ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
COMPUTING SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к вычислительной технике и может найти применение в вычислительных системах, работающих в неблагоприятных условиях окружающей среды.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известна «Многопроцессорная вычислительная система» [патент RU2502126, C1, G06F 15/00, 20.12.2013], предназначенная для решения широкого класса задач с высокой реальной производительностью, отличающаяся тем, что содержит матрицу многопроцессорных модулей и блок интерфейса, при этом каждый модуль матрицы содержит взаимосвязанные между собой блок макропроцессоров, выполняющих крупные математические операции, блок мультиконтроллеров распределенной памяти, обеспечивающих скоростной обмен информацией между оперативной памятью и макропроцессорами и параллельно-конвейерную обработку информации, пространственный коммутатор, обеспечивающий с помощью четырех групп внешних двунаправленных выводов модулей прямые пространственные соединения между всеми компонентами системы, причем каждый вывод первой группы выводов каждого модуля соответствующей строки матрицы многопроцессорной системы соединен с соответствующим выводом второй группы выводов каждого последующего модуля этой же строки, каждый вывод третьей группы выводов каждого модуля соответствующего столбца матрицы многопроцессорной системы соединен с соответствующим выводом четвертой группы выводов последующего модуля того же столбца, каждый вывод этой же группы выводов первого модуля в каждом столбце матрицы многопроцессорной системы соединен с соответствующим выводом третьей группы выводов последнего модуля в каждом столбце матрицы многопроцессорной системы, выводы второй группы выводов всех модулей первого столбца матрицы многопроцессорной системы соединены соответственно с первыми информационными выводами устройства, вторые информационные выводы которого соединены соответственно с выводами первой группы выводов всех модулей последнего столбца многопроцессорной системы, внешние двунаправленные выводы каждого модуля матрицы, предназначенные для загрузки в модули программной и числовой информации и выгрузки результатов, соединены соответственно с первыми двунаправленными выводами блока интерфейса, вторые двунаправленные выводы которого соединены соответственно с третьими двунаправленными выводами устройства.
Недостатком данного технического решения является низкая надежность при работе в неблагоприятных условиях окружающей среды. Это обусловлено отсутствием возможности смены архитектуры и изменения разрядности при изменении условий окружающей среды, что позволило бы снизить вероятность выходя вычислительной системы из строя.
Наиболее близким к заявленному изобретению, является устройство, описанное в патенте «Вычислительная система» [патент RU2444053, С1, G06F 15/00, 27.02.2012]. В этом патенте описано устройство, характеризующееся следующими признаками:
1. Вычислительная система, содержащая несколько (K) вычислительных модулей, несколько (М) модулей связи, системное запоминающее устройство и датчик времени, отличающаяся тем, что в ее состав введен системный модуль, синхронизирующий вход которого подключен к выходу датчика времени, у которого этот выход подключен также к синхронизирующему входу устройства контроля, входы которого подключены к выходам системного модуля, у которого эти выходы подключены также к входам переключателя каналов, входы-выходы которого являются магистральными и подключены к входам-выходам системного запоминающего устройства, датчика времени, вычислительных модулей и модулей связи, мультиплексные входы-выходы которых являются входами-выходами системы.
2. Вычислительная система по п. 1, отличающаяся тем, что системный модуль содержит три процессора со своими запоминающими устройствами и формирователь синхроимпульсов, выходы которого подключены к синхронизирующим входам процессоров, входы-выходы которых являются соответствующими входами-выходами модуля.
3. Вычислительная система по п. 1, отличающаяся тем, что вычислительный модуль содержит процессор, запоминающее устройство, блок связи с магистралью и формирователь синхроимпульсов, у которого первая группа выходов подключена к синхронизирующим входам процессора, вторая группа выходов подключена к синхронизирующим входам блока связи с магистралью, у которого входы-выходы являются входами-выходами модуля, а информационный выход объединен с выходом процессора и подключен ко входу запоминающего устройства, выход которого подключен к входам процессора и блока связи с магистралью, управляющий выход которого подключен ко входу формирователя синхроимпульсов.
