Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 004.27: 004.7(042.3)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Організація високопродуктивних та економічних обчислювачів для спеціалізованих систем

05.13.05 - комп'ютерні системи та компоненти

Красовська Євгенія Вікторівна

Київ-2010

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, заслужений винахідник України Жуков Ігор Анатолійович, Національний авіаційний університет, завідувач кафедри комп'ютерних систем та мереж.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Дичка Іван Андрійович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», декан факультету прикладної математики;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Чемерис Олександр Анатолійович, Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України, вчений секретар інституту.

Захист відбудеться «15» жовтня 2010 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.07 Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ, просп. Космонавта Комарова,1.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ, просп. Космонавта Комарова,1.

Автореферат розісланий «13» вересня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.П. Мартинова.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Вирішення численних науково-технічних завдань, розв'язання яких неможливе без використання високопродуктивних та економічних обчислювачів, у зв'язку із підвищеними і специфічними вимогами до оброблення інформації.

Такі завдання можна об'єднати в основні групи:

завдання, які потребують оброблення великих обсягів інформації (моделювання складних динамічних об'єктів та фізичних процесів; організація великих баз даних і знань; розв'язання задач штучного інтелекту та ін.);

завдання, які потребують розв'язання в реальному часі (навігації і керування рухом повітряного корабля; прогнозування погоди; резервування авіаквитків; оброблення радіо- і гідролокаційних сигналів та ін.).

У сучасних умовах розвитку інформаційних технологій кількість таких завдань, їх складність і трудомісткість постійно зростають, і, отже, забезпечення високої продуктивності та економічності обчислювачів - одне з основних науково-технічних завдань.

Необхідність ефективної структурної і алгоритмічної організації обчислень для розв'язання задач великої розмірності з метою підвищення продуктивності, досягнення високих показників точності, надійності та живучості визначили напрям удосконалення методів, архітектури та засобів оброблення інформації.

Нині зростає попит на вбудовані системи, портативні й переносні пристрої з автономним живленням (комунікаційні прилади, портативні комп'ютери, навігаційні пристрої та ін.). Для цих галузей застосування потрібні пристрої невеликого розміру, більш легкі, які працюють тривалий час без перезарядження акумуляторів. Ці вимоги безпосередньо транслюються у вимоги до зменшення енергоспоживання, оскільки елементи живлення мають велику масу і габарити. Збільшення обсягів інформації і необхідність її оброблення в реальному часі потребують постійного підвищення продуктивності обчислювачів.

Розглянуті в роботі положення ґрунтуються на результатах наукових досліджень відомих вітчизняних та закордонних учених, зокрема В.П. Боюна, В.С. Бурцева, М.А. Віноградова, В.П. Гамаюна, І.А. Дички, В.Ф. Євдокимова, І.А. Жукова, Б.М. Малиновського, Л.Я. Нагорного, В.М. Опанасенка, О.В. Палагіна, О.І. Стасюка, В.П. Тарасенка, В. Хендлера, Р. Хокні та ін.

Вимоги до зниження енергоспоживання і підвищення продуктивності обчислювачів, у загальному випадку, суперечать одна одній. Тому пошук шляхів розв'язання цієї задачі, розроблення методів проектування, пошук структурних рішень, що забезпечують виконання дедалі складніших завдань з дотриманням жорстких норм енергоспоживання є актуальним.

Зв'язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у рамках науково-дослідної роботи Національного авіаційного університету (НАУ) № ІТ/547-2009 «Створення програмної оболонки Інтернет-порталу інформаційних ресурсів освіти і науки МОНУ» (номер державної реєстрації НДР 0109U006109) та № 668-ДБ10 «Методи та засоби підвищення ефективності розподілених обчислювальних систем на базі тензорних нейронних мереж» (номер державної реєстрації НДР 0110U000221).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розроблення методів та засобів побудови, базових структурних рішень, що забезпечують побудову високопродуктивних обчислювачів, у тому числі зі зниженим енергоспоживанням, а також дослідження конкретних реалізацій високопродуктивних та економічних обчислювачів.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити такі завдання:

проаналізувати архітектурні принципи сучасних обчислювачів та визначити способи підвищення їх продуктивності;

спроектувати потокоорієнтований обчислювач, дослідити режими роботи й особливості його використання;

розробити структуру для розв'язання систем лінійних алгебраїчних рівнянь (СЛАР) великої розмірності для розрахунку міцності конструкції літального апарата (ЛА);

розширити функціональні можливості обчислювачів за рахунок структурної організації мережі на основі керувального комутатора;

визначити нові підходи для мінімізації енергоспоживання високопродуктивних обчислювачів;

проаналізувати ефективність застосування високопродуктивних та економічних обчислювачів.

