Описание изобретения
Применение ИМКС для внекристальных межъядерных и межпроцессорных соединений
Самоформирующийся суперкомпьютер
Изобретения относятся к соединению устройств ввода-вывода или устройств центрального процессора или передаче информации или других сигналов между этими устройствами.
Проблема соединений является одной из сложнейших проблем электроники 21-го века. Она держит в тисках жестких ограничений две её крупнейшие области. На макроуровне она ограничивает развитие суперкомпьютеров, а на микроуровне сдерживает развитие сверхсложных микросхем (СБИС, УБИС, ПЛИС и т.п.).
Уровень техники
Лидером рейтинга суперкомпьютеров является система «Blue Gene/L» (Синий Ген), построенная корпорацией IBM (США). Этот суперкомпьютер использует более 130 тысяч процессоров, а его быстродействие составляет 280 триллионов операций с плавающей запятой в секунду (терафлоп). Суперкомпьютер занимает территорию равную половине теннисного корта. Сравнение архитектур суперкомпьютеров показывает, что превалирует тенденция к кардинальному увеличению числа процессоров в кластере. В «Earth Simulator» было 5120 процессоров, в "Колумбии" - 10160, а в «Blue Gene/L» уже 130 тысяч процессоров. Количество процессоров у лидера 2005 года в 26 раз больше, чем у лидера 2002 года. Однако этот очень дорогостоящий шаг позволил увеличить производительность всего лишь в 8 раз! Налицо экстенсивная тенденция развития суперкомпьютеров, свидетельствующая о серьезных проблемах, сдерживающих развитие параллельных вычислений и суперкомпьютеров. Во многом причиной такого положения является «тирания межсоединений», когда соединить множество микропроцессоров в единую систему становится все труднее и труднее.
Производительность параллельных вычислительных машин непосредственно зависит от степени коммуникации между ее процессорами. Основной проблемой, возникающей при использовании шин, является возникновение конфликтов при обращении множества устройств к шине. Например, при общей шине один процессор должен ждать доступа к шине, пока другой процессор осуществляет считывание данных из запоминающего устройства или выполняет запись данных в память. Таким образом, система межсоединений, посредством которых вычислительная машина совместно использует и передает данные между различными процессорами машины, является одной из самых важных характеристик архитектуры параллельных вычислительных машин.
В идеальном случае в вычислительной системе каждый входной узел должен иметь возможность быть непосредственно соединенным с каждым выходным узлом. Аналогичным образом, в идеальной вычислительной машине каждый процессор должен быть непосредственно связан с каждым другим процессором так, чтобы система была полностью или глобально соединена.
Однако создать такую сеть с использованием известных решений чрезвычайно трудно. Решение возможно с использованием коммутаторов, устанавливающих временные связи между процессорами, по запросам самих процессоров. Сеть многокаскадных межсоединений является практичным компромиссом, который обеспечивает возможность получения динамически реконфигурируемого межсоединения каждого узла или процессора системы одновременно только с одним другим узлом или процессором. Сети многокаскадных межсоединений получили распространение, поскольку по сравнению с сетью системы многократных координатных коммутаторов комплексность аппаратных средств уменьшается при сохранении способности установления прямого соединения между любым данным входным портом и любым данным выходным портом. Однако у таких систем тоже возникает множество проблем. Одной из наиболее общих проблем сетей многокаскадных межсоединений, является проблема конфликта, возникающего при передаче блоков данных. Он возникает в том случае, если два или более входных сигнала в одном коммутаторе одновременно запрашивают один выход. Проблема коммуникации в крупномасштабных сетях возникает как зеркальное отражение проблемы «тирании межсоединений» на макроуровне.
Прототип
В связи с развитием сетевых структур в электронике возникла новая тенденция создавать самоорганизующиеся электронные структуры.
Например, известен способ создания самоорганизующихся виртуальных макроквантовых нейронных сетей по заявке на изобретение РФ №2002131406 заключающийся в том, что при помощи макроквантового алгоритма преобразуют физическое пространство аппаратуры, состоящей из различных блоков в виртуальное пространство, организованное в виде многослойных ветвящихся нейроподобных сетей, отличающийся тем, что при этом не создают аппаратно выполненные нейроны и электронные связи между нейронами.
Известна заявка на патент США №20030217129 « Самоорганизация интеллектуальной архитектуры сети и методология» по которой интеллектуальная сеть, включает множество иерархических интеллектуальных слоев, каждый слой связан коммуникациями, по крайней мере, с одним из превосходящего слоя и одним зависимым слоем. Множество узлов формирует каждый слой, где каждое множество узлов имеет интеллектуальные модули, которые связаны горизонтально в пределах каждого слоя, так же как связаны с интеллектуальными модулями зависимых и превосходящих иерархических слоев, чем обеспечивают сквозную иерархическую самоорганизацию интеллектуальной сети. Соединение модулей в иерархическую структуру осуществляется вычислительной системой по заложенному в нее алгоритму и контролирующей функционирование узлов сети. Собственно подключение узлов в систему производится с использованием средств сетевых соединений, при этом подразумевается, что физическое подключение всех узлов в сеть уже осуществлено ранее, так как сеть существует и все ее узлы функционируют. Система предназначена для повышения эффективности использования ресурсов сети, а также изменения ее структуры путем самоорганизации при нарушении целостности системы (например, при разъединении кабелей) или в случае хакерской атаки.
