|
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ КІБЕРНЕТИКИ ІМЕНІ В.М. ГЛУШКОВА
ВИШИНСЬКИЙ ВІТАЛІЙ АНДРІЙОВИЧ
УДК 681.324
ЕЛЕКТРОННІ ОБЧИСЛЮВАЛЬНІ МАШИНИ
НА ОСНОВІ АЛГЕБР З РЕГУЛЯРНИМ МАТРИЧНИМ ПРЕДСТАВЛЕННЯМ
05.13.13 – обчислювальні машини,
системи та мережі
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Київ – 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України.
Науковий консультант: доктор технічних наук
ЯКОВЛЄВ Юрій Сергійович,
Інститут кібернетики
ім. В.М. Глушкова НАН України,
завідувач відділом
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
БАРКАЛОВ Олександр Олександрович,
Донецький національний технічний університет,
професор кафедри електронних обчислювальних
машин,
доктор технічних наук,
ГАМАЮН Володимир Петрович,
Інститут кібернетики
ім. В.М. Глушкова НАН України,
старший науковий співробітник,
доктор технічних наук, професор
ТАРАСЕНКО Володимир Петрович,
Національний технічний університет України
“Київський політехнічний інститут”,
завідувач кафедрою спеціалізованих комп’ютерних
систем
Провідна установа: Інститут проблем моделювання в енергетиці
ім. Г.Є. Пухова НАН України
Захист відбудеться “21” січня 2004 р. о 14. 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.194.03 при Інституті кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України за адресою:
03680 Київ-187, проспект Академіка Глушкова, 40.
З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Інституту кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України.
Автореферат розісланий “28” листопада 2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради ________________ РОМАНОВ В.О.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Науково-технічний прогрес постійно стимулює удосконалювання засобів ОТ. Існують цілі класи задач, для яких потрібні обчислювальні машини, обчислювальні системи надвисокої продуктивності. Звичайно надії на розв’язок цих задач пов'язують з ЕОМ нових поколінь, розробка яких активізувалась на початку розвитку мікроелектронної елементної бази. Вважалося, що цілком достатньо реалізувати існуючі обчислювальні структури, обчислювальні системи в мікроелектронному варіанті і проблема буде вирішена. Дотримуючись цього підходу, серйозну заявку на п'яте покоління машин зробили вчені Японії. Проте їхній десятилітній досвід досліджень і розробок не дав позитивних результатів. П'яте покоління вони не створили. Аналогічні невдалі проекти були в Європі та Америці.
Наші дослідження, результати яких наведені в першому розділі дисертації, показали, що перехід на нову елементну базу не є достатнім для появи машин нового покоління. У всякому разі необхідно враховувати ще сім ознак, які у сучасній Computer scіence не визначені.
Пошуки концепцій, архітектур машин нового покоління сьогодні проводяться у роботах, що направлені на створення надпотужних супер-ЕОМ у рамках ідеології сучасного покоління. Останнє призводить до невиправданого зростання апаратурних витрат, які ускладнюють як самий проект, так і дослідні зразки проектованих машин та піднімають їх ціну. Загальні витрати на створення супер-ЕОМ досягають одного мільярда доларів. За повідомленням журналу New Scіence (2002 р.), у Японії, компанією NEC створений самий могутній суперкомп'ютер - "Симулятор Землі". Його продуктивність вимірюється 35 Тфлоп, а площа, яку він займає, дорівнює чотирьом тенісним кортам. Вартість розробки оцінюється в 400 мільйонів доларів. Останнім часом питання створення суперкомп'ютерних комплексів зайняли одне із самих пріоритетних місць у державній політиці провідних країн світу. У США, Європі, Японії і Росії проблема суперкомп'ютерів розглядається на найвищих рівнях державного управління. США відносять успіхи в галузі створення надпотужних супер-ЕОМ та їх використання до основи своєї стратегічної переваги у ХХІ столітті. Розраховувати на продаж США чи Японією подібних обчислювальних машин Україні не доводиться, тому що та країна, у якої є більш могутні обчислювальні системи, буде мати найвищу конкурентоздатність. Таким чином, для України розробки створення надпотужних супер-ЕОМ, а тим паче машин нового покоління, є цілком актуальними.