Об'єктом дослідження є процес розроблення високопродуктивних та економічних обчислювачів для базових математичних операцій великої розмірності.

Предметом дослідження є високопродуктивні та економічні обчислювачі для спеціалізованих систем.

Методи дослідження. Системний аналіз, теорія розріджених матриць, обчислювальна математика, теорія обчислювальних систем та мереж, методи комп'ютерного, аналітичного та математичного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів визначається наступними положеннями:

1. Уперше запропоновано модель керувального комутатора для використання в системах та мережах передавання даних, призначених для забезпечення гнучкості керування розподіленням даних. Він дозволяє підвищити оперативність керування та прискорити перекомутацію з'єднань між мережевими вузлами, виконувати логічні операції над вхідними інформаційними потоками та сигналами керування мережевими сегментами, змінювати логічну топологію мережі під специфіку задач.

2. Уперше запропоновано структуру високопродуктивного обчислювача для розв'язання СЛАР великої розмірності з метою вирішення завдань навігації та розрахунку міцності конструкції ЛА. Розпаралелення виконання етапів декомпозиції розв'язання та паралельність обчислення у кожному циклі всіх елементів стовпців і рядків матриці при розв'язанні СЛАР доцільні для програмних комплексів.

3. Запропоновано модель спеціалізованої системи для розміщення й оброблення даних у вузлах комп'ютерної мережі на основі керувального комутатора для прискорення обчислень, отримання стійких розв'язків погано обумовлених задач.

4. Запропоновано метод селективного відключення невикористовуваних блоків для зменшення енергоспоживання розробленого потокоорієнтованого обчислювача, що дозволяє знизити ризик ухвалення помилкових рішень на ранній стадії розроблення та знизити трудомісткість і скоротити загальний час проектування.

Практичне значення одержаних результатів. У дисертаційній роботі розроблено високопродуктивні обчислювачі для розв'язання задач великої розмірності в реальному часі з досягненням високих показників точності, надійності та зниженням параметра «енергоспоживання». У роботі запропоновано нові архітектурні рішення, які дозволяють за мінімальних витрат реалізувати структури високопродуктивних обчислювачів для роботи з розподіленими даними.

Практична цінність одержаних у дисертаційній роботі результатів визначається: обчислювач мережа комутатор

розробленням та конкретною реалізацією обчислювачів, оригінальність схемних розв'язань яких підтверджується патентами на винахід;

розробленням розподіленої обчислювальної структури для розміщення й оброблення даних у вузлах комп'ютерної мережі;

методом використання обчислень для розрахунку міцності конструкції ЛА;

методом оцінювання ефективності селективного відключення невикористовуваних блоків обчислювача для зниження енергоспоживання.

Отримані результати дисертаційної роботи впроваджено у навчальний процес на кафедрі комп'ютерних систем та мереж НАУ під час викладання дисциплін «Обчислювальні системи», «Комп'ютерні системи», «Мережі ЕОМ», що підтверджено відповідним актом про впровадження.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно. У роботах, написаних та опублікованих у співавторстві, здобувачеві належать:

[1] - дослідження переваг переходу від платформ з апаратною комутацією до платформ програмної комутації, які можна використати у системах передавання даних;

[3] - структура потокоорієнтованого обчислювача з роздільною зовнішньою пам'яттю команд і даних та модульною організацією основної пам'яті з розширенням функціональних можливостей за рахунок паралельного виконання команд з конвеєризацією;

[4] - підхід до організації вводу-виводу в комп'ютерній системі, модельне подання критеріїв оцінки каналів вводу-виводу;