Способность самоорганизации интеллектуальной системы сети получена при использовании петель обратной связи сформированных петлями входа и петлями выхода продукции. Петли обратной связи обеспечиваются, чтобы установить процесс самоорганизации, где интеллектуальные сети могут динамически повторно формировать топологию сети, а также ресурсы, условия и услуги динамически. Также, непрерывная интеллектуальная система сети мониторов узнает все об окружающей среде и о ее воздействии на ресурсы сети, принимает интеллектуальные решения и предпринимает соответствующие действия, основанные на поведении сети, наблюдаемой в прошлом относительно аналогичных воздействий.
Известна заявка на патент США 20050201300 «Самоконфигурирование беспроводной персональной сетевой области» в которой описаны м етоды и аппаратные средства, обеспечивающие самоформирование беспроводной персональной сети из массива сетевых устройств.
Система включает определение местоположения каждого из устройств, компаратор, соединенный с определителем для того, чтобы сравнивать местоположения каждого из устройств, для того чтобы выбрать необходимое подмножество устройств, и средства коммуникации, соединенные с компаратором, чтобы передать идентификационные данные подмножества к некоторым или всему подмножеству устройств. Полученная информация позволяет автоматически сформировать требуемое подмножество устройств.
Известна заявка США №20050201301 на изобретение «Самоассоциирующаяся беспроводная персональная область сети», где формирование сети происходит самостоятельно на основе определения типа устройств, сравнения их свойств с заданными и подключения в персональную область сети только тех устройств, которые отвечают выбранным критериям.
Известна заявка США №20050262382 «Масштабируемая архитектура, базирующаяся на программном кворуме», в которой группа компьютеров программно устанавливает кворум (соглашение между собой) для того, чтобы установить и скоординировать доступ к разделенным ресурсам кластерной вычислительной системы. Используя многократно объекты кворума, которые распределены между членами кластера, кластер может однообразно обеспечить доступ к ресурсам большому количеству компьютеров, которые обращаются с масштабируемым ресурсам, типа разделенной системы управления базой данных.
Известна заявка США № 20060268791 « Самоорганизующаяся многоканальная петлевая сеть». Специальные узлы сети используются как отправные точки для того, чтобы сформировать группы полностью связанных узлов. Здесь, все узлы могут общаться непосредственно друг с другом, и связи отвечают транспортным требованиям как предназначено их индивидуальной конфигурацией и топологическими положениями. Связи, которые не сталкиваются друг c другом, как предполагают, будут работать одновременно, таким образом, увеличивая полосу пропускания, предлагаемую целой системой. Когда есть изменение к системе, типа отключения или введения узла, система приспособится с минимальным воздействием на его операцию. Как только все группы сформированы в системе, группы теперь способны к коммуникациям между группами с увеличением полосы пропускания для таких коммуникаций.
Известен патент РФ № 2198481 «ГЛОБАЛЬНОЕ БЕСКОНФЛИКТНОЕ СОЕДИНЕНИЕ». В патенте описано средство, предназначенное для преодоления проблем, связанных с маршрутизацией передаваемого блока данных и конфликтом передаваемого блока данных в сетях глобальных межсоединений. В патенте показано, что абонентский доступ к системам с комплексным представлением информации потребует коммутаций сотен тысяч абонентских линий, причем каждая линия обеспечивает прогон более пятисот мегабайт в секунду. Для удовлетворения этих перспективных требований потребуются пропускные способности, которые на три-четыре порядка больше планируемых возможностей современной технологии электросвязи.
Известен патент РФ №2202123 «ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С ПРОГРАММИРУЕМОЙ АРХИТЕКТУРОЙ». Система содержит N параллельных процессоров, каждый из которых содержит матрицу процессорных элементов, ОЗУ, управляющий процессор, системную шину, служебное ОЗУ, буферное ОЗУ, блок загрузки и одну или более коммуникационных сред.
Известна заявка РФ №96123059 «Вычислитель с перепрограммируемой архитектурой», содержащий в своей основе базовые вычислительные элементы, входы/выходы которых соединены между собой по принципу каждый с каждым, подсоединены к общей внутренней шине F-bus и схеме синхронизации, отличающийся тем, что вычислитель содержит скоростную шину, позволяющую объединять несколько охлаждаемых плат для решения сложных задач, и позволяющую использовать электрические и оптические линии связи, реализован на основе многопроцессорной, а базовые вычислительные элементы выполнены на базе современных программируемых пользователем микросхем FPGA.
