Електронні обчислювальні машини на основі алгебр з регулярним матричним представленням - Автореферат

Пошуки концепцій, архітектур машин нового покоління сьогодні проводяться у роботах, що направлені на створення надпотужних супер-ЕОМ у рамках ідеології сучасного покоління. 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 обєму та вартості програмного забезпечення, ускладнюючи та здорожуючи тим самим машину в цілому. Виявилося, що їх вирішення залежить від девятої (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). В цій технології укрупнені операції і відповідно збільшені одиниці інформації (матриці, поліноми, ряди і т.д.), з якими оперує машина. 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.У той же час просте (арифметичне), (силове) [89] нагромадження існуючих схем машин, що має місце в структурах типу SISD,SIMD,MISD і MIMD, не дозволяє створити машину нового покоління. Відповідно до пятої ознаки відмінності ЕОМ перехід від покоління до покоління має супроводжуватися істотним зниженням складності системного програмного забезпечення, а в остаточному підсумку - і його вартості. Зовнішня користувальницька мова машини від покоління до покоління повинна якнайбільше вбирати в себе властивості проблемно-орієнтованих природних мов. 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. Крім того, у технології розпаралелювання використовується апарат інтерполяції, який дозволяє замінити функції поліномами, матричне (розпаралелене) представлення яких є в машині.Її зміст полягає в усуненні протиріччя між рівнем інтеграції в мікроелектронній апаратурі (величезне зосередження обчислювальних схем на кристалі) і технологією обчислювального процесу (обробка в дрібних одиницях інформації - числах). Зазначена алгебра дозволяє реалізувати процеси збереження, передачі й обробки інформації в укрупнених одиницях, адекватних рівню інтеграції елементів ОТ у мікросхемі. структурування памяті машини і засобів звязку із середовищем користувача за типами даних, що належать різним машинним алгебрам; застосування способу множення дійсних чисел (складова операція множення матриць), яке дозволяє створювати пристрої, що не уступають по швидкодії існуючим аналогам, але одночасно на 1,5 порядку вимагають меншої кількості необхідних контактів у мікросхемах. Отримані результати фундаментальних досліджень мають велике прикладне значення, оскільки сучасний розвиток мікроелектроніки дозволяє без особливих кадрових і фінансових ускладнень створити протягом двох - трьох років дослідний зразок однопроцесорної ЕОМ з використанням запропонованої матрично-алгебраїчної технології обробки інформації.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертаційній роботі поставлена і вирішена фундаментальна проблема сучасного розвитку ОТ. Її зміст полягає в усуненні протиріччя між рівнем інтеграції в мікроелектронній апаратурі (величезне зосередження обчислювальних схем на кристалі) і технологією обчислювального процесу (обробка в дрібних одиницях інформації - числах). Вирішення проблеми зводиться до заміни машинної арифметики ( основа обчислювальної технології сучасних ЕОМ) машинною алгеброю. Зазначена алгебра дозволяє реалізувати процеси збереження, передачі й обробки інформації в укрупнених одиницях, адекватних рівню інтеграції елементів ОТ у мікросхемі.

Для вирішення фундаментальної проблеми в дисертації запропонована оригінальна універсальна алгоритмічна матрично-алгебраїчна система. На її базі розроблена нова технологія машинної обробки інформації, а також запропоновані загальна концепція й основні принципи організації та функціонування ЕОМ нового покоління.

Принципи, алгоритмічна й апаратурна підтримка нової технології, що захищаються в дисертації: 1. Пропозиція, згідно з якою машинною мовою ЕОМ має бути мова високого рівня, у якій процедури сучасних ЕОМ використовуються як машинні команди, а машинними операндами (мінімальними одиницями інформації, з яким працює ЕОМ) запропоновані складні структури даних сучасних машин.

2. Підвищення технологічності обчислювального процесу виконується за рахунок

- організації оригінальної архітектури і структури ЕОМ, що підтримує роботу двох контурів: матричного (алгебраїчного) і числового (керуючого);

- застосування єдиних апаратурних і комунікаційних напрацювань для алгебраїчної (матричної) і скалярної (числової) обробки інформації;

- структурування памяті машини і засобів звязку із середовищем користувача за типами даних, що належать різним машинним алгебрам;

- зведення обчислення добутку матриць високого порядку до рівня машинної операції.

