ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі аналізується стан сучасного розвитку ОТ, обґрунтовується актуальність теми дисертації, її мети та задачі. Особлива увага приділена методам досліджень. На прикладі дослідження проблеми САПР і проблеми верифікації ПВІС системний аналіз застосовувався у зв'язку із законом кібернетики про способи створення простих та складних систем. Вірне застосування дії цього закону дозволило вибрати правильний напрямок у вирішенні проблеми створення елементної бази нового покоління. Напрацювання нових знань в галузі технологій обробки інформації потребувало застосування діалектичного методу. Зокрема в дисертації отримані результати шляхом застосування закону єдності і боротьби протилежностей і закону переходу кількісних змін у якісні. Ґрунтуючись на цих діалектичних методах досліджень, вирішена фундаментальна проблема сучасного розвитку ОТ, запропоновані і розроблені алгоритми і пристрої матрично-алгебраїчної технології машинної обробки інформації, її елементної бази. Показано також застосування методу аналогій при розробці моделі розвитку ОТ. У вступі детально наведений особистий внесок автора дисертації в її зміст.
Перший розділ дисертації "Проблеми розвитку ОТ та шляхи їх
вирішення" присвячений дослідженню проблем, що сьогодні стоять перед
розробниками засобів ОТ. Серед них особливе місце займає проблема
комутації та управління в багатопроцесорній системі надвисокої продуктивності, а також проблема розпаралелювання обчислювального процесу. Розкриті труднощі вирішення зазначених проблем.
Використання мікроелектронної елементної бази для створення засобів ОТ, крім відомих переваг та зручностей, пов'язано з рядом проблем. Одна з них характеризує особливості застосування понадвеликої інтеграції для схем обробки інформації. Цю проблему ще на початку восьмидесятих років сформулював відомий фахівець мікроелектроніки Гордон Мур. При реалізації функціональної схеми обробки інформації на кристалі спостерігається неефективне використання його площі. Ця проблема на сьогодні досить актуальна.
Для збільшення швидкості та обсягів обробки інформації вимагаються засоби запам'ятовування даних, що володіють величезною ємністю і малим часом звертання до них. Традиційний шлях задоволення цих вимог містить у собі, поряд зі збільшенням щільності запису інформації, підвищення частоти роботи мікросхеми. Останнє дуже часто призводить до її перегріву з наступним виходом з ладу. Таким чином, зазначене явище (перегрівання мікросхеми) породжує нову проблему пам’яті. Воно перешкоджає подальшому (традиційним шляхом) збільшенню інформаційного об’єму пам’яті і зменшенню часу звертання до її комірки.
Реалізація сучасних архітектур і структур ставить перед мікроелектронною технологією ряд вимог, задоволення яких можливо тільки при вирішенні проблем
- узгодження високої частоти роботи усередині схеми і поза її межами;
- збільшення кількості контактних площадок навколо мікросхеми;
- створення САПР понад великих інтегральних схем;
- верифікації готового мікроелектронного виробу.
Досліджуючи особливості вищерозглянутих проблем, у першому розділі стверджується, що їхнє вирішення можливе лише при ліквідації основного протиріччя сучасного розвитку ОТ, яке генерує фундаментальну проблему. Серйозність і складність вирішення цієї проблеми вимагають розробки нових підходів і методів досліджень. Для цього в дисертації використовується підхід, заснований на моделі розвитку ЕОМ по поколіннях. Пропонується нове трактування поняття покоління ЕОМ - за ознаками відмінностей (n +1)-го покоління машин від n-го.
Першою і найважливішою ознакою відмінності одного покоління від іншого є нова якість елементної бази, що характеризує стрибок в інтеграції обчислювальних схем в елементах, підвищенні їхньої надійності, частоти спрацьовування, поліпшенні технологічності виготовлення та інших властивостей елементів, що істотно впливають на нову ЕОМ.
Друга ознака відмінності одного покоління машин від іншого характеризує те, що схема машини нового покоління, виконана в елементній базі попереднього покоління, буде непрацездатною. У той же час просте (арифметичне), (силове) [89] нагромадження існуючих схем машин, що має місце в структурах типу SІSD,SІMD,MІSD і MІMD, не дозволяє створити машину нового покоління.
Третя ознака характеризується тим, що в ЕОМ (n+1)-го покоління підвищення рівня машинної мови здійснюється шляхом введення в неї як машинних операцій (команд) процедур машин n-го покоління. Причому, технічна реалізація цих операцій має бути виконана не мікропрограмними засобами, а шляхом створення ефективних швидкодіючих спеціалізованих пристроїв.
