УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ КОНФИГУРАЦИЕЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к вычислительной технике и может найти применение в вычислительных системах, работающих в неблагоприятных условиях окружающей среды.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известна группа технических решений «Устройство, способ и компьютерный программный продукт для освобождения, конфигурирования и реконфигурирования усовершенствованного канала нисходящей линии связи» [патент RU 2390972, С2, H04W 76/20, 27.05.2010], которое включает, в частности техническое решение «Мобильная станция» характеризующееся следующей совокупностью признаков:
24. Мобильная станция беспроводной системы связи, включающая приемопередатчик для передачи данных по усовершенствованному выделенному каналу и для приема в первом сообщении параметров конфигурации по меньшей мере для одного канала нисходящей линии связи, связанного с усовершенствованным выделенным каналом, и во втором сообщении - инструкции для удаления, изменения или добавления параметров конфигурации; память для хранения параметров конфигурации; процессор данных, связанный с памятью и приемопередатчиком, при этом указанный процессор данных предназначен для конфигурирования приемопередатчика после приема мобильной станцией первого сообщения для приема по меньшей мере одного канала нисходящей линии связи в соответствии с параметрами конфигурации первого сообщения; изменения сохраненных параметров конфигурации в соответствии с инструкцией после приема мобильной станцией второго сообщения и реконфигурирования приемопередатчика для приема по меньшей мере одного канала нисходящей линии связи в соответствии с измененными параметрами конфигурации, в то время как поддерживается усовершенствованный восходящий выделенный канал для мобильной станции.
25. Мобильная станция по п. 24, где первое сообщение включает параметры конфигурации для усовершенствованного канала абсолютного предоставления ресурса E-AGCH; и второе сообщение принимается от сетевой ячейки, вовлеченной в смену обслуживающих ячеек мобильной станции, а указанная инструкция предписывает добавить параметры конфигурации для нового усовершенствованного канала относительного предоставления ресурса E-RGCH в добавление к каналу E-AGCH.
26. Мобильная станция по п. 24, где первое сообщение включает параметры конфигурации для усовершенствованного канала абсолютного предоставления ресурса E-AGCH и усовершенствованного канала относительного предоставления ресурса E-RGCH; и второе сообщение принимается от сетевой ячейки, вовлеченной в смену обслуживающих ячеек мобильной станции, и указанная инструкция предписывает удалить параметры конфигурации для канала E-RGCH.
27. Мобильная станция по п. 24, где первое сообщение включает параметры конфигурации для усовершенствованного канала абсолютного предоставления ресурса E-AGCH и усовершенствованного канала относительного предоставления ресурса E-RGCH; и указанная инструкция включает ИНДИКАТОР ОСВОБОЖДЕНИЯ E-RGCH в сообщении управления радиоресурсами, и процессор данных в соответствии с этой инструкцией удаляет из памяти параметры конфигурации канала E-RGCH.
Недостатком данного технического решения является то, что оно не позволяет осуществлять реконфигурирование системы на основании прогностических данных о ее способности работать в неблагоприятных условиях окружающей среды.
Известно также техническое решение «Управляющая вычислительная система» [патент RU 2520350, С2, H04W 76/20, 20.06.2014], содержащая процессор с подключенным к нему запоминающим устройством, формирователь синхроимпульсов, выходы которого подключены к процессору и запоминающему устройству, отличающаяся тем, что управляющий выход процессора подключен к формирователю синхроимпульсов, а также введением формирователя сигнала блокировки, устройства формирования интервалов и датчика внешнего фактора, выход которого подключен к входу устройства формирования интервалов и к первому входу формирователя сигнала блокировки, подключенного первым выходом к блокирующему входу запоминающего устройства, вторым входом - к управляющему выходу процессора, а третьим входом - к устройству формирования интервалов, у которого выходы обнуления и метки времени подключены соответственно к процессору и запоминающему устройству, а фазирующие выходы - к формирователю синхроимпульсов.