4. Вычислительная система по п. 1, отличающаяся тем, что модуль связи содержит процессор, запоминающее устройство, блок связи с магистралью, кодирующе-декодирующее устройство, приемно-передающее устройство и формирователь синхроимпульсов, у которого первая группа выходов подключена к синхронизирующим входам процессора, вторая группа выходов подключена к синхронизирующим входам блока связи с магистралью, у которого входы-выходы являются входами-выходами модуля, а информационный выход объединен с выходом процессора и подключен ко входу запоминающего устройства, выход которого подключен к входу блока связи с магистралью и входу процессора, информационный выход которого подключен к входу кодирующе-декодирующего устройства, выход которого подключен к информационному входу процессора, а информационный выход подключен к входу приемно-передающего устройства, у которого выход подключен к информационному входу кодирующе-декодирующего устройства, а мультиплексный вход-выход является входом-выходом модуля.
5. Вычислительная система по п. 1, отличающаяся тем, что модуль системного запоминающего устройства содержит первый и второй накопители данных, формирователь синхроимпульсов, блок связи с магистралью, у которого входы-выходы являются входами-выходами модуля, а управляющий выход подключен к входу формирователя синхроимпульсов, выход которого подключен ко входу блока связи с магистралью.
6. Вычислительная система по п. 1, отличающаяся тем, что устройство контроля содержит первый, второй и третий регистры контрольных кодов, выходы которых подключены к первым группам входов одноименных схем сравнения, выходы которых являются выходами устройства контроля, при этом вторая группа входов схем сравнения подключена к выходу счетчика контрольного интервала, стробирующий вход которого объединен со стробирующими входами схем сравнения и является сигнальным входом устройства контроля.
7. Вычислительная система по п. 1, отличающаяся тем, что переключатель каналов содержит первую и вторую группы мультиплексоров, входы которых являются входами переключателя, управляющие входы подключены к выходам одноименных схем И, ИЛИ, НЕ, входы которых подключены к выходам триггеров, входы которых являются соответствующими входами переключателя, при этом входы-выходы мультиплексоров являются входами-выходами переключателя.
8. Вычислительная система по п. 2, отличающаяся тем, что формирователь синхроимпульсов содержит задающий генератор, выход которого подключен к первому входу элемента И и синхронизирующему входу сдвигового регистра, выход которого подключен к входам первого дешифратора и входам второго дешифратора, выход которого подключен ко второму входу элемента И, а выходы первого дешифратора подключены к входам первой и второй групп триггеров-формирователей, выходы которых являются выходами формирователя синхроимпульсов, управляющий вход которого является одноименным входом первого дешифратора.
Недостатками данного технического решения является низкая надежность при работе в неблагоприятных условиях окружающей среды. Это обусловлено отсутствием возможности автоматической замены используемого вычислителя системы на более простой, что в котором используется меньшее число элементов и, как следствие, который характеризуется меньшей вероятностью выхода из строя. В известной системе повышенная надежность достигается за счет того, что в реальном темпе времени производится контрольное тестирование используемых процессоров со сравнением выданных результатов с контрольным заранее известным кодом и заменой неисправного процессора на исправный. Это, в свою очередь, не позволяет осуществлять замену вычислительных блоков (например, процессоров) не на основе фиксации неисправности, а путем прогнозирования.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей изобретения является создание вычислительной системы, способной работать в неблагоприятных условиях окружающей среды, а именно, при воздействии мощного ионизирующего излучения (к такому излучению относят жесткое ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-, альфа-, бета- и нейтронное излучение, а также поток других микрочастиц).
Техническим результатом изобретения является повышение надежности вычислительной системы и, как следствие, достоверности выполняемых вычислений, при ее работе в неблагоприятных условиях окружающей среды. Для этого в предлагаемой системе осуществляется прогнозирование возможности выхода используемого вычислителя из строя (вследствие воздействия окружающей среди) и упреждающей замены используемого вычислителя на другой, который обеспечивает меньшую точность вычислений, но является более надежным. При этом учитывается тот факт, что выход хотя бы одного элемента вычислителя (прежде всего, транзистора) из строя приводит к неустранимым ошибкам вычислений.