[5] - модель керувального комутатора для використання в системах та мережах передавання даних;

[6] - структура високопродуктивного обчислювача для розв'язання СЛАР великої розмірності з метою розв'язання задач навігації та розрахунку міцності конструкції ЛА;

[7] - метод оцінювання ефективності селективного відключення блоків, що дозволить знизити ризик прийняття помилкових рішень на ранній стадії розроблення обчислювачів, за рахунок чого понизити трудомісткість і скоротити загальний час проектування;

[10] - принципи побудови паралельних обчислювальних структур для виконання матричних операцій;

[12] - структура мережі на основі керувального комутатора.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на міжнародних конференціях: 5-й Міжнародній науковій конференції студентів та молодих учених «Політ-2005» (НАУ, м. Київ, Україна), 7-й Міжнародній науково-технічній конференції «Світ інформації та телекомунікацій-2010» (ДУІКТ, м. Київ, Україна), 13-й Всеукраїнській (8-й Міжнародній) студентській науковій конференції з прикладної математики та інформатики «СНКПМІ-2010» (ЛНТУ, м. Львів, Україна), 1-й Міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених «Інформаційні управляючі системи та комп'ютерний моніторинг ІУС та КМ-2010» (ДонНТУ, м. Донецьк, Україна), 3-й Міжнародній науково-практичній конференції «Комп'ютерні системи і мережні технології CSNT-2010» (НАУ, м. Київ, Україна).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано у 12 наукових працях. Серед яких 5 - у фахових наукових виданнях України, включених до затвердженого ВАК України переліку, 2 патенти на корисну модель, 5 - у матеріалах конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота, що викладена на 167 сторінках друкованого тексту, складається зі вступу, чотирьох розділів і висновків, викладених на 147 сторінках основного тексту, списку використаних літературних джерел із 114 найменувань і додатків. Дисертаційна робота містить 38 рисунків, 9 таблиць, 2 додатки, 1 акт про впровадження.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і завдання досліджень, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, подано загальну характеристику роботи.

У першому розділі сформульовано основні принципи організації високопродуктивних обчислювальних структур та систем, виконано аналіз архітектурних принципів, методів та перспектив удосконалення архітектури обчислювачів.

Розглянуто основні напрями удосконалення архітектури, які сприятимуть підвищенню продуктивності, проаналізовано апаратні способи підвищення продуктивності обчислювальних систем, що ґрунтуються на комплексному використанні концепцій організації високопродуктивних засобів оброблення даних спеціального та загального призначення.

Виходячи з потреби підвищення продуктивності, оперативності й ефективності засобів оброблення інформації, визначено загальні підходи до спеціалізації й проблемної орієнтації засобів, що враховують особливості класу розв'язуваних завдань.

Результати проведеного аналізу дозволяють зробити висновок про перспективність організації архітектури спеціалізованих обчислювачів й розроблення високопродуктивних та економічних обчислювачів.

Другий розділ присвячено теорії побудови високопродуктивних обчислювачів оброблення даних.

Розроблено метод проектування цифрового пристрою для розв'язання СЛАР великої розмірності, які доцільно застосовувати під час розрахунку міцності конструкції ЛА.

На продуктивність обчислювача впливає організація каналів вводу-виводу. Запропоновано модельний підхід до аналізу системи вводу-виводу, що суттєво впливає на продуктивність обчислювальної системи з використанням для оцінювання якості каналів детермінованої моделі, яка дозволяє оцінити пропускну здатність каналу вводу-виводу і дає змогу виконати кількісну оцінку підключених пристроїв вводу-виводу. Визначено один із шляхів збільшення пропускної здатності системи вводу-виводу - наявність автономної пам'яті каналу вводу-виводу.