До четвертої ознаки відмінності (n+1)-го покоління ЕОМ від n-го варто віднести істотну інтеграцію інформації в машинному операнді. Операндом машини нового покоління є елемент алгебри складних структур даних машин попереднього покоління.
Відповідно до п'ятої ознаки відмінності ЕОМ перехід від покоління до покоління має супроводжуватися істотним зниженням складності системного програмного забезпечення, а в остаточному підсумку - і його вартості. Таке зниження складності дозволяє ефективно виконати його “занурення” в апаратуру без застосування традиційного підходу представлення системного забезпечення у вигляді програм.
На ЕОМ n-го покоління неможливо або надзвичайно складно вирішувати задачі, призначені для розв’язування їх на ЕОМ (n+1)-го покоління. Цю особливість ЕОМ варто віднести до шостої ознаки відмінностей поколінь.
Відповідно до сьомої ознаки відмінності (n+1)-го покоління від n-го ЕОМ мовні засоби представлення системного програмного забезпечення машини нового покоління вбирають в себе алгоритмічні - процедурні властивості, перекачуючи їх, таким чином, з користувальницьких мов.
Восьма ознака. Зовнішня користувальницька мова машини від покоління до покоління повинна якнайбільше вбирати в себе властивості проблемно-орієнтованих природних мов. В кінцевому підсумку вона має стати функціональною (не процедурною) мовою.
Серед визначальних ознак нового покоління в дисертації, насамперед, виділені ознаки, згідно з якими в ЕОМ нового покоління машинними командами використовуються процедури, а як операнди - складні структури даних сучасних машин. Завдяки застосуванню цих ознак автор розробив універсальну алгоритмічну систему - основу нової машинної технології обробки інформації.
Ознака відмінності поколінь, що характеризує структурні, схемні доробки, вказує на неможливість макетування (повного машинного моделювання) машинної технології обробки інформації нового покоління в елементній базі попереднього покоління.
У цьому розділі запропонована нова універсальна алгоритмічна матрично-алгебраїчна система, у якій алгоритми розв’язування задач представляються послідовністю операцій числової алгебри матриць і будь-якої логічної
алгебри (наприклад, алгебри Буля). При цьому показано, що відомі універсальні алгоритмічні системи непридатні до використання їх у новій
машинній технології, за допомогою якої може бути вирішена фундаментальна проблема сучасного розвитку ОТ.
У другому розділі "Загальна концепція та основні принципи створення технології обробки інформації універсальної матрично-алгебраїчної ЕОМ" розглянуто вирішення фундаментальної проблеми сучасного розвитку ОТ, зміст якого зводиться до використання нової машинної технології обробки інформації (машинної алгебри) замість традиційної машинної арифметики. В основу такої технології покладені операції універсальної алгоритмічної матрично-алгебраїчної системи. Запропонована нова машина називається матрично-алгебраїчна електронно-обчислювальна машина (МА ЕОМ).
Концепція розглянутої технології представлена у вигляді її шістнадцяти основних принципів. Серед найважливіших з них виступають два, згідно з якими у МА ЕОМ використовуються, з одного боку, процедури сучасних машин як машинні операції, з іншого боку, складні структури даних (сучасних машин) - елементарними даними - операндами.
У МА ЕОМ вводиться принцип, відповідно до якого обробка інформації здійснюється за двома контурами. У матричному контурі відбувається обробка алгебраїчної інформації, представленої в матричному вигляді (робоча інформація), а в числовому контурі - збереження, передача та обробка управляючої інформації. У матричному контурі інформація знаходиться тільки в матричному вигляді, а в числовому - тільки у вигляді чисел. Інше представлення неможливе.
У цьому розділі зазначається, що відомі напрацювання по матрично-векторній обробці інформації, з використанням матрично-векторного процесора в парі з базовою машиною або у складі багатопроцесорної системи, мають істотні недоліки. Зокрема, один з них вимагає узгодження частоти роботи надшвидкісного матрично-векторного процесора з базовою машиною або з багатопроцесорною системою, а другий відображає залежність від "вузького інформаційного горла", що має місце між матрично-векторним процесором та іншими обчислювальними засобами системи, що розглядається. Це "інформаційне горло" істотно гальмує загальний обчислювальний процес, коли необхідно транспортувати матрично-векторні дані для їхньої скалярної обробки, наприклад, у базову машину, а отриманий результат - назад у матрично-векторний процесор.
Для подолання розглянутих недоліків у дисертації запропонований принцип сумісництва обробки скалярної й алгебраїчної інформації, представленої в матричному вигляді. Це сумісництво здійснюється в єдиних компонентах машини, тобто в єдиних машинних засобах збереження, транспортування й обробки інформації, що є загальними як для обробки інформації відповідно до операцій алгебри матриць, так і для їх скалярної обробки.