На сучасному етапі розвитку ОТ, коли працюють технічні ідеї побудови ЕОМ поточного покоління, склалася проблемна ситуація. Згідно з нею будь-які зусилля, спрямовані на збільшення та ускладнення апаратури для досягнення високої продуктивності ЕОМ, призводять, перш за все, до непропорційно великого та невиправданого збільшення об’єму та вартості програмного забезпечення, ускладнюючи та здорожуючи тим самим машину в цілому. Такому стану в ОТ сприяє цілий ряд проблем, вісім з яких детально досліджуються в дисертації. Виявилося, що їх вирішення залежить від дев'ятої (фундаментальної) проблеми, суть якої полягає в ліквідації протиріччя, що виникло в розвитку ОТ між інтеграційними процесами в мікроелектронній апаратурі (понадвелика інтеграція) та в технології обчислень, які виконуються у дрібних одиницях інформації (числах).
Машинна математика (арифметика), як машинна технологія обробки інформації, що заснована на оперуванні з числами, виявилась неефективною, занадто "малопотужною" для розробки архітектури і структури машини, що максимально використовує понадвелику інтеграцію мікроелектроніки. Знання в науці виявилися недостатніми для усунення цього протиріччя. Відсутні ідеї, чи концепції, результати конкретних розробок, що дозволили б скористатися досягненнями мікроелектронної елементної бази для створення машин нового покоління. Скоріш за все потрібна концепція, суть якої полягає у заміні машинної арифметики машинною алгеброю (під машинною алгеброю розуміються засоби, які у собі вміщають алгоритмічну та апаратурну підтримку машинної мови високого рівня, операціями якої є операції широкого кола алгебр). Власне кажучи, у даному випадку буде доречним латинський вислів "Ab ovo" ("Від яйця") - запропонована концепція передбачає переглянути те, що було на самому початку - машинну арифметику. Керуючись цим задумом (концепцією), автор дисертації пропонує та розвиває нову технологію машинної обробки інформації, яка і є вирішенням фундаментальної проблеми сучасного розвитку ОТ. В цій технології укрупнені операції і відповідно збільшені одиниці інформації (матриці, поліноми, ряди і т.д. ), з якими оперує машина. Наведені в дисертації результати досліджень показують, що такий рівень технології обчислень адекватний інтеграційним процесам, які відбуваються в мікроелектроніці.
Архітектура і структура ЕОМ, основою якої є запропонована машинна технологія обробки інформації, дозволяє в однопроцесорному варіанті подолати рубіж еквівалентної швидкодії в 1Тфлопс. При цьому суттєво спрощується та здешевлюється програмне забезпечення.
Однією з особливостей машин будь-якого покоління є те, що їхня архітектура, структура і технологічний процес машинної обробки інформації найбільш пристосовані до власної елементної бази. Для ЕОМ нового покоління, яка буде працювати в запропонованій технології, елементна база представлена мікросхемами. Проектування і виготовлення такої машини в умовах її елементної бази значно спрощується і здешевлюється. Для України, економічні ресурси якої досить обмежені, ці особливості машин нового покоління суттєві.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких наведені в дисертації, виконувалися автором протягом 20 років в Інституті кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України за 13 темами і договорами. Результати досліджень включені в програму 06.05 "Перспективні засоби обчислювальної техніки" (1997-2000 рр.). Наприкінці дев'яностих років минулого сторіччя і в останні роки дослідження велися в рамках державних програм за такими темами:
- "Розробити та дослідити алгоритми реалізації операцій над функціями матрично-алгебраїчної ЕОМ". Шифр теми ІП. 206.055 (1996 – 1998 рр.; автор дисертації - відповідальний виконавець теми);
- "Розробити теоретичні основи структурної організації і проектування проблемно-орієнтованих комплексів на базі сучасних методів вибору проектних рішень". Шифр теми ІП 255. 02 (1997 – 1998 рр.; автор дисертації - відповідальний виконавець теми);
- "Теоретичні основи розвитку архітектури ЕОМ нових поколінь". Шифр теми ВФ. 205.011 (1997 – 2000 рр.; автор дисертації - відповідальний виконавець теми);
- "Виконати теоретичні та експериментальні дослідження перспективних технологій машинної обробки інформації для створення вітчизняних конкурентоздатних ЕОМ нового покоління". Шифр теми МН. 255.022 (1997 – 1998 рр.; автор дисертації - відповідальний виконавець теми);
- "Дослідження і розробка теорії та технології системної інтеграції при створенні комп'ютерних систем". Шифр теми ВФ 255. 03 (1999 – 2001 рр.; автор дисертації - відповідальний виконавець теми);
- "Теоретичні аспекти високопродуктивних ЕОМ з високим рівнем машинного інтелекту". Шифр теми ВФ 205 13 (2001 – 2005 рр.; автор дисертації - відповідальний виконавець);
- "Створити методи системної інтеграції для розробки ЕОМ, пошукових і розподілених інформаційно-аналітичних систем з використанням знання-орієнтованих WEB технологій". Шифр теми ВФ 255 04 (2002 – 2005 рр.; автор дисертації - відповідальний виконавець).
