ОХЛАЖДАЕМАЯ ПЛАТА И САМООРГАНИЗУЮЩИЙСЯ СУПЕРКОМПЬЮТЕР
COOLED SUBSTRATE AND SELF-OPTIMISING SUPERCOMPUTER

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 ее крупнейшие области. На макроуровне она ограничивает развитие суперкомпьютеров, а на микроуровне сдерживает развитие сверхсложных микросхем (СБИС, УБИС, ПЛИС и т.п.).
Лидером рейтинга суперкомпьютеров по состоянию на ноябрь 2005 г. 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.
Решение проблемы «тираний» возможно с помощью технологии интеллектуальных многоконтактных соединений (ИМКС), по патенту РФ №2270493. Для осуществления многоконтактного соединения объединяют в специальные матрицы передатчики (выводы) прибора-источника информации, приемники (вводы) прибора-потребителя информации и концы пучка проводников сигнала. При формировании матриц не соблюдают строгий порядок пространственного расположения их элементов и формируют их хаотически или «как получится». Матрицы передатчиков и приемников соединяют с соответствующими матрицами пучка проводников, не обязательно точно соблюдая их одинаковое взаимное расположение и добиваясь лишь совпадения областей расположения элементов матриц. Такая конструкция соединений не требует высокой точности изготовления и монтажа, что существенно снижает их стоимость и расширяет возможности массового применения. После соединения и при повреждении соединения производят распознавание и запоминание образовавшихся каналов связи. Затем с помощью коммутаторов каналов подключают каждый распознанный и идентифицированный канал связи к вводам и выводам соединяемых приборов в соответствии с заданной таблицей или программой соединений. Распознавание каналов проводят последовательно или параллельно. При повреждении соединения осуществляется самодиагностика и регенерация соединения.
ИМКС позволяют решить целый ряд важнейших проблем.
На макроуровне новая технология соединений позволяет соединять одним разъемом устройства, содержащие десятки и даже сотни тысяч выводов. Так, оптический кабель размером 5×5 мм, содержащий оптические волокна диаметром 17 микрон, позволяет создать интерфейс, содержащий до 20 тыс. каналов связи. (Всего в кабеле содержится 90 тыс. волокон.)
12
По каждому волокну можно передавать информацию со скоростью от 10 до 100 Гбит/с, и это теоретически не предел. Такой миниатюрный кабельный разъем сможет передавать информацию со скоростью до 2000 терабит/с (10 бит/с).
Этого достаточно для передачи информации, получаемой от тридцати самых мощных на сегодняшний день суперкомпьютеров типа Blue Gene/L.
Гипотетически, чтобы передать такой поток информации с помощью электрических соединений, даже работающих на частоте 1 Ггц, понадобится, по меньшей мере, 400 тыс. проводов диаметром 0,5 мм. Такой кабель будет иметь диаметр 700 мм. Он будет в 140 раз толще кабеля ИМКС!
Использование ИМКС позволяет уменьшить количество процессоров в суперкластерах примерно во столько же раз, во сколько увеличивается интенсивность обмена информацией с кристаллом, т.е. от 2,7 тыс. раз до 25 тыс. раз.
На практике это означает то, что суперкомпьютер на ИМКС, обладающий производительностью лидера 2005 года Blue Gene/L, можно будет создать не на 130 тысячах процессорах, а всего лишь на 46-и (при использовании ИМКС на 30-и микронных оптоволокнах) или даже на 5-и (на пяти микропроцессорах!) при использовании 10-и микронных оптических волокон в качестве каналов связи.
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 методы 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 к 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 с 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 обладающих 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 использованием многоканальных оптических шин с производительностью, в десятки тысяч раз превышающие производительность Интернет-соединений.
За прототип по самоформирующемуся суперкомпьютеру принята компьютерная система по заявке на изобретение РФ №96100215, содержащая, по крайней мере, одну стойку, установленные и скоммутированные на ней узлы, обрабатывающие информацию и соединенные с основанием устройства ввода и/или вывода информации, отличающаяся тем, что коммутация узлов, обрабатывающих информацию, выполнена в виде соединения узлов, адекватных вихревым, и/или иерархически развивающимся, или коллапсирующим информационным потокам, и/или в виде расширяющегося или сжимающегося в информационных потоках доминирующего кластера из указанных узлов, причем соединение узлов друг с другом осуществлено, по крайней мере, через один световодный жидкокристаллический слой основания, при этом основание выполнено в виде объемного оптоэлектронного модуля. Узел, обрабатывающий информацию, выполнен в виде оптоэлектронного модуля, узлы, обрабатывающие информацию и образующие информационную среду, установлены на одном и/или нескольких основаниях в хаотичном порядке. Световодный зонд выполнен в виде U-образной петли, у которой оба конца зонда соединены с узлом, обрабатывающим информацию. В качестве контактного устройства использован оптоэлектронный модуль.