Значну кількість задач можна розв'язати за допомогою систем диференціальних рівнянь у частинних похідних. Розв'язання таких систем після їх лінеаризації числовими методами зводиться до розв'язання СЛАР. Унаслідок складної природи багатьох фізичних об'єктів отримані матриці коефіцієнтів можуть мати надто велику розмірність, що ускладнює, а подекуди й унеможливлює розв'язання задачі без залучення потужних обчислювальних ресурсів. Актуальність проблеми зумовлено необхідністю ефективного (в реальному часі і з високою точністю) числового розв'язання СЛАР великої розмірності. При цьому прикладні завдання часто потребують розв'язання великих і надвеликих СЛАР з кількістю невідомих понад 10³.

Структуру цифрового обчислювача для розв'язання СЛАР великої розмірності зображено на рис. 1. Процедура розв'язання СЛАР характеризується значним скороченням часу обчислень.

Установлено, що для прискорення обчислень, отримання стійких розв'язків погано обумовлених задач, необхідно організувати розподіл потоків даних на мережевому рівні за допомогою керувального комутатора.

Третій розділ присвячено розробленню високопродуктивних обчислювачів та розширенню їх функціональних можливостей. Продуктивність і енергоспоживання перебувають в обернено пропорційній залежності для будь-яких технічних пристроїв і систем. Підвищення продуктивності з одночасним зниженням енергоспоживання можна домогтися лише удосконаленням технологій проектування, конструювання, виробництва і практичного функціонування систем.

Рис. 1. Структурна схема цифрового обчислювача для розв'язання СЛАР великої розмірності: 1 - блок пам'яті матриці системи з'єднань; 2 - блок зберігання правої частини з'єднань; 3 - блок пам'яті одиничної матриці з'єднань; 4 - блок пам'яті матриці аргументу додаткового полінома з'єднань; 5 - блок матриці часткової суми з'єднань.

Запропоновану структуру високопродуктивного потокоорієнтованого обчислювача зображено на рис. 2. Підвищення продуктивності досягається за рахунок роздільної зовнішньої пам'яті команд і даних та її модульної організації. Для розширення функціональних можливостей обчислювальних структур запропоновано паралельне виконання команд з конвеєризацією.

Високопродуктивний обчислювач може бути реалізований за різної кількості розрядів. Наявність регістрових вікон для запобігання затримок під час звернення до підпрограми, надоперативної пам'яті команд та даних, а також модульної організації основної пам'яті з гарвардською архітектурою, використання спеціалізованого пристрою множення з накопиченням, короткий командний цикл, конвеєрний режим дозволяють використовувати його як в автономному режимі, так і як прискорювач. Наведені особливості таких обчислювачів орієнтують на широкий спектр практичних застосувань та мають розвинені комунікаційні можливості.

Рис.2. Структура потокоорієнтованого високопродуктивного обчислювача: 1 - 5 - ступені конвеєра

Технології обчислювальних систем можна поліпшити як удосконаленням апаратної частини, так і розробленням нових методів обчислень та удосконаленням обчислювальних алгоритмів і програмного забезпечення. Тому в роботі розглядаються як методи удосконалення апаратури, так і організації обчислень, а саме, розподілу обчислень з використанням пристроїв керування і балансування навантаження на мережеві вузли.

Функціональні можливості розробленого керувального комутатора (рис. 3) дозволяють:

досягнення максимальної швидкості комутації завдяки можливості завантаження функцій оброблення і апаратної реалізації;

підвищення безпеки передавання незалежного оброблення окремих потоків і винятково взаємного впливу потоків один на одного;

забезпечення функцій розподілених обчислень через формування окремих фрагментів обчислювальної системи.

Рис. 3. Структурна схема керувального комутатора

Архітектура мережі на основі керувального комутатора для розв'язання базових задач великої розмірності (рис. 4). Програмний комутатор використовується як фільтр непотрібної інформації, за допомогою якого організовується віртуальна мережа (сегменти 1, 2,…, N), в якій виконуються паралельні обчислення за будь-яким із закладених алгоритмів і яка невидима для решти користувачів.