Автор дисертації є науковим керівником теми "Дослідити та розробити машинну мову високого рівня зосередженої великої комп'ютерної системи нового покоління з продуктивністю понад 1 Тфлопс". Шифр теми ІП 255.05 (2002 – 2005 рр.)
Мета і задачі дослідження. Метою дисертації є вирішення проблеми сучасного розвитку ОТ, суть якої полягає в тому, що будь-які зусилля, направлені на збільшення та ускладнення апаратури для досягнення високої продуктивності ЕОМ, призводять, насамперед, до непропорційно великого і невиправданого росту обсягу і вартості програмного забезпечення, росту загальних витрат на машину. Досягнення зазначеної мети зводиться до ліквідації протиріччя, яке загострилося між інтеграційними процесами, що мають місце в застосуванні мікроелектронної апаратури в ОТ та організацією технології машинної обробки інформації, що в кінцевому підсумку потребує заміни машинної арифметики машинною алгеброю.
Для виконання поставленої мети в дисертації вирішуються наступні задачі:
1. Розробка алгоритмічної та апаратурної підтримки машинної технології обробки інформації, що використовує машинну алгебру.
2. Розробка основ елементної бази ЕОМ, що працює в машинній алгебрі.
3. Розробка технологічного процесу розв’язку задач в матрично-алгебраїчній технології обробки інформації.
4. Розвиток математичного апарату матричного представлення алгебр, що знайшли своє застосування в обчислювальній математиці.
Об'єктом досліджень є способи, методи, алгоритми, концепції, ідеї для створення і застосування
- нової машинної технології обробки інформації, архітектури і структури засобів ОТ надвисокої продуктивності;
- обчислювальної і прикладної математики, орієнтованої на організацію обчислювального процесу в машині нового покоління;
- технології розробки і виготовлення мікроелектронних інтегральних виробів.
Предмет досліджень:
- машинна технологія обробки інформації, яка вирішує основне протиріччя сучасного розвитку ОТ, що полягає в невідповідності інтеграційних процесів у мікроелектронній апаратурі аналогічним процесам у технології обробки інформації;
- основи теорії машин нового покоління з використанням нової технології обробки інформації.
Методи досліджень. ЕОМ являє собою складну систему, в якій зосереджені три галузі знань - обчислювальне машинобудування, обчислювальна математика і мікроелектронна технологія. Створення технології машинної обробки інформації ЕОМ нового покоління, яке випливає із вирішення фундаментальної проблеми сучасного розвитку ОТ, потребує врахування цих трьох областей людської діяльності. Для цього в дисертації застосовується метод системного підходу, системного аналізу. Оригінальною особливістю в дисертації є те, що використання даного методу ґрунтується на правилах поведінки систем, як на законах існування матерії.
У дисертації застосовується метод класифікації, оснований на законі єдності і боротьби протилежностей. Згідно з ним число класів, що характеризують явище, повинно дорівнювати величині 2p, де p - кількість ознак класифікації. Якщо число класів, внаслідок досліджень, є меншим наведеної величини, то це означає, що не всі класи були виявлені. І, навпаки, якщо число класів перевищує 2p, то така ситуація свідчить, що в переліку класи повторюються. Цей метод класифікації був використаний при дослідженні
- проблем сучасного розвитку ОТ;
- ознак відмінностей (n + 1) - го покоління ЕОМ від n – го;
- основних принципів запропонованої машинної технології обробки інформації.
Для створення елементної бази ЕОМ, яка може бути побудована згідно із запропонованою інформаційною технологією, в дисертації досліджується мікроелектронна технологічна база. Ключовою особливістю цієї бази є зосередження (нагромадження) великої кількості транзисторів в одній мікросхемі, що не завжди призводить до якісних змін у створюваному виробі. Для того щоб уникнути цього негативного явища, в дисертації застосовується метод досліджень, що використовує закон діалектики переходу кількісних накопичень у якісні зміни.