Основания с суперпроцессорами, установленные в корпусе компьютерной системы, соединены друг с другом световодами последовательно или зигзагообразно. Основания установлены в корпусе компьютерной системы в виде прямоугольной призмы. Недостатком прототипа является технологическая сложность реализации оптических связей через световодный жидкокристаллический слой основания.
Предлагаемыми изобретениями решаются задачи упрощения технологии создания микросхем и суперкомпьютеров.
Технический результат, получаемый от изобретений, заключается в создании группы микросхем с оптоволоконными многоконтактными соединениями, принципиально новой охлаждаемой платы для сверхплотного монтажа таких микросхем и самоформирующийся суперкомпьютер, использующий возможности, которые дает применение многоконтактных оптоволоконных соединений.
Следующая группа отличий относится к охлаждаемой плате, содержащей плоскости, на которых имеются токопроводящие шины и размещены микросхемы.
1. Охлаждаемая плата, содержащая плоскости, на которых имеются токопроводящие шины и размещены микросхемы, отличается тем, что:
1.1. Содержит корпус в виде пластины или n-угольной призмы, на плоскостях которой приклеены или закреплены иначе микросхемы, содержащие многоконтактные оптоволоконные разъемы:
1.1.1 - при этом на одной из торцевых сторон охлаждаемой платы расположены устройство для автоматического прикрепления охлаждаемой платы к стойке и разъем для подключения токопроводящих шин охлаждаемой платы к источнику питания при прикреплении охлаждаемой платы к стойке;
1.1.2 - при этом в корпусе охлаждаемой платы расположен или фреоновый, или водяной, или электрический охладитель, а в торцевой части охлаждаемой платы размещены устройства для автоматического подключения охладителя к расположенным на стойке ответным частям внешней системы охлаждения или к источнику питания.
Предложен самоформирующийся суперкомпьютер.
Следующая группа отличий относится к самоформирующемуся суперкомпьютеру, содержащему:
- множество стоек, на каждой из которых размещен массив разъемов для подключения токопроводящих шин питания стоек к шинам питания охлаждаемых плат;
- массив охлаждаемых плат с размещенными на них микросхемами, причем охлаждаемые платы имеют устройства для их закрепления на стойках.
Элементы суперкомпьютера соединяются друг с другом с помощью оптоволоконных и электрических шин.
2. Самоформирующийся суперкомпьютер отличается тем, что:
2.1 - содержит компьютер-строитель (или билдер, от англ. Builder - строитель);
2.2 - содержит один или несколько манипуляторов, управляемых этим компьютером;
2.3 - содержит библиотеки:
2.3.1 - содержит библиотеки охлаждаемых плат с микросхемами;
2.3.2 - содержит библиотеки оптоволоконных шин и электрических кабелей
в виде наборов этих элементов, установленных в доступных для манипуляторов магазинах.
3.1. Стойки суперкомпьютера имеют:
3.1.1. - или линейную форму, например сделаны в виде пластины или параллелепипеда;
3.1.2. - или форму треугольной призмы;
3.1.3 - или форму квадратной призмы;
3.1.4. - или форму многоугольной призмы;
3.1.1. - или форму цилиндра.
3.2. Внутри стоек размещены:
- или токопроводящие шины (например, при использовании электрической системы охлаждения с использованием элементов Пельтье);
- или патрубки системы охлаждения с автоматическими клапанами при использовании жидкостной или фреоновой системы охлаждения и токопроводящие шины.
3.3. На внешних поверхностях стоек установлены:
3.3.1. - массивы устройств для автоматического прикрепления охлаждаемых плат к стойкам.
4. Оптоволоконные шины, соединяющие охлаждаемые платы, размещаются и/или:
4.1. - в кабельных каналах, расположенных на полу;
4.2. - в промежутках между рядами охлаждаемых плат в стойках;
4.3. - в промежутках между стойками;
4.4. - и/или проводятся как получится, без кабельных каналов по промежуткам между охлаждаемыми платами, между стойками, а также по полу, исходя из соображений экономии кабеля или экономии внутреннего пространства суперкомпьютера.