Технический результат достигается за счет того, что в вычислительную систему, содержащую переключатель каналов, отличающаяся тем, согласно изобретению, дополнительно введены датчик ионизирующего излучения, пороговое устройство, схема управления, устройство ввода данных, вычислитель с высокой разрядностью, вычислитель со средней разрядностью и вычислитель с низкой разрядностью, 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 переключателя каналов, первый, второй и третий выходы устройства ввода данных через соответственно вычислитель с высокой разрядностью, вычислитель со средней разрядностью и вычислитель с низкой разрядностью соединены соответственно со вторым, третьим и четвертым входами переключателя каналов, выход которого является выходом вычислительной системы, а вход устройства ввода данных, второй и третий входы порогового устройства являются соответственно первым, вторым и третьим входами вычислительной системы.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено: на фиг. 1 - диаграмма оценки радиационной стойкости транзисторов; на фиг. 2 - структурная схема предлагаемой вычислительной системы.
Осуществление изобретения
Теоретические предпосылки. Главная идея, положенная в основу настоящего изобретения, состоит в «обмене» точности выполняемых вычислений, которая зависит от разрядности используемого вычислителя 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
к0
«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 (π), 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 "B, определяется из соотношения:
a
где f - 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 следующей диаграммой (см. фиг. 1).
0
Левые границы прямоугольников (на фиг. 1) 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, 10для 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, 10для 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 вычислителя из строя (вследствие воздействия окружающей среды) и упреждающей замены используемого вычислителя на другой, который обеспечивает меньшую точность вычислений, но является более надежным.
Структурная схема предлагаемой вычислительной системы представлена на фиг. 2. Она содержит:
1 - переключатель каналов;
2 - датчик ионизирующего излучения;
3 - пороговое устройство;
4 - схема управления;
5 - устройство ввода данных;
6 - вычислитель с высокой разрядностью (ВВР);
7 - вычислитель со средней разрядностью (ВСР);
8 - вычислитель с низкой разрядностью (ВНР).
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 переключателя 1 каналов, первый, второй и третий выходы устройства 5 ввода данных через соответственно вычислитель 6 с высокой разрядностью, вычислитель 7 со средней разрядностью и вычислитель 8 с низкой разрядностью соединены соответственно со вторым, третьим и четвертым входами переключателя 1 каналов, выход которого является выходом вычислительной системы, а вход устройства ввода данных, второй и третий входы порогового устройства 2 являются соответственно первым, вторым и третьим входами вычислительной системы.
Описание функционирования. Работает предлагаемая вычислительная система 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
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 должен использоваться вычислитель с высокой разрядностью (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 вычислителя с высокой разрядностью к использованию вычислителя со средней разрядностью (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 вычислителя со средней разрядностью к использованию вычислителя с низкой разрядностью (например, 16).
В свою очередь, схема 4 управления вырабатывает команду для подключения к выходу предлагаемой системы того или иного вычислителя, которая подается на первый вход переключателя 1 каналов: в вышеописанной ситуации А – это вычислитель с высокой разрядностью, в ситуации В - вычислитель со средней разрядностью, и в ситуации С -вычислитель с низкой разрядностью.
Данные, подлежащие вычислениям или обработке в предлагаемой вычислительной системе, подаются на ее первый вход, который представляет собой вход устройства 5 ввода данных. Устройство ввода данных 5 направляет указанные данные на входы соответственно вычислителя 6 с высокой разрядностью, вычислителя 7 со средней разрядностью и вычислителя 8 с низкой разрядностью, которые соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами устройства 5 ввода данных.
Результаты вычислений в виде выходных данных поступают от вычислителей с высокой разрядностью, со средней разрядностью и с низкой разрядностью 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 вычислителя 6 с высокой разрядностью в вышеописанной ситуации А, от вычислителя 7 со средней разрядностью - в ситуации В, и от вычислителя 8 с низкой разрядностью - в ситуации С.
Таким образом достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении надежности вычислительной системы и, как следствие, достоверности выполняемых вычислений, при ее работе в неблагоприятных условиях окружающей среды. Это достигается тем, что в предлагаемой системе осуществляется прогнозирование возможности выхода используемого вычислителя из строя (вследствие воздействия окружающей среды) и упреждающей замены используемого вычислителя на другой, который обеспечивает меньшую разрядность вычислений, но является более надежным.