Сучасний стан розвитку конфігурованих комп’ютерів

Конфігуровані комп’ютери: стан і перспективи

АРХІТЕКТУРА СУЧАСНИХ МП

Протягом останніх п’ятдесяти років технологія цифрових обчислювальних схем розвивалась стрімкими темпами при подвоєнні щільності розміщення і швидкодії логічних елементів приблизно кожні 18 місяців, і при зменшенні ціни цих схем. Відповідно з цим розвитком відбувались еволюція представлень про архітектури ЕОМ та винаходження нових прогресивних архітектур.

В останнє десятиріччя одержали розвиток суперскалярні процесори як елементна база ПЕОМ і робочих станцій. Але апаратні витрати в таких процесорах ростуть квадратично з ростом ступеня паралелізму, ростуть також затримки виконання команд в тактах. Тому суперскалярні процесори скоро досягнуть межі свого розвитку.

Однією з альтернативних прогресивних архітектур вважається архітектура конфігурованих ЕОМ. За загальноприйнятим визначенням, конфігурованим комп’ютером вважається такий, що змінює свою структуру в процесі функціонування на логічному рівні і рівні регістрових передач. Найпоширенішою моделлю конфігурованого комп’ютера є структура, яка складається з процесора загального призначення, до якого з метою прискорення обчислень приєднаний конфігурований обчислювач (див. рис.1).

Рис. 1 – Загальна структура конфугурованого комп’ютера

Першу ЕОМ ЕNIAC можна вважати також і першою конфігурованою ЕОМ, так як вона програмувалась за допомогою комутаційного поля, яке задавало конфігурацію зв’язків між окремими регістрами і суматорами, а зміна конфігурації виконувалась ручною заміною "запрограмованої" комутаційної панелі (див. рис.2.).

Ідея конфігурованої ЕОМ вперше була сформульована Джеральдом Естрайном чотири десятиріччя тому.

Рис. 2 – Архітектура ЕОМ ENIAC

В нашій країні напрямок конфігурованих ЕОМ успішно розвивався в проекті однорідного обчислювального середовища на вітчизняних мікросхемах "Райта" в 1981-1994рр. у Львівському НТЦ "Інтеграл". В рамках проекту було створено серію мікросхем програмованого обчислювального середовища (ООС), однорідного запам’ятовуючого середовища (ОЗС) і ряд обчислювачів на їхній основі для вирішення задач цифрової обробки сигналів і зображень. Обчислювальне середовище представляло собою прямокутну матрицю з найпростіших однобітних процесорів, які можуть бути запрограмовані на виконання однієї команди і підключення до найближчих сусідів (див. рис.3.).

Рис. 3 – Архітектура однорідного обчислювального середовища

Така архітектура була оптимальною в умовах існуючої в 80-ті роки інтегральної технології, так як забезпечувала невеликі апаратурні витрати і малий об’єм програмуючої інформації. Але за цією ж причиною програмування обчислювального середовища було дуже трудомістким і не піддавалось автоматизації.

Також заслуговують уваги теоретичні роботи в галузі обчислювальних систем з програмованою архітектурою і практична розробка супер-мікро-нейрокомп’ютера, які проводились під керівництвом А.В.Каляєва в Таганрозі.

Поява програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС) дала потужний поштовх для розвитку напрямку конфігурованих комп’ютерів. Очевидно, що будь-яка обчислювальна чи керувальна задача найкращим чином буде виконуватись за допомогою пристосованих для неї замовлених ЗВІС. Але розробляти нову ЗВІС під будь-яку задачу є економічно неефективним і обтяжливим. Тому ПЛІС, які використовувались, в основному, для макетування складних проектів замовлених ЗВІС, почали використовуватись як програмоване обчислювальне середовище, яке витримує будь-яку кількість перепрограмувань. Це в свою чергу прискорило розвиток індустрії ПЛІС.

В останнє десятиріччя виник феномен різкого зростання кількості програмованих вентилів ПЛІС, їхньої тактової частоти і можливостей трасування їхніх програмованих апаратних одиниць. Це привело до різкого росту обчислювальних можливостей ПЛІС (див. рис. 4).

Рис. 4 – Зростання потенціальної продуктивності ПЛІС в порівнянні зі зростанням швидкодії мікропроцесорів

Дані про продуктивність ПЛІС були одержані при проектуванні моделі 32-розрядного блоку множення з 64-розрядним акумулятором для різних кристалів ПЛІС, які випускаються фірмою Xilinx з відповідним роком початку випуску. Порівняння зростання потенціальної продуктивності ПЛІС і зростання швидкодії мікропроцесорів показує, що за той час, коли швидкодія (тактова частота) останніх зростає в 2 рази, потенціальна продуктивність ПЛІС (тобто продуктивність при якомога більшому використанні програмованих ресурсів) зростає приблизно в 6 разів.

В світі вже розроблено і розповсюджується більше 100 різних плат, які підключаються до ПЕОМ, і які призначені для прискорення обчислень на основі використання ПЛІС. Конфігуровані комп’ютери досліджуються більш ніж в 40 університетах, серед яких: Берклі, Гарвардський, Карнеги Мэллона, Оксфордський, Кайзерлаутернский є найактивнішими. Багато досліджень в реальних експериментах показали високу ефективність такого використання ПЛІС. При цьому одна мікросхема ПЛІС забезпечує на порядок більшу швидкість виконання алгоритмів, ніж сучасний мікропроцесор. В таблиці 1 показані результати деяких таких досліджень.

Таблиця 1 – Результати досліджень

Застосування	Тип ПЛІС	Максимальна ємність ПЛІС, вентилів	Прискорення в порівнянні з мікропроцесором, разів	Рік	Джерело
Розпізнавання військової цілі	Xilinx XC4010	10 тис.	7,5
Множення, ділення, квадратний корінь 10000- розрядних чисел	Xilinx XC4044	44 тис.	2-14
Формування діаграми направленості гідролокатора	Xilinx XC4062XL	62 тис.
Генерація кривих Безьє	Xilinx ХC6216	16 тис.
Дешифрування геномів хромосом	Xilinx XC4013	13 тис.	7,9
QR-факторизація матриць	Xilinx XCV800	800 тис.

Аналіз таблиці показує, що конфігуровані комп’ютери мають високу ефективність на тих задачах, виконання яких потребує суттєво іншу архітектуру обчислювача, ніж архітектура сучасних мікропроцесорів. Це, наприклад, обробка на бітовому рівні, потокові задачі на порівняння і тасування, обробка даних в нестандартному форматі, як наприклад, багаторозрядних чисел. Тому на сьогоднішній день найефективніше використання на практиці ідея конфігурованого комп’ютера знайшла в серійно випускаємому конфігурованому суперкомп’ютері DeCypher фірми TimeLogic, який використовується для вирішення задач дешифрування геномів людських хромосом і який має продуктивність в 6000 раз більшу ніж PentiumIII на відповідних задачах.

Дата добавления: 2014-01-07