Известен патент РФ № 2003124690 «Архитектура адаптивной параллельно-конвейерной нейронной сети для коррекции ошибок», содержащая блок нейронной сети, отличающаяся тем, что в нее включены блок реконфигурации, причем информационный вход сети соединен со входом нейронной сети, выход которой соединен с входом блока реконфигурации управляющим входом демультиплексоров блока обнаружения ошибок и управляющим входом постоянного запоминающего устройства весовых коэффициентов блока исправления ошибок, выход которого является выходом адаптивной параллельно-конвейерной нейронной сети.
Известна заявка США №20060242225 «Самоформирующаяся и самовосстанавливающаяся конфигурация, разрешающая замену агентов с эффектом живого ремонта» по которой конфигурация включает набор агентов в "плоской" архитектуре аппаратных средств и позволяет обеспечить самоформирование и самовосстановление иерархической архитектуры путем использования программного обеспечения. Изобретение может использоваться в различных вариантах, например с целью поддержания целостности сети. В другом варианте, сеть контролирующая безопасность здания предусматривает агентов сети способными к коммуникации с любыми другими агентами в сети при запуске сети. Вскоре после инициализации сети, программная архитектура, основанная на плоской архитектуре аппаратных средств, перестраивает связи и коммуникации, чтобы обеспечить эффективную иерархию управления и заменяет рабочими агентами скомпрометированных агентов по мере необходимости в сети.
Недостатком таких решений является использование либо сравнительно небольшого числа радиосоединений, к тому же обладающими ограниченной пропускной способностью, либо использование чисто программных средств формирования виртуальной «параллельной» архитектуры, которая физически все равно остается последовательной. Сетевые же интернет-решения, несмотря на то, что они реально являются самым настоящим параллельным сетевым или древовидным решением, пока еще малопригодны для создания высокопроизводительных суперкластеров в связи с недостаточной для этих целей пропускной способностью оптоволоконных одномодовых шин, используемых в таких сетях. Реальное создание суперкластеров возможно только с использование многоканальных оптических шин с производительностью в десятки тысяч раз превышающие производительность Интернет-соединений.
Краткое описание чертежей
Предлагаемые изобретения поясняются фигурами 1 – 9.
На фигурах 1-5 показано устройство охлаждаемой платы
На фигурах 6,7 и 8 показано устройство стоек самоформирующегося суперкомпьютера с массивом охлаждаемых плат и манипулятором, размещенным на верхней части стойки
На фигуре 9 показана общая компоновка самоформирующегося суперкомпьютера со стойками, магазинами охлаждаемых плат и оптоволоконных шин, компьютером-строителем и кабельными каналами
Применение ИМКС для внекристальных межъядерных и межпроцессорных соединений
Микросхема с ИМКС содержит матрицы оптических передатчиков и приемников сигнала, средства коммутации каналов связи и оптоволоконные разъемы. Микросхемы соединяются с другими микросхемами многоконтактными оптоволоконными шинами и имеют возможность осуществления внутрикристальных соединений в самой микросхеме с помощью внешних оптоволоконных шин.
Охлаждаемая плата, на которой имеются токопроводящие шины и размещены микросхемы, отличается тем, что представляет собой плоский корпус со встроенным в него охладителем, на широких плоскостях которого закреплены (приклеены) микросхемы, содержащие многоконтактные оптоволоконные разъемы. На торцевой стороне платы расположены устройства для автоматического прикрепления и подключения платы к стойке.
Технический результат
- Применение ИМКС позволяет увеличить скорость обмена информацией между кристаллами в тысячи раз.
- Значительно упрощается технология изготовления сверхбольших массивов микросхем, так как отпадает необходимость в резке пластин на кристаллы, корпусировании их в микросхемы и распайки микросхем на платы.
- Упрощается конструкция плат и систем охлаждения. Значительно повышается плотность монтажа микросхем.
Самоформирующийся суперкомпьютер
Самоформирующийся суперкомпьютер, содержит компьютер-строитель, манипуляторы, управляемые этим компьютером, а также библиотеки плат с микросхемами и библиотеки оптоволоконных шин. Формирование суперкомпьютера, осуществляется манипуляторами автоматически, путем установки плат в стойки и проведения межплатных оптоволоконных соединений по командам компьютера-строителя.
Технический результат
- Количество межплатных и межстоечных связей может быть в сотни раз большим, чем это возможно с использованием других средств соединения микросхем. Практически, оптоволоконными шинами может быть заполнен весь межстоечный объем суперкомпьютера.
- Использование манипуляторов в составе суперкомпьютеров позволяет осуществлять их самоформирование по заданной программе, формируя оптимальную архитектуру для решаемой задачи.
 |
 |