3. Ефективне використання переваги мікроелектроніки як основи елементної бази, на якій реалізується технологія, здійснюється шляхом

- організації адресації памяті комбінацією двох способів - "просторового" і "часового";

- застосування мінімального функціонально повного набору елементів-мікросхем, необхідного і достатнього для реалізації ЕОМ, що працює в алгебрі матриць;

- застосування способу множення дійсних чисел (складова операція множення матриць), яке дозволяє створювати пристрої, що не уступають по швидкодії існуючим аналогам, але одночасно на 1,5 порядку вимагають меншої кількості необхідних контактів у мікросхемах.

4. Забезпечення високого рівня продуктивності ЕОМ досягається за рахунок

- розпаралелювання на рівні реалізації машинних операцій (використовується математичний апарат інтерполяції і розпаралелювання робочих даних обчислювального процесу до його початку (апріорі));

- транспортування машинної матриці (операнда машинної технології) паралельно всіма її елементами, але послідовно розряд за розрядом позиційного представлення;

- застосування суто апаратурного (не мікропрограмного) способу підтримки мови надвисокого рівня (самого нижнього рівня машинної мови), технічно реалізуючи алгебру матриць (структурна реалізація мови надвисокого рівня);

- використання нової організації розпаралелювання сортування, у якій порівняння виконується не між числами, взятими із вихідного масиву, а з однієї (загальної для всієї матриці чисел) константою;

- представлення даних в оптимальному вигляді для нової технології на основі математичного апарату регулярних матричних представлень.

Застосування нової машинної технології і запропоновані принципи її реалізації дозволили на сучасному етапі розвитку вирішити ряд принципово важливих проблем, що зявились при створенні ЕОМ понадвисокої продуктивності і сьогодні набули самостійного значення. До них належать такі проблеми: - організації звязку і керування обчислювальними засобами;

- розпаралелювання обчислювального процесу на рівні процедур сучасних машин;

- використання надвеликої інтеграції мікроелектронної технології для створення схем обробки ОТ;

- використання надвеликої інтеграції мікроелектронної технології для створення схем памяті.

Крім того, на сучасному етапі знята актуальність інших не менш важливих проблем

- узгодження частоти обробки інформації в мікросхемі і поза нею;

- контактних площадок мікросхеми;

- створення САПР мікросхем надвеликої інтеграції;

- відбраковування (верифікація) готових мікросхем надвеликої інтеграції.

Розроблена і запропонована теоретична база по створенню нової технології дозволяє

- досягти еквівалентної швидкодії в 1Тфлопс для однопроцесорного варіанта матрично-алгебраїчної машини (варіант SISD) при тактовій частоті елементів, що не перевищує 300 МГЦ;

- ліквідувати диспропорцію між витратами на апаратуру і програмними засобами (понад 90% вартості витрат сучасної обчислювальної системи складають витрати на програмне забезпечення).

Запропоноване вирішення фундаментальної проблеми дозволяє створити ЕОМ нового типу, для якої

- програмне забезпечення містить у собі як складову частину весь програмний продукт сучасних засобів ОТ, чим вирішується задача спадковості програмного забезпечення;

- мова користувача (зовнішня) є функціональною (не процедурною), що дозволяє відгородити ЕОМ від небажаного втручання (проблема хакерів, програмних вірусів).

Отримані результати фундаментальних досліджень мають велике прикладне значення, оскільки сучасний розвиток мікроелектроніки дозволяє без особливих кадрових і фінансових ускладнень створити протягом двох - трьох років дослідний зразок однопроцесорної ЕОМ з використанням запропонованої матрично-алгебраїчної технології обробки інформації. Еквівалентна швидкодія такої машини сягає понад 1Тфлопс. Апаратурні витрати і надійність її належать до класу середніх машин.

Матеріал дисертації оригінальний і аналогів не має.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНІ В ТАКИХ ПРАЦЯХ

1. Вышинский В.А., Коломейко В.В., Петущак В.Д. Устройство адресации специализированной ЦВМ, реализующей алгоритм БПФ // Управляющие системы и машины. - 1976. - №5. - C. 111-112.

2. Вышинский В.А., Рабинович З.Л. Ободной возможности существенного повышения производительности ЭВМ путем ускорения матрично-векторных операций // Кибернетика. - 1979. - №1. - C. 120-123.

