РЕКОНФИГУРИРУЕМЫЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к области вычислительной техники, в частности, к вычислительным устройствам с перестраиваемой архитектурой, использующим программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), и может быть использована в реконфигурируемых вычислительных блоках многопроцессорных вычислительных систем, предназначенных для решения трудоемких задач и обработки больших информационных массивов и потоков, с использованием распараллеливания и конвейеризации вычислительных процессов.
Известен реконфигурируемый вычислительный блок (Современные технологии автоматизации, №3, 2013, с. 70-72, рис. 3, http://www.cta.ru/) содержащий плату носитель с двумя внешними портами для обмена информацией и установленными на ней коммутатором PCI-Express, системной ПЛИС, четырьмя модулями ХМС с двумя вычислительными ПЛИС, каждая из которых снабжена автономным радиатором для отвода тепла и содержит высокоскоростной последовательный интерфейс PCI-Express, причем порты коммутатора PCI-Express соединены с внешними портами блока и с интерфейсами PCI-Express ПЛИС, и управляющий компьютер.
Недостатком данного вычислительного блока является недостаточно высокая скорость обмена информацией вычислительных ПЛИС по внешним портам, мало эффективная система охлаждения и конфигурирования.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, является большой уровень накладных расходов на арбитраж и последовательный характер обслуживания вычислительных ПЛИС через внешние порты, отсутствие системы стартового конфигурирования вычислительных ПЛИС, а также модульное выполнение компонент с большим тепловыделением.
Наиболее близким устройством того же назначения, к заявленной полезной модели, по совокупности признаков является, принятый за прототип вычислительный модуль (RU №137137 U1, МПК G06F 15/16, заявлено 07.10.2013, опубликовано 21.01.2014, БИ №3), содержащий два внешних порта блока для обмена информацией, коммутатор PCI-Express, интерфейсную и N вычислительных ПЛИС, каждая из которых содержит высокоскоростной последовательный интерфейс PCI-Express, причем порты коммутатора PCI-Express соединены с внешними портами модуля и с интерфейсами PCI-Express интерфейсной ПЛИС и N вычислительных ПЛИС, объединенных кольцевым высокоскоростным последовательным каналом обмена информацией между интерфейсной ПЛИС и N вычислительными ПЛИС, организованным на базе двух дополнительных независимых высокоскоростных последовательных портов обмена информацией, введенных у интерфейсной ПЛИС и каждой из N вычислительных ПЛИС.
Недостатком данного модуля является малоэффективная система конфигурирования ПЛИС, и недостаточно высокая надежность работы модуля.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, является отсутствие систем стартового конфигурирования, независимого оперативного реконфигурирования вычислительных ПЛИС, и мобильного, в зависимости от выполняемой задачи, реконфигурирования интерфейсной ПЛИС, а также отсутствие системы контроля и управления температурным режимом работы вычислительных ПЛИС.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является организация оперативного и независимого конфигурирования вычислительных ПЛИС, сокращение накладных расходов на реконфигурирование вычислительных ПЛИС и повышение надежности за счет контроля и управления их температурным режимом.
Для решения данной задачи в реконфигурируемый вычислительный модуль, содержащий два внешних порта для обмена информацией, коммутатор PCI-Express, интерфейсную и восемь вычислительных ПЛИС, каждая из которых содержит высокоскоростной последовательный интерфейс PCI-Express, причем порты коммутатора PCI-Express соединены с внешними портами модуля и с интерфейсами PCI-Express интерфейсной ПЛИС и восемью вычислительными ПЛИС, объединенных кольцевым высокоскоростным последовательным каналом обмена информацией между интерфейсной ПЛИС и N вычислительными ПЛИС, организованным на базе двух дополнительных независимых высокоскоростных последовательных портов обмена информацией, введенных у интерфейсной ПЛИС и каждой из восьми вычислительных ПЛИС, дополнительно введены блок оперативного конфигурирования ПЛИС, память стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС, сетевой порт контроля и управления Ethernet, буферная память управления, блок контроля и управления питанием и блок мониторинга соединенные двунаправленными шинами с интерфейсной ПЛИС, а также введены порт контроля и управления JTAG и память стартовой конфигурации интерфейсной ПЛИС соединенные с блоком оперативного конфигурирования ПЛИС, причем интерфейсная ПЛИС соединена двунаправленной общей шиной с восьмью вычислительными ПЛИС, которые двунаправленной шиной мониторинга соединены с блоком мониторинга, над восьмью вычислительными ПЛИС установлен единый радиатор прямоугольной формы.