Попри всю важливість економії пам'яті, особливо для задач великої розмірності, найбільш значущою є ефективність обміну даними при організації обчислювального процесу. Від неї залежить не лише економія ресурсів інформаційно-обчислювальної системи, а достовірність, точність і швидкість обчислень. Для деяких систем критичного застосування, таких як керування повітряним рухом, енергетика, транспорт тощо, обчислення у реальному часі є нагальною потребою та умовою їх функціонування. При цьому просте нарощування обчислювальних та телекомунікаційних потужностей дає дуже малий ефект за критерієм “ефективність/вартість”. Тому основними є раціональний розподіл ресурсів, оптимізація структури обчислювальної системи, адаптація структури під конкретну задачу числового аналізу.

Розроблені обчислювачі та керувальний програмний комутатор саме й дають таку можливість. Схему розподіленої обчислювальної мережі з керуванням логічною топологією за допомогою керувального програмного комутатора показано на рис. 5. Хоча фізична топологія мережі є фіксованою, логічну топологію можна змінювати у широких межах шляхом керованої комутації мережевих вузлів за допомогою розробленого керувального програмного комутатора.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Архітектура мережі на основі керувального комутатора

Рис. 5. Схема мережі з керуванням логічною топологією за допомогою керувального програмного комутатора: В_i - i-й вузол мережі

Для організації паралельних обчислень у мережі з повнозв'язною топологією загальний час на виконання операцій

(1)

де n - порядок матриці;

- ваговий коефіцієнт інтенсивності передачі даних каналу;

- середній обсяг передаваних даних;

- функція кількості операцій, необхідних для LU-розкладання матриці порядку .

Для повнозв'язної топології .

Після перетворення матриці до нижнього трикутного вигляду і переходу до топології “ієрархічна зірка” тимчасові співвідношення змінюються:

(2)

де ;

- кількість шарів ієрархії;

- ваговий коефіцієнт часу обміну інформацією між i-м і к-м вузлами.

Розрахунки за формулами (1) і (2) виконано для матриць розміру 3535. Установлено, що за інших рівних умов за кількості ненульових елементів матриці, що становить 60% і менше від загальної кількості елементів, економія часу при обчисленнях за комбінованим алгоритмом Холецького і методом LU-розкладення складає від 5% до 15%.

Результати розрахунків для умовних обсягів обчислювальних та телекомунікаційних ресурсів у разі використання топології “ієрархічна зірка” порівняно з повнозв'язною топологією показано на рис. 6.

Таким чином, узгодивши структурні особливості обчислювальних задач з топологіями розподілених обчислювачів, можна досягнути економії обчислювальних і канальних ресурсів. При розв'язанні задачі оптимізації топології за критеріями найкращого узгодження зі структурою обчислювальної задачі можна виконувати обчислення у реальному масштабі часу, що є однією з основних вимог до спеціалізованих обчислювальних систем.

Рис. 6. Діаграма залежності умовних об'ємів обчислювальних та телекомунікаційних ресурсів від порядку матриці: ПЗТ - повнозв'язна топологія; ІЗ - топологія “ієрархічна зірка”.

У четвертому розділі проведено аналіз ефективності застосування високопродуктивних та економічних обчислювачів, запропоновано нові підходи до зменшення енергоспоживання обчислювачів і визначено переваги застосування ПЛІС-технології при проектуванні сучасних обчислювачів.

Як приклад застосування СЛАР великої розмірності розглянуто розрахунок міцності конструкції ЛА, на несучій частини якого підвішена ракетна конструкція (РК).

Поперечний прогин РК описується рівнянням:

(3)

де E - модуль пружності РК;

I(x) - момент інерції поперечного перетину РК відносно осі, що проходить через центр ваги перерізу;

k(х) - коефіцієнт пружності елементів розподіленого кріплення;

T - осьове зусілля;

q(x) - розподілене поперечне навантаження;

щ(х) - поперечний прогин РК;

- напрямок довжини РК.

Припустимо, що E = const, I(x) = const, T = 0. Тоді рівняння (3) має вигляд

(4)

У рівняннях (3) і (4) застосовано знак повного диференціювання, а не часткового, оскільки маємо лише одну незалежну змінну - довжину поздовжньої осі ЛА. Рівняння (4) перепишемо у вигляді

.

Отримані похідні прогину до 4-го порядку включно:

;

;

;

Для прикладу прийнято і=1, 2,…,17. Отримано 17 рівнянь для 17 значень щ. Після спрощень сформовано матрицю А, вектор В. Для знаходження невідомих необхідно розв'язати СЛАР спеціального виду.