3. Вышинский В.А., Рабинович З.Л. Некоторый новый подход к повышению производительности ЭВМ // Управляющие системы и машины. - 1976. - №4. - C. 23-26.

4. Вышинский В.А., Рабинович З.Л. О создании высокопроизводительных универсальных ЭВМ, работающих в алгебре матриц // Автоматика. - 1983. - №5. - C. 80-84.

5. Вышинский В.А. Ободной универсальной алгоритмической системе // Автоматика. - 1984. - №4. - C. 71-73.

6. Вышинский В.А., Князев В.И. Алгебра полиномов и матричные машины. // Методы и средства проектирования дискретных систем - К.: Ин-т кибернетики им. В.М. Глушкова АН УССР. - 1984. - С. 61-69.

7. Вышинский В.А., Винецкая Е.В., Третьяк А.А. Матричное представление алгебры полиномов от многих переменных // Моделирование и оптимизация сложных систем. - 1985. - №4. - C. 69-73.

8. Вышинский В.А., Винецкая Е.В., Ветров А.П. Возможность применения матричных алгебр к решению многочастичных задач в физике твердого тела // Физика. - 1985. - №26. - C.76-80.

9. Вышинский В.А., Фурман И.А. Об использовании булевых матриц и операций над ними для построения быстродействующих программируемых устройств логического управления // Управляющие системы и машины. - 1986. - №2. - C.12-16.

10. Вышинский В.А., Винецкая Е.В. Алгебраический подход к решению задач на матричной машине // Кибернетика. - 1986. - №2. - C.97-99.

11. Вышинский В.А. О реализации алгебры многомерных векторов евклидова пространства в ЭВМ // Кибернетика. - 1997. - №5. - C.170-175.

12. Вышинский В.А., Яковлев Ю.С., Задорожный В.Ф. Проблема создания ЭВМ для решения задач большой размерности I // Математичні машини і системи. - 1999. - №3. - C.60-68.

13. Вышинский В.А., Яковлев Ю.С., Задорожный В.Ф. Проблема создания ЭВМ для решения задач большой размерности II // Математичні машини і системи. - 2000. -№1. - C.38-45.

14. Вышинский В.А. Ободном способе умножения чисел // Управляющие системы и машины. - 2001. - №1. - C. 48-51.

15. Вышинский В.А. Сортировка чисел // Управляющие системы и машины. - 2001. - №2. - C. 50-52.

16. Вышинский В.А, Яковлев Ю.С., Задорожный В.Ф. О решении сложных задач динамики на ЭВМ // Проблемы управления и информатики - 2000. - №1. - C.88-97.

17. Вишинский В.А., Яковлєв Ю.С., Задорожний В.Ф. До оптимізації обчислювального процесу при досліджені якісних систем на перспективних ЕОМ // Теорія обчислень. - К.: Ін-т кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України. - 1990. - С. 80-83.

18. Вышинский В.А. Запоминающая среда в матрично-алгебраической ЭВМ // Нові компютерні засоби, обчислювальні машини та мережі. - К.: Ін-т кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України. - 2001. - Т.1. - С.99-104.

19. Вышинский В.А., Гарбовский В.В., Панчук В.И.. О некоторых алгоритмах, связанных с непрерывными дробями, и их реализация на матричной ЭВМ // Проектирование многопроцессорных вычислительных систем. - К.: Ин-т кибернетики им. В.М. Глушкова АН УССР. - 1986. - С.51-56.

20. Вышинский В.А. Ободном алгоритме обеспечения информацией устройства умножения чисел // Автоматика. - 1986. - №5. - С. 80-84.

21. Специализированный процессор: А.с. №684550 СССР, МКИ кл. G 06 F 7/52 / Глушков В.М., Вышинский В.А., Иваськив Ю.Л., Рабинович З.Л. (СССР). - №2440108; Заявлено 03.01. 77; Опубл. 05.09.79, Бюл. №33. - 10 с.

22. Устройство для умножения: А.с. № 1203512 СССР, МКИ кл. G 06 F 7/52 / Вышинский В.А., Тихонов Б.М., Фесенко Н.Б. (СССР). - №3748511; Заявлено 06.06. 84; Опубл. 07.01.86, Бюл. №1. - 3 с.