5. Манипуляторы, управляемые компьютером-строителем, расположены:
5.1. - и/или на верхней части стойки;
5.2. - и/или на направляющих, размещенных над стойками.
6. Манипуляторы снабжены устройствами:
6.1. - и/или для установки охлаждаемых плат в стойки и отсоединения охлаждаемых плат от стоек;
6.2. - и/или для проведения к охлаждаемым платам, подключения, отключения и снятия проведенных ранее оптоволоконных шин.
Приведенных отличий нет в известных патентных источниках по суперкомпьютерам. Простота осуществления многоконтактных оптоволоконных соединений позволяет осуществлять их с помощью манипулятора. В данном решении сборка и формирование всех связей суперкомпьютера - это полностью автоматизированный процесс, осуществляемый компьютером-строителем исходя из конкретного задания. При большом числе элементов применение манипуляторов позволяет перейти на качественно новый уровень технических решений.
Предлагаемые изобретения поясняются фиг.1-9.
На фиг.1-5 показано устройство охлаждаемой платы.
На фиг.6, 7 и 8 показано устройство стоек самоформирующегося суперкомпьютера с массивом охлаждаемых плат и манипулятором, размещенным на верхней части стойки.
На фиг.9 показана общая компоновка самоформирующегося суперкомпьютера со стойками, магазинами охлаждаемых плат и оптоволоконных шин, компьютером-строителем и кабельными каналами.
На фиг.1-9 цифрами обозначены.
Охлаждаемая плата:
1 - охлаждаемая плата;
2 - микросхемы на пластине полупроводника, например кремния, закрытые крышками с оптоволоконным разъемом;
3 - многоконтактный оптоволоконный разъем. Разъем, предназначенный для соединения микросхем с ИМКС оптоволоконной шиной;
4 - оптоволоконная шина, представляющая собой, например, жгут регулярных оптических волокон диаметром в несколько микрон и длиной от 20-30 мм до нескольких метров, по которому происходит передача многоволоконного оптического сигнала, генерируемого матрицей передатчиков сигнала одной микросхемы к матрице приемников сигнала другой или этой же микросхемы;
5 - корпус охлаждаемой платы с охладителем. Плата содержит фреоновый, или водяной, или электрический охладитель, вмонтированный в ее корпус. Фреоновый или жидкостной охладитель может представлять собой плоскую деталь, имеющую внутреннюю полость, соединенную с входным и выходным патрубками, размещенными на торцевой стороне охлаждаемой платы. Электрический охладитель может представлять собой плоский элемент Пельтье, вмонтированный в корпус охлаждаемой платы и имеющий разъем для подвода питания, расположенный на торцевой стороне охлаждаемой платы;
6 - плоские поверхности охладителя, на которых имеются токопроводящие шины и размещены микросхемы. На внешних поверхностях охлаждаемой платы также размещены токопроводящие шины для подвода электроэнергии к микросхемам. Эти шины соединены с электрическим разъемом, размещенным на торцевой части охлаждаемой платы так, что при соединении охлаждаемой платы со стойкой эти разъемы подключаются к ответным частям разъемов, соединенных с токопроводящими шинами, размещенными в стойках суперкомпьютера;
7 - торцевая часть охлаждаемой платы;
8 - разъем для подключения токопроводящих шин охлаждаемой платы к токопроводящим шинам стойки;
9 - элемент устройства для автоматического прикрепления охлаждаемых плат к стойке манипуляторами (например, гайка с резьбой, которая автоматически наворачивается на крепежный винт стойки);
10 - входной и выходной патрубки жидкостной или фреоновой системы охлаждения.
Самоформирующийся суперкомпьютер:
11 - стойка суперкомпьютера;
12 - массив охлаждаемых плат, содержащий микросхемы;
13 - компьютер-строитель;
14 - магазин с библиотекой оптоволоконных шин;
15 - магазин с библиотекой охлаждаемых плат;
16 - кабельные каналы, расположенные на полу;
17 - стоечный манипулятор, управляемый компьютером-строителем;
18 - устройство для проведения к охлаждаемым платам, подключения, отключения и снятия проведенных ранее оптоволоконных шин;
19 - устройство для установки охлаждаемых плат в стойки и отсоединения охлаждаемых плат от стоек;
20 - размещенная над стойками направляющая для перемещения манипулятора;
21 - массив оптоволоконных шин, размещенный между массивами охлаждаемых плат на стойках, или массив межплатных одностоечных соединений;
22 - межстоечный манипулятор, управляемый компьютером-строителем.