В этой управляющей вычислительной системе запоминающее устройство содержит два накопителя, подключенные двунаправленными шинами к шине устройства, два сумматора массивов, подключенные входами к шине устройства, а входами-выходами к соответствующим накопителям, и два сумматора меток времени, входы которых являются входами устройства, блокирующий вход которого является блокирующим входом накопителей. Запоминающее устройство содержит три накопителя, подключенные двунаправленными шинами к шине устройства, три сумматора массивов, подключенные входами к шине устройства, а входом-выходом к соответствующим накопителям, и три сумматора меток времени, входы которых являются входами устройства, блокирующий вход которого является блокирующим входом накопителей.
Кроме того, в этой управляющей вычислительной системе формирователь синхроимпульсов содержит три блока фазирования и три генератора импульсов, у которых первый и второй установочные входы являются одноименными входами формирователя, а выход каждого генератора подключен к входу своего блока фазирования, фазирующий вход каждого из которых подключен к фазирующим входам двух других блоков, а синхронизирующие выходы блока являются одноименными выходами формирователя. Формирователь интервалов содержит три кварцевых генератора, три делителя частоты, три формирователя меток и мажоритарный элемент, выход которого является выходом устройства, причем выход каждого генератора подключен к входам формирователей меток и делителей частоты своего канала, интервальные выходы которых подключены к входам мажоритарного элемента, а их фазирующие выходы и выходы формирователей меток являются выходами устройства. Кроме того, формирователь сигнала блокировки содержит регистр, выход которого подключен к входу дешифратора, выход которого подключен к первому входу триггера, второй вход которого является входом формирователя, а выход подключен к первому входу элемента И, второй вход которого является входом формирователя, а выход - выходом формирователя.
В этой управляющей вычислительной системе формирователь метки времени содержит логический элемент, первый вход которого является входом формирователя, а выход подключен к входу сдвигового регистра, выход которого подключен к входу сдвигового дешифратора, подключенного выходом к запускающему входу триггера останова, выход которого является фазирующим выходом формирователя и подключен ко второму входу логического элемента и первому входу мажоритарного элемента, выход которого подключен к входу триггера пуска, подключенного выходом к сбрасывающему входу триггера останова, а к второму и третьему входу мажоритарного элемента подключены выходы триггеров привязки, входы которых являются фазирующими входами блока, а их синхронизирующий вход объединен с первым входом логического элемента, при этом выходы нечетных и четных разрядов сдвигового регистра подключены соответственно к запускающим и сбрасывающим входам триггеров-формирователей, выходы которых являются выходами блока.
В этой управляющей вычислительной системе накопитель содержит энергонезависимый элемент памяти, входы-выходы которого являются одноименными входами-выходами накопителя, а параллельно его шинам записи подключен МОП транзистор со встроенным каналом, вход затвора которого является блокирующим входом накопителя.
В этой управляющей вычислительной системе генератор импульсов содержит п последовательно включенных инверторов, подключенных выходами к входам мультиплексора, выход которого подключен к входу первого инвертора, буферному элементу, выход которого является выходом генератора, и входу счетчика кода частоты, выходы которого являются первыми входами схемы сравнения, первый и второй выходы которой подключены соответственно к инкрементному и декрементному входам счетчика кода частоты, выходы которого подключены к управляющим входам мультиплексора, а входы счетчика и входы регистра кода частоты и являются первым и вторым входами генератора.
Недостатком данного технического решения является то, что оно не позволяет осуществлять реконфигурирование системы на основании прогностических данных о ее способности работать в неблагоприятных условиях окружающей среды.