В дисертаційній роботі запропоновано метод оцінювання ефективності селективного відключення блоків обчислювача для зниження енергоспоживання.

Проведено дослідження структури і режимів роботи розробленого потокоорієнтованого обчислювача. Запропоновано формули і типові форми подання даних, що дозволяють розрахувати коефіцієнти ефективності відключення невикористовуваних блоків в тактах переривання.

Для кожного обчислювача існують свої причини переходу в режим “зупину” (табл. 1).

Таблиця 1 Дані активності блоків в режимах “зупину” на прикладі потокоорієнтованого обчислювача

Режим “зупину”	Активні блоки	Неактивні блоки
CM_Stall	Блок зниження частоти, буфер читання і контролер шини інтерфейсного блока	RAM I, RAM D, цілочисловий процесор, системний співпроцесор, буфер запису інтерфейсного блока
WB_StalI	Блок зниження частоти, буфер запису і контролер шини інтерфейсного блока	RAM I, RAM D, цілочисловий процесор, системний співпроцесор, буфер читання інтерфейсного блока
IIL_Stall	Блок зниження частоти, пристрій множення з накопиченням цілочислового процесора	RAM I, RAM D, цілочисловий процесор окрім пристрою множення з накопиченням, системний співпроцесор, інтерфейсний блок
Нalt_Stall	Блок зниження частоти	RAM I, RAM D, цілочисловий процесор, системний співпроцесор, інтерфейсний блок

Запропоновано метод селективного відключення блоків у режимі “зупину”. Цей метод (рис. 7) застосовний для порівняльного дослідження і підвищення ефективності селективного відключення невикористовуваних блоків для обчислювачів різних застосувань.

Рис. 7. Схема методу оцінювання ефективності відключення блоків обчислювача

Висновки

У дисертаційній роботі проведено теоретичне обґрунтування і отримано нове рішення актуальної задачі - розроблення високопродуктивних та економічних обчислювачів для розв'язання задач великої розмірності з досягненням високих показників точності, надійності та зниженням параметра «енергоспоживання». Запропоновано нові архітектурні рішення, які дозволяють за мінімальних витрат реалізувати структури високопродуктивних та економічних обчислювачів для спеціалізованих систем. Отримано такі наукові результати:

Проаналізовано способи підвищення продуктивності обчислювальних систем, що ґрунтуються на комплексному використанні концепцій організації високопродуктивних засобів оброблення даних спеціального та загального призначення.

Уперше запропоновано модель керувального комутатора для використання в системах та мережах передавання даних, призначених для забезпечення гнучкості керування розподіленням даних, який дозволяє підвищити оперативність управління та прискорити перекомутацію з'єднань між мережевими вузлами та дає змогу виконувати логічні операції над вхідними інформаційними потоками та сигналами керування мережевими сегментами, дозволяє змінювати логічну топологію мережі під специфіку задач.

Уперше запропоновано структуру високопродуктивного обчислювача для розв'язання СЛАР великої розмірності для вирішення завдань навігації та розрахунку міцності конструкції ЛА. Розпаралелення виконання етапів декомпозиції розв'язання та паралельність обчислення у кожному циклі всіх елементів стовпців та рядків матриці при розв'язанні СЛАР доцільне для програмних комплексів;

Запропоновано модель спеціалізованої системи для розміщення й оброблення даних у вузлах комп'ютерної мережі на основі керувального комутатора для прискорення обчислень, отримання стійких розв'язків погано обумовлених задач.

Запропоновано структуру потокоорієнтованого обчислювача. Для розширення функціональних можливостей обчислювальних структур запропоновано паралельне виконання команд з конвеєризацією. Перевагою розробленого обчислювача є призначення його для розв'язання численних задач. Подане технічне рішення однаково ефективно можна використовувати як у вбудованих пристроях, так і в стаціонарних системах.