Наявність у запропонованій технології різних за своєю природою типів операндів вимагає особливої структури запам'ятовуючого середовища. Тому пропонується принцип, коли кожен тип операнду (елемент відповідної
алгебри) зберігається в окремому запам'ятовуючому пристрої. Різновид
таких пристроїв пам'яті показано на рис.2. Серед них запамятовуючі пристрої (ЗП), призначені для збереження: матриць (матрична структура ЗУ), поліномів (векторна структура ЗУ), рядів Фур'є (векторна структура ЗУ), дійсних чисел (звичайне ЗУ), комплексних чисел (векторна структура ЗУ), а також елементи інших алгебр із регулярним матричним представленням. Нематрична інформація (поліноми, ряди Фур'є, дійсні числа і т.п.) у запам'ятовуючому середовищі зберігається в звичайному (алгебраїчному вигляді). Представлення її матрицями і зворотне перетворення у векторний вигляд виконуються в спеціальних пристроях, що знаходяться на входах і виходах ЗП запам'ятовуючого середовища. Особливості цих пристроїв визначаються алгоритмами регулярного матричного представлення алгебр, що беруть участь в обчислювальному процесі машини. Опис зазначених алгоритмів наведений у п'ятому розділі дисертації. Таким чином, для кожної алгебри в організації ЕОМ передбачені свої засоби пам'яті, що враховують особливості конкретної алгебри.
При розробці адресного запам'ятовуючого пристрою МА ЕОМ з довільним доступом передбачається використовувати одночасно два способи адресації: "просторовий" і "часовий" (наступний принцип концепції нової технології). У цьому випадку пошук потрібної комірки здійснюється одночасно за двома адресними полями, що відповідають цим способам.
Практика створення потужних ЕОМ в основному спирається на розпаралелювання обчислювального процесу під час його реалізації, що вимагає комутації каналів, ліквідації конфліктних ситуацій між процесорами. На це йдуть непродуктивні витрати, а проблема розпаралелювання не вирішується повною мірою. У МА ЕОМ використовується принцип, відповідно до якого розпаралелювання машинних операцій (на рівні машинних команд нового типу - процедур сучасних ЕОМ) виконується шляхом розпаралеленого забезпечення вихідними даними до їхнього виконання (апріорі) і це, на рівні обробки, що розглядається, дозволяє вирішити проблему. Крім того, у технології розпаралелювання використовується апарат інтерполяції, який дозволяє замінити функції поліномами, матричне (розпаралелене) представлення яких є в машині.
Забезпечення потрібною інформацією усіх вузлів і пристроїв МА ЕОМ до початку обчислювального процесу може виявитися не вирішеною проблемою. Справа в тому, що потрібно виконати разпаралелене транспортування машинної матриці від блоку до блоку, аналогічно тому, як це має місце для числа-операнда в сучасній машині. Для такої передачі тільки однієї машинної матриці m-го порядку, що представляє п розрядні двійкові числа, слід мати m2 n зв'язків. При m=10, п=64 кількість зв'язків буде дорівнює 6400. І це тільки для двох блоків, а їх у структурі МА ЕОМ істотно більше. На перший погляд складається враження, що технічна реалізація запропонованої машинної технології обробки інформації на сучасному етапі розвитку ОТ є проблематичною. Цю проблему можна вирішити, якщо скористатися принципом паралельно-послідовного
Рис.2. Запам’ятовуюче середовище МАЕОМ транспортування матриць. Відповідно до цього принципу матриці в машині передаються паралельно всіма елементами, але послідовно - розряд за розрядом їхнього позиційного представлення. Під час цієї передачі "сходовий зріз" квадрата регістрів (рис.3) відповідає одному і тому ж двійковому розряду представлення елементів матриці. Для запропонованої машинної технології розроблені оригінальні алгоритми обробки інформації, що ліквідують "уповільнення" обчислювального процесу за рахунок послідовної передачі інформації. Ці алгоритми досліджуються в розділі 3.
У розділі, що розглядається, наведені особливості процесорного поля МА ЕОМ. Увага приділяється апаратурній підтримці числової алгебри матриць. Зокрема, проведені дослідження апаратурної реалізації операції множення матриць. Для цього використовується модель "куба" множення матриць, що представлена на рис.4. На бічні грані цього куба, (відповідно до стрілок), подаються вихідні машинні матриці А і В. На перетині каналів передачі цих матриць (всередині куба), розташованих перпендикулярно зазначеним граням, містяться пристрої множення, кількість яких дорівнює m3. Ті перетини (пристрої множення), що проектуються в одну крапку грані С, об’єднуються суматором m добутків (скалярний добуток векторів). Сукупність таких сум на верхній грані і є матриця-добуток.