1
К
1
К
1
N
1
М
1
М
1
М
1
М
1
N
1
К
1
N
1
N
1
M
1
M
1
M
1
M
1
M
1
K
1
K
1
N
1
N
1
N
1
N
1
M
1
M
1
M
1
M
1
M
1
M
1
M
1
M
1
M
1
M
1
N
1
N
1
K
1
К
Наиболее близким к заявленной полезной модели является устройство, описанное в патенте «Реконфигурируемая вычислительная система» [патент RU 2677363, C1, G06F 15/16, 16.01.2019], которое Реконфигурируемая вычислительная система, содержащая ведущий сервер 2, соединенный по сетевому интерфейсу 3 с коммутатором EtherNet 1 управления вычислительной системы и по сетевым интерфейсам EtherNet 7, …, 7 с группой из К ведомых вычислительных узлов 4, …, 4, каждый из которых содержит коммутатор PCI-Express 11, компьютер 8 и группу из N реконфигурируемых вычислительных устройств 13, …, 13, каждое из которых содержит коммутатор PCI-Express 19, группу из М вычислительных ПЛИС 20, …, 20, интерфейсную ПЛИС 22, блок конфигурирования и мониторинга 23, блок управления режимом коммутатора PCI-Express 30 и память 24 конфигураций ПЛИС, причем интерфейсная ПЛИС 22 соединена с блоком управления режимом коммутатора PCI-Express 30, памятью конфигураций ПЛИС 24 и блоком конфигурирования и мониторинга 23, который по общей шине конфигурирования и мониторинга вычислительных ПЛИС 25 соединен с группой из М вычислительных ПЛИС 20, …, 20, а также каждый коммутатор PCI-Express 19 соединен с блоком управления режимом 30 коммутатора PCI-Express по шине управления 12, интерфейсной ПЛИС 22 по высокоскоростному последовательному интерфейсу PCI-Express 17 и с вычислительными ПЛИС 20, …20, по высокоскоростным последовательным интерфейсам PCI-Express 21, …, 21, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены двухпортовая интерфейсная плата 5, коммутатор PCI-Express 31 объединения реконфигурируемых вычислительных устройств 13, …, 13, ведомых вычислительных узлов 4, …, 4, в каждый из которых введена группа из N памятей состояния 9, …, 9реконфигурируемых вычислительных устройств 13, …, 13, в каждое из которых введены группа из М вычислительных СБИС 33, …, 33, единый радиатор прямоугольной формы 27, установленный над вычислительными СБИС 33, …,  33, группа из М блоков индивидуального мониторинга и управления 15, …, 15 и группа из М памятей стартовых конфигураций 35, …, 35 соответствующих вычислительных ПЛИС 20, …, 20, причем в каждом ведомом вычислительном узле 4, …, 4 компьютер 8 подключен к соответствующему сетевому интерфейсу EtherNet 7, …, 7 соединен с N памятями состояния 9, …, 9 реконфигурируемых вычислительных устройств 13, …, 13 и соединен высокоскоростным последовательным интерфейсом PCI-Express 10 с коммутатором PCI-Express 11, который группой из N высокоскоростных последовательных интерфейсов PCI-Express 16, …, 16 соединен с портами NT/US соответствующих коммутаторов PCI-Express 19 группы из N реконфигурируемых вычислительных устройств 13, …, 13, в каждом из которых вычислительные ПЛИС 20, …, 20 подключены к соответствующим одноименным памятям 35, …, 35 конфигураций вычислительных ПЛИС по индивидуальным шинам 36, …, 36 реконфигурации вычислительных ПЛИС к по индивидуальным шинам 32, …, 32 оперативной реконфигурации памятей стартовых конфигураций, а также подключены к одноименным вычислительным СБИС 33, …, 33 по индивидуальным шинам обмена данными 34, …, 34 и по индивидуальным шинам управления мониторингом 26, …, 26 к индивидуальным блокам мониторинга 15, …, 15 которые подключены к соответствующим вычислительным СБИС 33 …, 33 по шинам мониторинга 14, …,  14, кроме того, порты NT/DS/US коммутаторов PCI-Express 19 реконфигурируемых вычислительных устройств 13, …, 13 подключены к соответствующему интерфейсу из группы из N высокоскоростных последовательных интерфейсов объединения PCI-Express 28, …, 28, которые объединены в К групп 29, …, 29 по N высокоскоростных последовательных интерфейсов объединения PCI-Express ведомых вычислительных устройств 4, …, 4, и подключены к соответствующим портам DS коммутатора PCI-Express 31, порт US которого подключен к порту DS двухпортовой интерфейсной платы 5 по высокоскоростному последовательному интерфейсу PCI-Express 18, а порт US двухпортовой интерфейсной платы 5 подключен по высокоскоростному последовательному интерфейсу PCI-Express 6 к ведущему серверу 2.