На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого реконфигурируемого вычислительного модуля с восьмью вычислительными ПЛИС.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - коммутатор PCI-Express;
2 - интерфейсная ПЛИС;
1
2
8
3, 3, …, 3 - восемь вычислительных ПЛИС;
4 - высокоскоростной входной порт последовательного интерфейса PCI-Express 4;
5 - высокоскоростной последовательный интерфейс PCI-Express между коммутатором PCI-Express 1;
1
2
8
1
2
8
6, 6, …, 6 - группа из восьми высокоскоростных последовательных интерфейсов PCI-Express между коммутатором PCI-Express 1 и вычислительными ПЛИС 3, 3, …, 3;
1
2
8
7 - кольцевой высокоскоростной последовательный канал обмена информацией между интерфейсной ПЛИС и вычислительными ПЛИС 3, 3, …, 3;
8- высокоскоростной выходной порт последовательного интерфейса PCI-Express;
9 - блок оперативного конфигурирования ПЛИС;
10 - память стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС;
11 - порт контроля и управления JTAG;
12 - сетевой порт контроля и управления Ethernet;
13 - буферная память управления;
14 - общая шина;
15 - блок контроля и управления питанием;
16 - память стартовой конфигурации интерфейсной ПЛИС;
17 - блок мониторинга;
18 - шина мониторинга.
1
2
8
1
2
8
1
2
8
1
2
8
1
2
8
Коммутатор PCI-Express 1 предназначен для организации обмена информацией с интерфейсной ПЛИС 2 и вычислительными ПЛИС 3, 3, …, 3 по входному порту 4, подключения дополнительного оборудования по выходному порту 8 и организации взаимодействия вычислительных ПЛИС 3, …, 3, 3 между собой по интерфейсам PCI-Express 6, 6, …, 6. Коммутатор PCI-Express 1 содержит 11 высокоскоростных портов, которые соединены с входным портом PCI-Express 4, с интерфейсной ПЛИС 2 по интерфейсу PCI-Express 5, с восьмью вычислительными ПЛИС 3, 3, …, 3 по восьми интерфейсам PCI-Express 6, 6, …, 6 и выходным портом PCI-Express 8.
1
2
8
Вычислительные ПЛИС 3, 3, …, 3 предназначены для аппаратной реализации трудоемких алгоритмов вычислительных задач и осуществляют высокопроизводительную обработку поступающих входных данных.
1
2
8
Интерфейсная ПЛИС 2 предназначена для организации обмена информацией восьми вычислительных ПЛИС 3, 3, …, 3 по кольцевому высокоскоростному последовательному каналу 7 и входному порту PCI-Express 4 посредством ресурсов высокоскоростного последовательного интерфейса PCI-Express 5.
1
2
8
1
2
8
Блок оперативного конфигурирования ПЛИС 9 предназначен для организации конфигурирования восьми вычислительных ПЛИС 3, 3, …, 3 по сетевому порту Ethernet 12, интерфейсу PCI-Express 5, порту JTAG 11 и из памяти стартовых конфигураций 10, предназначенной для хранения начальной конфигурации для восьми вычислительных ПЛИС 3, 3, …, 3, а также конфигурирования интерфейсной ПЛИС 2 по порту JTAG 11 и из памяти стартовой конфигурации 16, предназначенной для хранения начальной конфигурации для интерфейсной ПЛИС 2.
1
2
8
Порт контроля и управления JTAG 11 предназначен для организации загрузки вычислительных ПЛИС 3, 3, …, 3 и интерфейсной ПЛИС 2 средствами САПР от управляющего компьютера.
Сетевой порт контроля и управления Ethernet 12 предназначен для обеспечения взаимодействия управляющего компьютера с интерфейсной ПЛИС 2.
1
2
8
1
2
8
Буферная память управления 13 предназначена для хранения текущих конфигураций, предназначенных для записи в вычислительные ПЛИС 3, 3, …, 3. По общей шине 14 выполняется управление конфигурированием вычислительных ПЛИС 3, 3, …, 3.
1
2
8
Блок контроля и управления питанием 15 предназначен для контроля напряжений питания и управления их подключения к восьми вычислительным ПЛИС 3, 3, …, 3.
1
2
8
1
2
8
Блок мониторинга 17 предназначен для контроля и управления температурным режимом восьми вычислительных ПЛИС 3, 3, …, 3 по шине мониторинга 18, с использованием термодатчиков, встроенных в вычислительные ПЛИС 3, 3, …, 3.
Предлагаемый реконфигурируемый вычислительный модуль работает следующим образом.
1
2
8
1
2
8
После включения питания осуществляется загрузка стартовой конфигурации в интерфейсную ПЛИС 2 блоком оперативного конфигурирования ПЛИС 9 из памяти стартовых конфигураций интерфейсной ПЛИС 16. Далее уже интерфейсная ПЛИС 2 конфигурирует вычислительные ПЛИС 3, 3, …, 3 по шине управления конфигурированием 14 из памяти стартовых конфигураций 10. При этом, в памяти управляющего компьютера, к которому подключен реконфигурируемый вычислительный модуль по высокоскоростному входному порту последовательного интерфейса PCI-Express 4, распределение всех устройств PCI-Express происходит одновременно при загрузке операционной системы, и в дальнейшем не требует ее перезагрузки при переконфигурировании вычислительных ПЛИС 3, 3, …, 3, что увеличивает время полезной работы последних.
1
2
8
Конфигурирование вычислительных ПЛИС 3, 3, …, 3 может быть также оперативно осуществлено по порту контроля и управления JTAG 11 и сетевому порту контроля и управления Ethernet 12, а также по высокоскоростному входному последовательному интерфейсу PCI-Express 4.