На фиг.1 показана кремниевая пластина с регулярной структурой, состоящей из микросхем 2, закрытых крышками с оптоволоконными разъемами 3. На фиг.1 показан вариант с одинаковым количеством оптоволоконных многоконтактных разъемов на крышке каждой микросхемы, хотя принципиально на каждой микросхеме может быть разное количество различных разъемов. Функциональными элементами микросхем такой охлаждаемой платы могут служить массивы вентилей ПЛИС, элементы, моделирующие нейроны нейрокомпьютера, транспьютеры, массивы процессоров и т.п.
На фиг.2 показана структура одноплатных соединений микросхем, выполненная на пластине с микросхемами 2. На чертеже показан вариант размещения массива межплатных оптоволоконных шин 4, посредством которых осуществляются все межкристальные одноплатные и межплатные соединения. Из разъемов 3 одной микросхемы оптоволоконные шины могут быть вставлены либо в другие разъемы 3 этой же микросхемы, либо в другие разъемы 3 любой другой микросхемы на этой же охлаждаемой плате, либо в разъем 3 любой микросхемы, расположенной на любой другой охлаждаемой плате.
На фиг.3 показан вид охлаждаемой платы с торцевой стороны. На чертеже показано размещение пластины с микросхемами. Как вариант показан случай, когда пластину кремния вообще не распиливают на отдельные кристаллы с микросхемами. Это позволяет избежать целого ряда сложнейших операций, двойной распайки микросхем и их корпусирования в том смысле, как это делают сейчас. Т.е. когда распиливают пластину со сформированным блоком микросхем на кристаллы, потом кристаллы приклеивают в колодце корпуса микросхемы, т.е. корпусируют микросхему, затем припаивают внутренние выводы корпуса к контактным площадкам микросхем и только после этого припаивают микросхему на многослойную плату. Между всеми этими операциями проводят множество контрольных операций и тестирований, что значительно удорожает продукцию и повышает ее трудоемкость. При производстве крупных блоков микросхем с многоконтактными оптоволоконными соединениями, предназначенных для использования в суперкомпьютерах, можно вообще не распиливать пластину на кристаллы. Корпусирование таких микросхем будет заключаться в приклеивании на внешнюю поверхность пластины с микросхемами блока крышек с оптоволоконными разъемами, так чтобы разъемы на поверхности крышек совпадали с положением матриц приемников сигнала и матриц передатчиков сигнала. После этого пластины можно приклеивать на корпус охладителя с двух сторон и соединять разъемы оптоволоконными шинами в любом требуемом порядке. Такая конструкция показана на фиг.3 и 4. Ее использование в десятки раз повысит выход годных микросхем и снизит трудоемкость их изготовления.
Охлаждаемая плата, показанная на фиг.3 и 4, служит для размещения микросхем 2 на плоских поверхностях охладителя 6 и содержит разъемы для подключения токопроводящих шин охлаждаемой платы к токопроводящим шинам стойки 8 и элементы устройства для автоматического прикрепления охлаждаемых плат к стойке (например, отверстие с резьбой) 9. Поз.10 обозначены входной и выходной патрубки охладителя (жидкостного или фреонового).
На фиг.4 и 5 показан вид двух охлаждаемых плат 1 с микросхемами 2, размещенных друг над другом так, как они размещаются в стойках суперкомпьютера 11.
На фиг.5 показан вид некоторых вариантов разводки межплатных ближних и дальних одноплатных межкристальных многоконтактных оптоволоконных соединений. Показана возможность соединения микросхем, расположенных в противолежащих слоях на платах, размещенных в массиве стоек, друг над другом. Микросхемы 8 размещены на охлаждаемых плоских поверхностях охладителя 6. В многоконтактные оптоволоконные разъемы 3 вставлены оптоволоконные шины 4, которые соединены с разъемами 3, находящимися в разных местах охлаждаемых плат, на одной или другой стороне охлаждаемой платы, либо соединены с разъемами, находящимися на соседней охлаждаемой плате. Поз.8 обозначен разъем для подключения токопроводящих шин охлаждаемой платы к токопроводящим шинам стойки (на фигурах токопроводящие шины не показаны). Поз.10 обозначено соединение патрубков жидкостного охладителя охлаждаемой платы 1 с подводящим патрубком стойки суперкомпьютера 11.