Недостатком данного технического решения являются узкие функциональные возможности, не позволяющие использовать его для конфигурирования вычислительной системы путем осуществления выбора для последующего использования потока данных от тех или иных вычислительных устройств, в зависимости от показателей окружающей среды.
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей полезной модели является создание устройства для управления конфигурацией вычислительной системы, которое можно использовать в вычислительных системах, работающих в неблагоприятных условиях окружающей среды, когда имеется воздействие мощного ионизирующего излучения.
Техническим результатом полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства для управления конфигурация вычислительной системы, что позволяет делает его способным осуществлять выбор для последующего использования того вычислительного устройства, которое обеспечивает контролируемую точность вычислений при задаваемом ограничении на надежность.
Технический результат достигается за счет того, что в устройство для управления конфигурацией вычислительной системы, содержащее блок конфигурирования и мониторинга, согласно полезной модели, в него дополнительно введены датчик ионизирующего излучения, пороговое устройство и схема управления, при этом выход датчика ионизирующего излучения соединен с первым входом порогового устройства, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами схемы управления, выход которой соединен с первым входом блока конфигурирования и мониторинга, выход блока конфигурирования и мониторинга является выходом устройства для управления конфигурацией вычислительной системы, а второй и третий входы порогового устройства, второй, третий и четвертый входы блока конфигурирования и мониторинга - соответственно первым, вторым, третьим, четвертым и пятым входам устройства для управления конфигурацией вычислительной системы.
Надо отметить, что при этом под конфигурацией вычислительной системы понимается «совокупность функциональных частей вычислительной системы и связей между ними, обусловленная основными характеристиками этих функциональных частей, а также характеристиками решаемых задач обработки данных» [Конфигурация (вычислительной системы).Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации. URL: https://normative_reference_dictionary.academic.ru/28759 (дата обращения 13.04.2021)].
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена структурная схема предлагаемого устройства для управления конфигурацией вычислительной системы, а также устройство ввода, вычислительное устройство с высокой разрядностью (ВУВР), вычислительное устройство со средней разрядностью (ВУСР) и вычислительное устройство q низкой разрядностью (ВУНР).
Осуществление полезной модели
Теоретические предпосылки. Главная идея, положенная в основу настоящей полезной модели, состоит в обеспечении возможности «обмена» точности вычислений, выполняемых в вычислительной системе, в состав которой входит предлагаемое устройство для управления конфигурацией вычислительной системы, на надежность. Упомянутая точность зависит от разрядности используемого вычислительного устройства и результатов выполняемых вычислений, на надежность вычислительной системы, которая зависит как от условий окружающей среды, так и от количества отдельных радиоэлектронных элементов, (прежде всего - транзисторов, а также диодов, конденсаторов, элементов индуктивности), используемых при выполнении вычислений.