У процесі виконання дисертаційної роботи була побудована "математична" послідовність алгебр, що знайшли своє використання в обчислювальній математиці. В аналогічну послідовність ("технічну") стають засоби ОТ, які належать до різних поколінь ЕОМ. Досліджуючи ці дві схожі одна на одну послідовності, автор дисертації використав метод аналогій у прогнозуванні розвитку ОТ і розробки нових знань для алгоритмічної та апаратурної підтримки запропонованої машинної технології обробки інформації.
Наукова новизна отриманих результатів:
- У дисертації поставлена і вирішена фундаментальна проблема сучасного розвитку ОТ, суть якої полягає в тому, що в розвитку ОТ виникло протиріччя між інтеграційними процесами в мікроелектронній апаратурі (понадвелика інтеграція) і технологічним процесом обчислень, що, як і раніше, виконується в дрібних одиницях інформації (числах). Внаслідок цього замість машинної арифметики створена машинна технологія (машинна алгебра) обробки інформації ЕОМ, у якій і ліквідується зазначене протиріччя.
- Отримані нові знання в області універсальних алгоритмічних систем. Доказуючи, що відомі машини Тьюринга і Поста, системи Колмогорова -Успенського і Маркова не придатні для створення машинної технології, що ліквідує основне протиріччя сучасного розвитку ОТ, у дисертації для цієї технології запропонована оригінальна універсальна алгоритмічна матрично-алгебраїчна система.
- Уперше в Computer scіence машинними командами ЕОМ пропонується використовувати процедури машин нинішнього покоління, а як операнди (дані, мінімальні одиниці інформації), з якими працює машина, - складні структури даних сучасних ЕОМ.
- Запропонована технологія збереження, транспортування й обробки алгебраїчних даних у машині нового покоління, що вперше забезпечує так званий операндний "комфорт" в апаратурі для матриць, векторів фіксованого порядку і діапазону зміни їхніх елементів-чисел.
- Запропонована нова модель обчислення скалярних характеристик, норм алгебраїчних даних. Ця модель дозволяє в апаратурній реалізації розроблювальної машинної технології зняти відому проблему "вузького горла" каналу зв'язку та узгодження швидкодії матричного процесора з обчислювальним засобом скалярної обробки, коли матричний процесор використовується в парі з базовою машиною чи багатопроцесорною системою.
- Для успішного вирішення проблеми розпаралелювання обчислювального процесу на рівні реалізації машинних операцій (процедур сучасних ЕОМ) уперше застосований математичний апарат інтерполяції і використовується принцип забезпечення даними обчислювального пристрою не під час обчислень, а до їхнього початку (апріорі).
- Уперше запропонована концепція апаратурної (не мікропрограмної) підтримки великих процедур сучасних машин - основи машинної мови розроблювальної технології.
- Уперше в Computer scіence запропонована технологія сортування, яка основана на порівнянні чисел не між собою, а з єдиною константою для всього масиву.
- Запропонована концепція реалізації надпотужної ЕОМ на базі невеликого функціонально повного набору вузькоспеціалізованых мікросхем із надвеликим рівнем інтеграції.
- Уперше в Computer scіence запропоновано представляти елементарні дані (операнди) ЕОМ у матричному вигляді на основі математичного апарату регулярних матричних представлень алгебр.
- Уперше показано, що порозрядне транспортування даних в ЕОМ може не зменшувати швидкодію машини, за відповідної алгоритмічної і апаратурної підтримки машинних операцій. Ця особливість дозволяє кардинально скоротити кількість контактів в апаратурі, що дуже актуально для технічної реалізації запропонованої машинної технології обробки інформації на сучасній мікроелектронній елементній базі.
Вирішення в дисертації фундаментальної проблеми є основою для розв’язку проблем, що сьогодні стоять на перешкоді при розробці надпотужних супер-ЕОМ. До них належать такі проблеми:
- комутації і керування між обчислювальними засобами;
- розпаралелювання обчислювального процесу на рівні процедур сучасних ЕОМ;
- використання понадвеликої інтеграції мікроелектронної технології для створення схем обробки і збереження інформації.
Для проблем, що сьогодні ставить ОТ перед мікроелектронною технологією, знята актуальність. До них належать такі проблеми:
- узгодження частоти спрацьовування елементів ОТ всередині мікросхеми і поза нею;
- скорочення кількості контактних площадок мікросхеми;
- спрощення САПР у мікроелектроніці;
- відбраковування готових мікроелектронних виробів (верифікації).