1
2
8
1
2
8
1
2
8
После инициализации портов коммутатора PCI-Express 1, высокоскоростного последовательного интерфейса PCI-Express 5, интерфейсной ПЛИС 2, переконфигурирования вычислительных ПЛИС 3, 3, …, 3 рабочими проектами, в зависимости от алгоритмов выполняемых задач, осуществляется высокоскоростной обмен информацией по входному порту 4 и портом PCI-Express 5 интерфейсной ПЛИС 2 и портами 6, 6, …, 6 вычислительных ПЛИС 3, 3, …, 3, а также выходным портом 8. Высокоскоростной выходной порт 8 последовательного интерфейса PCI-Express предназначен для расширения вычислительного ресурса, например, за счет подключения аналогичных реконфигурируемых вычислительных модулей.
1
2
8
Для повышения скорости и надежности переконфигурирования вычислительных ПЛИС 3, 3, …, 3 используется буферная память 13, в которую заранее, на фоне выполнения текущей задачи, могут подкачиваться следующие конфигурационные последовательности.
Предлагаемый реконфигурируемый вычислительный модуль поддерживает следующие системы обмена данными:
1
2
8
1
2
8
- обмен индивидуальными данными по входному порту 4 непосредственно с вычислительными ПЛИС 3, 3, …, 3 через коммутатор PCI-Express 1 с максимальной скоростью обмена , где  - максимальная скорость обмена внешнего порта 4, а коэффициент 0.5 соответствует накладным расходам на арбитраж между восьмью вычислительными ПЛИС 3, 3, …, 3;
1
2
8
- обмен индивидуальными данными по входному порту 4 с вычислительными ПЛИС 3, 3, …, 3 через коммутатор PCI-Express 1, интерфейсную ПЛИС 2 и кольцевой высокоскоростной последовательный канал обмена информацией 7 с максимальной скоростью обмена  при условии, что скорость передачи информации по кольцевому каналу 7 не меньше , где коэффициент 1.0 соответствует отсутствию накладных расходов на арбитраж, так как взаимодействие осуществляется посредством интерфейсной ПЛИС 2;
1
2
8
- передача в вычислительные ПЛИС 3, 3, …, 3 одного и того же входного потока информации по входному порту 4 через коммутатор PCI-Express 1, интерфейсную ПЛИС 2 и кольцевой высокоскоростной последовательный канал обмена информацией 7 с максимальной скоростью потока , при условии равенства потоков входной и выходной информации вычислительных ПЛИС.
1
2
8
1
2
8
В соответствии с этим ожидаемая скорость обмена информацией восьми вычислительных ПЛИС 3, 3, …, 3  через входной порт 4 будет находиться в диапазоне от  до , в зависимости от текущего соотношения различных способов обмена восьми вычислительных ПЛИС 3, 3, …, 3 по входному порту.
1
2
8
1
2
8
1
2
8
В предлагаемом модуле имеется возможность установить индивидуальные пороги тепловой защиты для вычислительных ПЛИС 3, 3, …, 3. После запуска задачи модуль переходит в режим контроля температурного режима с возможностью индивидуального отключения рабочего напряжения от вычислительных ПЛИС 3, 3, …, 3, на основании информации получаемой с блока мониторинга 17 по шине 18 соединенной восьмью вычислительными ПЛИС 3, 3, …, 3. Введение единого радиатора прямоугольной формы установленного над восьмью вычислительными ПЛИС обеспечивает эффективное охлаждение, за счет равномерного их охлаждения, путем перераспределения тепла между ними, за счет введения секций ребер, выполненных из медной ленты и напаянных на плиту радиатора, и введения тепловых трубок, впаянных вдоль продольной оси плиты единого радиатора.
1
2
8
Предлагаемый реконфигурируемый вычислительный модуль может быть выполнен на следующих элементах: коммутатор PCI-Express 1 на базе микросхемы коммутатора PEX8648 фирмы PLX Technology, интерфейсная ПЛИС 2 - микросхеме фирмы Xilinx типа XC6VLX75T-1FFG784C, вычислительные ПЛИС 3, 3, …, 3 - микросхемах фирмы Xilinx типа XC7K410T-1FFG900C, блок оперативного конфигурирования ПЛИС 9 - с использованием CPLD XC2C64A, память стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС 10 - с использованием Flash-памяти S29GL512P, порт контроля и управления JTAG 11
с использованием штатного разъема MOLEX и CPLD XC2C64A, сетевой порт контроля и управления Ethernet 12 - на микросхеме DP83865DVH, буферная память управления 13 - DDR3 SDRAM, память стартовой конфигурации интерфейсной ПЛИС 16 - на SPI-памяти M25P64, блок мониторинга 17 - на микросхемах MAX6656.
Таким образом, вышеизложенные сведения позволяют сделать вывод, что предлагаемый реконфигурируемый вычислительный модуль позволяет организовать оперативное и независимое конфигурирование вычислительных ПЛИС и выполнять вычисления больших объемов за счет сокращения накладных расходов на реконфигурирование вычислительных ПЛИС, а также повышена надежность модуля за счет контроля и управления температурным режимом ПЛИС.