Для определения воздействия ионизирующего излучения на работоспособность транзисторов обратимся к работе [Павлов Е.П., Санникова И.Т. Основы проектирования электронных средств. Конспект лекций. - Издательство МарГТУ. - 341 с. (URL: https://booksee.org/book/630986, дата обращения 10.04.2021)], в которой сказано (с. 262, начало цитаты):
0
0
κ0
«Воздействие быстрых нейтронов вызывает нарушение кристаллической решетки материала (основной эффект) и ионизацию (вторичный эффект). Вследствие этого изменяются параметры полупроводниковых материалов - время жизни основных носителей (τ), удельная проводимость (ρ), скорость поверхностной рекомбинации дырок с электронами. Вследствие изменения вышеуказанных параметров уменьшается коэффициент усиления по току β (α), увеличивается обратный ток коллектора (I), возрастают шумы транзистора. Изменение коэффициента усиления является необратимым, а изменения обратного тока могут быть обратимыми и необратимыми.
Протоны и электроны влияют на характеристики транзисторов так же, как и нейтронное облучение.
0
Максимальный интегральный поток частиц Ф, который может выдерживать транзистор для заданного изменения параметра β, определяется из соотношения:
a
где ƒ - граничная частота усиления по току в схеме с общей базой;
0
β - коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (до начала облучения);
0
об
β - коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (после облучения);
2
k - постоянная, зависящая от типа транзистора (нейтр/с)/см.
Значения коэффициента к приведены в следующей таблице:
Как видно из этой таблицы, наибольшую радиационную стойкость имеют германиевые p-n-р транзисторы. Они при прочих равных условиях выдерживают поток быстрых нейтронов на 1-2 порядка больше, чем кремниевые.
Ориентировочно для оценки радиационной стойкости можно пользоваться диаграммой.
0
Левые границы прямоугольников соответствуют тем значениям потоков и доз, при которых становятся заметными необратимые изменения, а правые границы - значения потоков и доз, при которых характеристики транзисторов находятся на грани пригодности (в качестве критерия годности выбрано изменение коэффициента усиления β)» (конец цитаты).
Вышеприведенная диаграмма позволяет выработать следующие правила:
7
1. Когда накопленная доза по своему значению приближается к области, соответствующей необратимым изменениям (например, 10 для кремниевых транзисторов с тонкой базой), целесообразно осуществлять переход от использования высокоточного вычислителя к использованию вычислителя средней точности. Это обусловлено тем, что такой переход приводит к снижению вероятности осуществления ошибочных вычислений из-за отказа отдельного транзистора и, как следствие, выхода из строя всего вычислителя. Точность вычислений при этом снижается, но может оказаться приемлемой для решения определенных задач, причем дополнительную погрешность можно оценить заранее.
8
2. Когда накопленная доза по своему значению приближается к области, соответствующей необратимым изменениям (например, 10 для кремниевых транзисторов с тонкой базой), целесообразно осуществлять переход от использования вычислителя средней точности к использованию вычислителя низкой точности (по тем же причинам, что и в п. 1). Точность вычислений при этом снижается, но может оказаться приемлемой для решения определенных задач, причем дополнительную погрешность можно оценить заранее. Такой подход позволяет осуществить прогнозирование возможности выхода используемого вычислительного устройства из строя (вследствие воздействия окружающей среды) и упреждающей замены используемого вычислительного устройства на другой, который обеспечивает меньшую точность вычислений, но является более надежным.
Структурная схема предлагаемого устройства для управления конфигурацией вычислительной системы представлена на чертеже, на котором, помимо нее, изображены устройство ввода, вычислительное устройство с высокой разрядностью (ВУВР), вычислительное устройство со средней разрядностью (ВУСР) и вычислительное устройство с низкой разрядностью (ВУНР). Упомянутая структурная схема содержит следующие элементы:
1 - блок конфигурирования и мониторинга;
2 - датчик ионизирующего излучения;
3 - пороговое устройство;
4 - схема управления.
При этом выход датчика 2 ионизирующего излучения соединен с первым входом порогового устройства 3, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами схемы 4 управления, выход которой соединен с первым входом блока 1 конфигурирования и мониторинга, выход блока 1 конфигурирования и мониторинга является выходом устройства для управления конфигурацией вычислительной системы, а второй и третий входы порогового устройства 3, второй, третий и четвертый входы блока 1 конфигурирования и мониторинга - соответственно первым, вторым, третьим, четвертым и пятым входам устройства для управления конфигурацией вычислительной системы.