Запропонована в дисертації машинна технологія обробки інформації дозволяє вирішити проблему, на яку свого часу вказували академік В.М. Глушков і професор Я.Чу (зменшення питомої ваги складності й обсягу програмного забезпечення в загальних витратах всієї обчислювальної системи).
Отримані наукові результати дозволили створити теорію матрично-алгебраїчних електронно-обчислювальних машин, що принципово відрізняються за своїми характеристиками від існуючих ЕОМ. Їхня машинна технологія обробки інформації, архітектури і структури характеризують машини нового покоління (рис.1). Це підтверджується тим, що в них
Рис. 1. Схема впливу домінуючих ознак на розвиток ЕОМ
машинними командами, операндами використовуються відповідно процедури і складні структури даних ЕОМ нинішнього покоління. У даному випадку має місце аналогія щодо того, як це було при переході від машин першого покоління до другого. Тоді машини другого покоління теж використовували процедури і складні структури даних машин першого покоління як свої відповідно машинні команди і операнди.
Запропонована машинна технологія обробки інформації (матрично-алгебраїчна) для засобів ОТ нового покоління відіграє ту ж роль, що й машинна арифметика для сучасних машин. На основі цієї технології можуть бути побудовані ЕОМ різних класів - від персональних комп'ютерів до супер-ЕОМ.
Практичне значення отриманих результатів. У дисертації запропоновані принципи функціонування матрично-алгебраїчної машинної технології обробки інформації. Розроблено алгоритмічний і апаратурний базиси нової ЕОМ, що дозволяє створити однопроцесорну матрично-алгебраїчну ЕОМ (варіант SІSD) з еквівалентною швидкодією в 1Тфлопс. При невеликій частоті роботи елементів (300 МГц) та інтеграції вентилів на кристал (10 млн.) апаратурні витрати такої ЕОМ будуть складати кілька тисяч корпусів.
Запропоновані в дисертації алгоритми і схеми гарантують технологічність у проектуванні, виготовленні та експлуатації дослідного зразку. Вартість його (на декілька порядків) менше, ніж проект найсучаснішої супер-ЕОМ.
Результати, що захищаються в дисертації, знайшли своє впровадження в 14 авторських свідоцтвах, а також у державних замовленнях, що виконувалися по 13 темах. Отримані результати використовувалися в навчальному процесі студентів за програмами ОТ у Київському державному авіаційному університеті. Роботи також знайшли своє впровадження в НДІ "Мікроприлад". Акти, що свідчать про використання отриманих результатів, додані до дисертації.
Апробація результатів дисертації. Результати виконання досліджень дисертації доповідалися на різних конференціях, симпозіумах, семінарах, у тому числі на:
ІІІ Всесоюзній школі семінарі "Рівнобіжне програмування і високопродуктивні структури" ("Про один підхід до разпаралелювання матрично-векторних операцій", опубліковане в журналі “Кібернетика”. - 1981. - №3. - С. 148;
Республіканській школі-семінарі "Питання оптимізації обчислень", що проводилася в Кацівелі, Крим, 1983. ("Про математичне забезпечення майбутніх ЕОМ");
Семінарі ГКНТ СРСР (Москва) безпосередньо Голові ГКНТ Марчуку Г.І. Тема доповіді: "До питання про створення "матричних" ЕОМ надвисокої
продуктивності", 1983;
Міжнародній конференції Іntern. "Conf. Massіvely Parall. Appl. and Development", що проходила в Амстердамі, Голландія, 1994. ("Massіvely Parallel processіng іn basіs of complex data structures");
Міжнародному симпозіумі "Питання оптимізації обчислень" у Києві, 1999 ("До оптимізації обчислювального процесу при дослідженні якісних властивостей динамічних систем на перспективних ЕОМ").
Публікації. Результати дисертації опубліковані у вигляді
- наукових статей журналів: "Кібернетика і системний аналіз", "УСИМ", "Проблеми керування й інформатики", "Математичні машини і системи";
- наукових праць у збірниках: Інституту кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України, Київського національного університету імені Тараса Шевченка;
- авторських свідоцтв СРСР;
- доповідей на конференціях і семінарах.
Загальна кількість опублікованих праць за темою дисертації - 36.
Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновку, списку використаних джерел, що налічує 135 найменувань. Повний обсяг дисертації викладений на 289 сторінках машинописного тексту, з них - 30 рисунків, 11 сторінок списку використаних джерел. Крім того, дисертація містить додаток А на 44 сторінках.
| 