Окрім процесора, що реалізує операції числової алгебри матриць, у процесорному полі передбачаються також реалізація операції над нечисловими матрицями (алгебри булєвих матриць).
У даному розділі досліджуються машинні операції МА ЕОМ. Серед них: операції числових алгебр (алгебр дійсних і комплексних чисел, кватерніонів); операції з поліномами, рядами Фур'є, числовими матрицями, матрицями Буля, функціями, векторами алгебри евклідова простору. У машинному наборі, як машинні операції, виступають також великі процедури сучасних машин, такі як розв’язок системи лінійних алгебраїчних рівнянь (два способи) і розкладання функції в ряд Фур'є.
Відповідно до концепції мовного забезпечення МА ЕОМ розглядаються чотири рівня внутрішньої мови машини. Самий нижній рівень реалізує операції числової і булєвої алгебр матриць. Ці операції є основою мови мікропрограмування. Наступний (другий) рівень використовує, як операції, команди мікропрограмної мови, а також машинні операції, представлені мікропрограмами. Асемблером МА ЕОМ є символьний запис машинної мови другого рівня. Набір його операцій розширений за рахунок введення операцій алгебр, "еквівалентних" матричним (відповідно до теореми Келі). До них належать операції над дійсними і комплексними числами, кватерніонами, поліномами, рядами Фур'є, булєвими матрицями. Четвертий рівень внутрішньої мови машини призначений для вирішення задач системного програмного забезпечення. Як основа його використовується вищезазначений асемблер.
У розглянутій технології обробки інформації як машинна
використовується мова високого рівня. Для її підтримки в машині слугує
принцип, відповідно до якого реалізація машинних
Рис. 3. Варіанти розміщення матриці в квадраті регістрів:
а – звичайний спосіб,
б – спосіб “руху матриці під кутом”.
Рис. 4. Модель куба множення матриць
операцій (команд) здійснюється виключно апаратурними засобами, без використання мікропрограмування.
Підвищення продуктивності ЕОМ завжди супроводжується необхідністю вирішення проблеми забезпечення її вихідними даними. Ця ж проблема особливо актуальна для МА ЕОМ, оскільки її продуктивність перевищує продуктивність і функціональні можливості сучасних супер-ЕОМ. У даному розділі пропонується принцип забезпечення даними, коли кожен тип алгебраїчних даних має свій канал зв'язку. Інформація в каналах зв'язку структурується тільки відповідно до розмірів її матричного представлення в операндах - машинних матрицях. Кожен канал з'єднаний тільки з приписаної йому пам'яттю запам'ятовуючого середовища. Такий специфічний (автономний) для кожного типу даних (алгебраїчних даних) підхід не накладає особливих обмежень на підготовку інформації для введення її в машину. Іншими словами, підготовка даних не залежить від характеру майбутньої обробки, і може бути виконана поза машиною будь-якими відомими методами і засобами.
У цьому ж розділі дисертації пропонується концепція схеми структурної організації машини. Ця концепція відбиває основну ідею якісного стрибка в розвитку ОТ, що може бути реалізований завдяки застосуванню нової машинної технології обробки інформації, коли як машинні операнди виступають не числа (дані), а їх складні структури даних, а командами - відповідно процедури (макрооперації) сучасних машин. У блок-схемі відображені всі особливості основних принципів, запропонованих у даному розділі дисертації (рис.5) .
У третьому розділі досліджуються технологічні й алгоритмічні основи створення МА ЕОМ з використанням напівпровідникової мікроелектроніки. Сформульовано основний принцип, згідно з яким будується елементна база машини. Відповідно до цього принципу технічна реалізація запропонованої машинної технології обробки інформації, як машини нового покоління, повинна розроблятися на основі спеціального функціонально-повного набору елементів-мікросхем (НВІС). Кожен елемент цього набору для своєї роботи не повинний вимагати підтримки з боку програмних засобів.
Докладно розглядаються елементи набору, що складається з трьох мікросхем. Запропоновано оригінальне вирішення структурної організації мікросхем скалярного добутку векторів, скалярної обробки матриць і мікросхеми пам'яті. Ці напрацювання втілені в конкретних функціональних схемах, що захищені авторськими посвідченнями.
Для мікросхеми скалярного добутку векторів, що працюють у двох режимах (фіксованої коми і коми, що плаває), запропоновано принцип множення дійсних чисел, заснований на використанні способу множення, чисельний приклад якого ілюструється на рис.6.
| 