Описание функционирования. Работает предлагаемое устройство для управления конфигурацией вычислительной системы следующим образом.
ии
пор1
пор2
Датчик 2 ионизирующего излучения испытывает неблагоприятное воздействие, которое, как можно условно считать, поступает на его вход. Он осуществляет измерение показателя этого воздействия в виде дозы (облучения) и вырабатывает выходной сигнал U, который с выхода датчика ионизирующего излучения поступает на первый вход порогового устройства 3. На второй и третий входы порогового устройства 3 при этом подаются пороговые сигналы U и U, соответственно, причем выполняется неравенство
пор1
пор2
U < U
ии
пор1
пор2
В зависимости от соотношения между U, U и U на возможны следующие ситуации:
ии
пор1
ии
пор1
A. Если уровень сигнала U оказывается ниже U, т.е. U < U, на выходы порогового устройства 3 сигнал не подается, что свидетельствует о том, что в предлагаемой вычислительной системе должна использоваться вычислительное устройство с высокой разрядностью (ВУВР), например, 64.
ии
пор1
пор2
пор1
ии
пор2
упр1
B. Если уровень сигнала U оказывается выше U, но ниже U, т.е. выполняется соотношение U < U < U, с первого выхода порогового устройства 3 на первый вход схемы 4 управления подается управляющий сигнал U, свидетельствующий о том, что необходимо перейти от использования вычислительного устройства с высокой разрядностью (ВУВР) к использованию вычислительного устройства со средней разрядностью (ВУСР), например, 32.
ии
пор2
пор2
ии
пор2
C. Если уровень сигнала U оказывается выше U, т.е. выполняется соотношение U < U, со второго выхода порогового устройства 3 на второй вход схемы 4 управления подается управляющий сигнал U, свидетельствующий о том, что необходимо перейти от использования вычислительного устройства со средней разрядностью (ВУСР) к использованию вычислительного устройства с низкой разрядностью (ВУНР).
В свою очередь, схема 4 управления вырабатывает команду для подключения к выходу предлагаемой системы того или иного вычислителя, которая подается на первый вход блока 1 конфигурирования и мониторинга: в вышеописанной ситуации А это - вычислительное устройство с высокой разрядностью (ВУВР), в ситуации В - вычислительное устройство со средней разрядностью (ВУСР), и в ситуации С - вычислительное устройство с низкой разрядностью (ВУНР).
Данные, подлежащие вычислениям или обработке в рассматриваемой вычислительной системе, подаются вход устройства ввода данных. Устройство ввода данных направляет указанные данные на входы соответственно вычислительных устройств с высокой, средней и низкой разрядностью (ВУВР, ВУСР, ВУНР), которые соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами устройства ввода данных.
Результаты вычислений в виде выходных данных поступают от вычислителей с высокой точностью, со средней точностью и с низкой точностью соответственно на второй, третий и четвертый входы переключателя 1 каналов. Получив команду от схемы 4 управления, переключатель 1 каналов направляет на свой выход (являющийся выходом предлагаемой вычислительной системы) данные от ВУВР в вышеописанной ситуации А, от ВУСР - в ситуации В, и от ВУНР - в ситуации С.
Таким образом достигается требуемый технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей устройства для управления конфигурацией вычислительной системы, что делает возможным его использование в вычислительных системах, работающих в неблагоприятных условиях окружающей среды, когда имеется воздействие мощного ионизирующего излучения. Такое расширение функциональных возможностей позволяет устройству для управления конфигурацией вычислительной системы осуществлять выбор для последующего использования того вычислительного устройства, которое обеспечивает контролируемую точность вычислений при задаваемом ограничении на надежность.