На фиг.6, 7 и 8 показано устройство стоек суперкомпьютера 11 с массивом охлаждаемых плат 12 и стоечным манипулятором 17, размещенным на верхней части стойки суперкомпьютера 11.
На фиг.9 показана общая компоновка самоформирующегося суперкомпьютера со стойками 11, магазином с библиотекой охлаждаемых плат 15, магазином с библиотекой оптоволоконных шин 14, компьютером-строителем 13 и кабельными каналами 16.
Комплекс изобретений работает следующим образом. Комплектуют охлаждаемые платы 1 различными наборами микросхем 2. Межкристальные соединения оптоволоконными шинами 4 в этих платах могут быть сделаны предварительно полностью или частично. Затем заполняют этими охлаждаемыми платами 1 магазины с библиотекой охлаждаемых плат 15. Заполняют магазин библиотеки оптоволоконных шин 14 набором оптоволоконных шин 4 различной длины. В исходном состоянии стойки суперкомпьютера 11 пусты, а отверстия 10 системы охлаждения (фиг.5, в случае использования жидкостной или фреоновой системы) закрыты клапанами (клапаны на фигурах не показаны). После этого запускают в работу компьютер-строитель 13, который по специальному алгоритму управляет манипуляторами 17. Используя устройство для установки охлаждаемых плат в стойки и отсоединения охлаждаемых плат от стоек 19, межстоечный манипулятор 22, установленный на направляющей 20, размещенной над стойками 11, извлекает из магазинов библиотеки охлаждаемых плат 15 требуемую плату 1 и, переместившись к нужной стойке 11, передает плату 1 стоечному манипулятору 17, размещенному на стойке 11.
Затем или одновременно с этим межстоечный манипулятор 22 извлекает из магазинов 14 оптоволоконные шины 4 требуемой длины и также передает ее стоечному манипулятору 17.
Получив плату 1 и набор оптоволоконных шин 4, стоечный манипулятор 17, используя свое устройство для установки охлаждаемых плат 19, устанавливает плату 1 в стойку 11. При этом включается соответствующее устройство для автоматического прикрепления охлаждаемой платы к стойке, которое закрепляет плату 1 на стойке 11. При этом соединяются разъемы 8, подключая шины питания стойки 11 к шинам питания охлаждаемой платы 1. Одновременно патрубки системы охлаждения 10 охлаждаемой платы 1 соединяются с патрубками системы охлаждения, размещенными на стойке 11, и открываются электромагнитные или механические клапаны, обеспечивающие поступление хладагента в подключенную плату. Эти же клапаны препятствуют утечке хладагента из патрубков стойки, к которым не подключены патрубки охлаждаемой платы 1.
После или в процессе установки на стойки массива охлаждаемых плат 12 стоечные манипуляторы 17, используя устройства 18 (их конструкция на чертежах не показана, так как для этих целей могут быть использованы известные типы манипуляторов), осуществляют внутриплатные и одностоечные межплатные соединения, используя для этого оптоволоконные шины 4, которые подаются им межстоечным манипулятором 22 из магазина библиотеки оптоволоконных шин 14.
Одновременно с процессом формирования массива межплатных одностоечных соединений 21, которые размещаются в пространстве между рядами охлаждаемых плат 1 на стойках 11, манипуляторами 17 и 22 совместно производятся межстоечные соединения. Эти соединения прокладываются или в кабельных каналах 16, расположенных на полу, либо вообще могут прокладываться "как получится" по всей поверхности пола между стойками по принципу "как получится". Так как процесс протекает полностью автоматически, то постоянного доступа операторов в межстоечное пространство не требуется. В исключительных или аварийных случаях, когда такой доступ потребуется, его можно осуществлять, используя межстоечную направляющую 20 и специальное сиденье, размещенное на манипуляторе 22 или на отдельном устройстве, или иные средства, чтобы перемещаться поверх массива оптоволоконных шин, размещенных в межстоечном пространстве.