Запропоновано метод селективного відключення невикористовуваних блоків для зменшення енергоспоживання розробленого потокоорієнтованого обчислювача, що дозволяє знизити ризик прийняття помилкових рішень на ранній стадії розроблення, за рахунок чого зменшити трудомісткість і загальний час проектування.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Антіпов А.О. Програмний комутатор для систем передавання даних із різними протоколами / А.О. Антіпов, Є.В. Красовська, О.О. Синельніков // Проблеми інформатизації та управління: зб. наук. пр. - 2008. - Вип. 1 (23). - С. 134-137.

2. Красовська Є.В. Зменшення розсіюваної потужності при проектуванні електронних пристроїв на основі КМОН-технології / Є.В. Красовська // Проблеми інформатизації та управління: зб. наук. пр. - 2009. - Вип. 4 (28). - С. 81-87.

3. Красовська Є.В. Високопродуктивний потокоорієнтований обчислювач / Є.В. Красовська, В.М. Єфимець // Проблеми інформатизації та управління: зб. наук. пр. - 2010. - Вип. 1 (29). - С. 105-110.

4. Красовська Є.В. Модельний підхід до аналізу системи ввода-вивода / Є.В. Красовська, В.М. Єфимець // Проблеми створення, випробування, застосування та експлуатації складних інформаційних систем: зб. наук. пр. - 2010. - Вип. 3. - С. 61-65.

5. Пат. 45642, Україна, МПК (2009): H04M 3/00, H04L 12/00, G06F 15/08. Керувальний комутатор / Жуков І.А., Красовська Є.В., Синельніков О.О., Антіпов А.О.; заявник і власник Національний авіаційний університет. - № u200901898; заявл. 03.03.09; опубл. 25.11.09, Бюл. № 22.

6. Пат. 51973, Україна, МПК (2006): G06F 17/10. Цифровий обчислювач для рзв'язання систем лінійних алгебраїчних рівнянь великої розмірності / Жуков І.А., Красовська Є.В., Синельніков О.О. // заявник і власник Національний авіаційний університет. - № u201001023; заявл. 01.02.10; опубл. 10.08.10, Бюл. № 15.

7. Красовська Є.В. Ефективність відключення блоків в тактах останова при проектуванні обчислювачів / Є.В. Красовська, В.М. Єфимець // Проблеми інформатизації та управління: зб. наук. пр. - 2010. - Вип. 2 (30). - С. 103-111.

8. Красовська Є.В. Організація паралельних обчислень на багатопроцесорних системах / Є.В. Красовська. // Політ-2005: V Міжнар. наук. конф. студ. та молодих учених, 11-12 квітня 2005 р.: тези доп. - К., 2005. - С. 52.

9. Красовська Є.В. Апаратні засоби підвищення продуктивності обчислювачів / Є. В. Красовська // Світ інформації та телекомунікацій-2010: VII Міжнар. наук.-техн. конф., 15-16 квітня 2010 р.: тези доп. - К., 2010. - С. 23-24.

10. Красовська Є.В. Принципи побудови паралельних обчислювальних структур для виконання матричних операцій / Є.В. Красовська, Д.Р. Миронов // ХІІІ Всеукр. (VIII Міжнар.) студ. наук. конф. з прикладної математики та інформатики, 22-23 квітня 2010 р.: тези доп. - Львів, 2010. - С. 38-39.

11. Красовська Є.В. ПЛІС як сучасний елементний базис / Є.В. Красовська // Інформаційні управляючі системи та комп'ютерний моніторинг: І Всеукр. наук.-техн. конф., 19-21 травня 2010 р.: тези доп. - Донецьк, 2010. - С. 49-53.

12. Красовська Є.В. Організація мережі на основі управляючого комутатора / Є.В. Красовська, А.О. Антіпов // Комп'ютерні системи і мережні технології: ІІІ Міжнар. наук.-техн. конф., 15-17 червня 2010 р.: тези доп. - К., 2010. - С. 55.

Анотація

Красовська Є.В. Організація високопродуктивних та економічних обчислювачів для спеціалізованих систем. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - комп'ютерні системи та компоненти. Національний авіаційний університет Міністерства освіти і науки України, Київ, 2010.