23. Устройство для суммирования частичных произведений: А.с. 1302272 СССР, МКИ кл. G 06 F 7/52 / Боборыкин Н.С., Вышинский В.А., Тихонов Б.М., Фесенко Н.Б. (CCCP). - №3890862: Заявлено 24. 04. 85, Опубл. 07.04.87, Бюл. №13. - 3 с.

24. Устройство сортировки чисел: А. с. №1441384 СССР, МКИ кл. G 06 F 7/06 / Вышинский В.А., Тихонов Б.М., Карпенко Н.А. (СССР). - №4035265; Заявлено 10.03. 86; Опубл. 30.11.88, Бюл. №44. - 4 с.

25. Устройство поклеточного умножения матриц: А.с. №1444819 СССР, МКИ кл. G 06 F 15/347 / Вышинский В.А., Рабинович З.Л., Тихонов Б.М., Фесенко Н.Б. (СССР). - №4167114; Заявлено 22.12. 86; Опубл. 15.12.88, Бюл. №46. - 3 с.

26. Устройство для умножения: А.с. № 1444755 СССР, МКИ кл. G 06 F 7/52 / Вышинский В.А., Тихонов Б.М., Фесенко Н.Б. (СССР). - №4284325; Заявлено 15.07. 87; Опубл. 15.12.88, Бюл. №46. - 8 с.

27. Устройство для умножения: А.с. 1425659 СССР, МКИ кл.G 06 F 7/52 /Боборыкин Н.С., Вышинский В.А., Тихонов Б.М., Фесенко Н.Б. (CCCP). - №4214896; Заявлено23. 03. 87; Опубл. 23.09.88, Бюл.№35. - 10 с.

28. Устройство для умножения: А.с. № 1481744 СССР, МКИ кл. G 06 F 7/52 / Вышинский В.А., Ледянкин Ю.Я. (СССР). - №4285879; Заявлено 20.07. 87; Опубл. 23.05.89, Бюл. №19. - 5 с.

29. Устройство для вычисления сумм произведений: А.с.1569826 СССР, МКИ кл. G 06 F 7/544 / Вышинский В.А., Рабинович З.Л., Тихонов Б.М. (СССР). - №4312186; Заявлено 02.10. 88; Опубл. 07.06.90, Бюл. №21. - 22 с.

30. Скалярный умножитель векторов: А.с. № 1619254 СССР, МКИ кл. G 06 F 7/52 / Вышинский В.А., Ледянкин Ю.Я. (СССР). - №4445295; Заявлено 22.06. 88; Опубл. 07.01.91, Бюл. №1. - 20 с.

31. Устройство для суммирования частичных произведений: А. с. №1580354 СССР, МКИ кл. G 06 F 7/544 / Вышинский В.А., Тихонов Б.М., Фесенко Н.Б. (СССР). -№4621609; Заявлено 18.12. 88; Опубл. 23.07.90, Бюл. №27. - 13 с.

32. Устройство для умножения: А.с. №1580352 СССР, МКИ кл. G 06 F 7/52 / Вышинский В.А., Тихонов Б.М., Фесенко Н.Б. (СССР). - №4621609; Заявлено 19.12. 88; Опубл. 23.07.90, Бюл. №27. - 13 с.

33. Устройство для поклеточного умножения матриц: А. с. № 1727136 СССР, МКИ кл. G 06 F 15/347 / Вышинский В.А., Тихонов Б.М., Фесенко Н.Б. (СССР). - №4710747; Заявлено 26.06.89; Опубл. 15.04.92, Бюл. №14. - 4 с.

34. Устройство вычисления сумм произведений: А. с. №1718216 СССР, МКИ кл. G 06 F 7/52 / Вышинский В.А., Тихонов Б.М., Луцкая Н.М. (СССР). - №4837221; Заявлено 11.06. 90; Опубл. 07.03.92, Бюл. №9. - 26 с.

35. Rabinovicy Z., Vishinski V. Massively Parallel processing in basis of complex data structures // Intern. Conf. Massively Parall. Appl. and Development. - 1994. - Р.78-81.

36. Вышинский В.А. Ободном решении фундаментальной проблемы современного развития вычислительной техники // Управляющие системы и машины. - 2003. - №4. - C. 81-91.