Таким образом, используя компьютер-строитель 13, управляющий манипуляторами 17 и 22, суперкомпьютер осуществляет автоматическое самоформирование по заданной программе. Более того, по мере расширения своих функциональных возможностей функции самоформирования суперкомпьютер может выполнять сам, передавая компьютеру-строителю 13 другие функции, например ремонта путем замены вышедших из строя охлаждаемых плат, удаления оптошин связей, ставших ненужными или неэффективными.
Использование манипуляторов для самоформирования суперкомпьютеров необходимо по следующим причинам:
1. Обеспечивается автоматизированный процесс сборки суперкомпьютера, исключающий влияние человеческого фактора и связанных с этим ошибок.
2. Возникает возможность автоматического непрерывного изменения и самосовершенствования архитектуры суперкомпьютера применительно к решению сложных динамичных задач. Вся архитектура суперкомпьютера становится известной самому суперкомпьютеру до мельчайших деталей, поэтому возникает обратная связь программы с архитектурой своего суперкомпьютера. Это делает возможным осуществить процесс автоматической оптимизации архитектуры суперкомпьютера применительно к решению конкретных задач.
3. Возможен быстрый автоматический ремонт любой части суперкомпьютера без его остановки.
Таким образом, включение манипуляторов и библиотек элементов в состав суперкомпьютеров придает им совершенно новые качества - делает такие суперкомпьютеры исключительно устойчивыми к внешним воздействиям, дает им возможность саморазвития, самосовершенствования и даже, в какой-то первичной степени, эволюции, когда они начнут разрабатывать новые микросхемы и другие элементы суперкомпьютеров сами для себя.
Применение предложенного изобретения позволяет решить следующие проблемы.
1. Упрощается конструкция охлаждаемых плат для монтажа микросхем. Практически отпадает необходимость многослойной разводки плат. Упрощается система охлаждения кристаллов на охлаждаемой плате и повышается ее эффективность. Значительно повышается плотность монтажа микросхем на единицу площади охлаждаемой платы и на единицу объема суперкомпьютера.
Использование оптоволоконных соединений позволяет исключить корпусирование кристаллов и распайку контактных площадок на контактные площадки корпусов микросхем, а затем распайку корпусов охлаждаемой платы. Более того, новый способ соединений предполагает использование более простых способов монтажа кристаллов на плату и разработку новых типов охлаждаемых плат для монтажа микросхем. Принципиальное отличие новых охлаждаемых плат заключается в том, что на них не требуется осуществлять сложную многослойную разводку сигнальных шин, осуществляющих связи между кристаллами и микросхемами. Новые охлаждаемые платы должны обеспечивать только предельно плотный монтаж кристаллов, их эффективное охлаждение и подвод к ним питания. Это позволяет сделать охлаждаемые платы для микросхем с ИМКС совершенно не так, как делают платы для обычных микросхем сейчас.
2. Возникает возможность создания и ликвидации любых типов связей между любыми элементами суперкомпьютера в процессе его работы. При этом количество межплатных и межстоечных связей может быть в сотни раз большим, чем это возможно с использованием других средств соединения микросхем.
3. Возникает возможность полностью автоматического самоформирования суперкомпьютеров с использованием манипуляторов и библиотек элементов.
4. Возникает возможность саморазвития (эволюции!) суперкомпьютеров без участия человека. Суперкомпьютеру можно ставить задачу моделирования сложных систем путем прямого копирования с помощью ИМКС ее реальных физических связей, копируя функции структурных элементов этой системы путем программирования матриц ПЛИС. Если система будет иметь элементы программного и физического поощрения за успехи и систему правил для выявления и устранения конфликтов и ошибок, то на каком-то этапе она может начать саморазвиваться. Система сама начнет себя перестраивать и совершенствовать, все лучше и лучше выполняя поставленные перед ней задачи. Программа сможет влиять на архитектуру, а архитектура на программу! Такая связь таит в себе колоссальные возможности развития и самосовершенствования.
По всей вероятности, именно с помощью таких суперкомпьютеров человечеству удастся выполнить свою главную миссию - создание искусственного интеллекта, многократно превосходящего человеческий разум в творческих процессах создания изобретений и научных исследований.
Обладая феноменальным интеллектом и колоссальной (по сравнению с человеческим мозгом) работоспособностью, таким суперкомпьютерам удастся решить все крупные проблемы нашей цивилизации - проблемы ядерной и космической безопасности, проблему глобального контроля над терроризмом, проблему дефицита энергии, проблему антигравитации и транспорта, проблему создания антивируса СПИДа и т.п.