Дисертацію присвячено розробленню високопродуктивних обчислювачів для спеціалізованих систем та зниженню їх енергоспоживання.

Запропоновано структуру потокоорієнтованого обчислювача та структуру для розв'язання СЛАР, що дозволяє підвищити продуктивність систем оброблення даних, орієнтованих на розвязання задач великої розмірності, методи та структури можна використовувати при створенні та експлуатації високопродуктивних обчислювачів з відповідними корективами в залежності від галузей, в яких вони використовуються.

Подано модель спеціалізованої системи для розміщення й оброблення даних у вузлах комп'ютерної мережі на основі керувального комутатора для прискорення обчислень.

Запропоновано метод селективного відключення блоків, який дозволяє знизити рівень енергоспоживання та ризик прийняття помилкових рішень на ранній стадії розроблення, за рахунок чого знизити трудомісткість і скоротити загальний час проектування.

Ключові слова: високопродуктивний обчислювач, керувальний комутатор, система лінійних алгебраїчних рівнянь, енергоспоживання, спеціалізовані системи, потокоорієнтований обчислювач.

Аннотация

Красовская Е.В. Организация высокопроизводительных и экономичных вычислителей для специализированных систем. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - компьютерные системы и компоненты. Национальный авиационный университет Министерства образования и науки Украины, Киев, 2010.

Диссертация посвящена разработке высокопроизводительных и экономичнных вычислителей для специализированных систем и снижению энергопотребления потокоориентированных вычислителей.

Предложен метод проектирования цифрового устройства для решения систем линейных алгебраических уравнений, позволяющий повысить производительность систем обработки данных, ориентированных на решение задач большой размерности, которые целесообразно использовать при расчетах прочности конструкции самолета.

Предложена структура высокопроизводительного потокоориентированного вычислителя, в котором повышение производительности достигается за счет раздельной внешней памяти команд и данных, а также модульной организации основной памяти. Для расширения функциональных возможностей вычислительных структур предложено параллельное выполнение команд без конвейеризации.

Методы и структуры можно использовать при построении и эксплуатации высокопроизводительных и экономичных вычислителей с соответствующими коррективами в зависимости от области использования.

Для ускорения вычислений, получения устойчивых решений плохо обусловленных задач необходимо организовать распределение потоков данных на сетевом уровне с помощью управляющего коммутатора.

Представлена модель управляющего коммутатора для использования в системах и сетях передачи данных. Управляющий коммутатор предназначен для обеспечения гибкости управления распределением данных, позволяет повысить оперативность управления и ускорить перекоммутацию соединений между сетевыми узлами.

Предложена модель специализированной системы для размещения и обработки данных в узлах компьютерной сети на основе управляющего коммутатора для ускорения вычислений.

Предложен метод селективного отключения блоков, позволяющий снизить уровень энергопотребления и риск принятия ошибочных решений на ранней стадии разработки, за счет чего понизить трудоёмкость и общее время проектирования.

Ключевые слова: высокопроизводительный вычислитель, управляющий коммутатор, система линейных алгебраических уравнений, энергопотребление, специализированные системы, потокоориентированный вычислитель.

Annotation

Eugenya V. Krasovskaya. Organization of high-performance and cost-effective computer. - Manuscript.

Dissertation for the scientific degree of candidate of Technical science on the specialty 05.13.05 - computer systems and components. - National Aviation University Ministry of education and science of Ukraine, Kyiv, 2010.

Dissertation work is devoted to developed high performance computing devises for specialized system and reduce their energy consumption.

The structure of stream-oriented computer and structure for solution of system of linear algebraic equations and thus allowing increase productivity of data processing system which oriented to solution large dimension problems, methods and structure can be used in creation and exploitation high-performance computer devises with appropriate correction, depending on areas where they are used.

The model of specialized system for placing and data processing in computer network nodes based on controlling switch for faster computing.

The method selective blocks disconnection that can reduce energy consumption and the risk of making wrong decisions at early stages of development, thereby reducing labor and overall design time.

Keywords: high-performance computer, controlling switch, the system of linear algebraic equations, energy consumption, specialized systems, stream-oriented computing devise.

Размещено на Allbest.ru

...