристики существующих реконфигурируемых ускорителей и проведены экспериментальные исследования характеристик РККС в зависимости от сложности задачи, что позволило определить области целесообразного применения реконфигурируемых ускорителей. Определены проблемы, препятствующие повышению эффективности РККС, и предложены методы их решения. Разработаны теоретические основы построения и организации функционирования самоконфигурируемых компьютерных систем, в которых учтены предложенные усовершенствования РККС, в частности предложена концепция их построения, метод самоконфигурирования и соответствующий ему способ обработки информации. Исследованы характеристики продолжительности процессов обработки информации в СККС и путем проведения аналитических и экспериментальных исследований доказаны их принципиальные преимущества перед РККС. Разработаны принципы структурной организации СККС и концептуальные основы построения их базовых компонентов – системы распределения вычислительной нагрузки между компьютером и реконфигурируемой логикой, и системы генерирования программных моделей специализированных процессоров. Сформированы требования к остальным компонентам – средствам логического синтеза специализированных процессоров, реконфигурируемой среде и средствам взаимодействия с ней. Обоснована необходимость и разработана новая архитектура, способ обработки информации и основы проектирования параллельных специализированных процессоров для выполнения в реконфигурируемой среде СККС алгоритмов с инвариантной к данным структурой. Разработаны четыре типа структур таких процессоров, исследованы их технические характеристики и разработана методика расчета продолжительности выполнения в них программы. Сформированы основы проектирования специализированных процессоров для выполнения алгоритмов с инвариантной к данным структурой, что позволило сформировать теоретическую базу для построения систем их автоматического проектирования. Разработаны и исследованы методы построения в СККС средств генерирования программных моделей специализированных процессоров. По результатам этих исследований разработана структура и принципы функционирования системы генерирования программных моделей специализированных процессоров. Осуществлены разработка, исследование и реализация средств взаимодействия компонентов СККС. Предложены методологические основы построения, принципы структурной организации и функционирования системы удаленного доступа к реконфигурируемым ускорителям. Проведена реализация и экспериментальные исследования СККС и реализованы их базовые компоненты – система распределения вычислительной нагрузки и средства генерирования программных моделей специализированных процессоров на основе библиотеки их компонентов. На примере алгоритма быстрого преобразования Фурье осуществлены проектирование и реализация параллельного специализированного процессора для выполнения алгоритмов с инвариантной к данным структурой, реализовано четыре базовых типа параллельной памяти с упорядоченным доступом для процессоров этой архитектуры, оценены характеристики реализованных устройств. Thesis is dedicated to development of the theoretical foundations, methods and means of design and operation of a new class of high-performance computer facilities – self-configurable computer systems (SCCS) and their components, their study and implementation. Theoretical foundations of operation and ways for improvements in the reconfigurable computer systems architecture are developed and explored. The problems, hindering these systems effectiveness, are identified, and methods to solve them are proposed. Theoretical principles of design and operation of the SCCS, which include the proposed improvements, are developed. Characteristics of information processing duration in the SCCS are investigated and SCCS’s fundamental advantages over the reconfigurable ones are proved. Principles of structural organization of the SCCS and conceptual bases of their components design are developed. A new architecture, information processing method, the basic structures and design foundations of the specialized processors for parallel execution in the SCCS’s reconfigurable environment of the algorithms, invariant to the data structure, are developed. The methods of construction of the specialized processors VHDL-models generation means for the SCCS, structure and operating principles of the generation system are developed and studied. Design, research and implementation of the software for the SCCS’s components interaction are done. Methodological base of the structural organization and functioning of the system of remote access to the reconfigurable accelerators are proposed. An implementation and experimental study of the SCCS and their basic components are performed.