РЕКОНФИГУРИРУЕМАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
RECONFIGURABLE COMPUTING SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области вычислительной техники, в частности, к реконфигурируемым высокопроизводительным вычислительным системам кластерного типа, предназначенных для решения вычислительно сложных вариантных задач дискретной математики с использованием распараллеливания и конвейеризации вычислительных процессов.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
1
L
1
К
1
N
1
N
Известно проблемно ориентированное вычислительное устройство (RU №182316 U1, МПК G06F 15/17, G06F 17/00 заявлено 14.06.2018, опубликовано 14.08.2018, бюл. №23), содержащее коммутатор коммуникационной среды EtherNet 1 и группу из L вычислительных узлов 2, …, 2 причем каждый из L вычислительных узлов содержит вычислитель общего назначения 3 с интерфейсами EtherNet и шиной ввода-вывода PCI-Express, коммутатор PCI-Express 4 и группу из К вычислительных модулей-ускорителей 6, …, 6, каждый из которых состоит из коммутатора PCI-Express 7 и группы из N интерфейсных ПЛИС 8, …, 8, системной ПЛИС 10, памяти конфигурации 13, блока конфигурирования и мониторинга 11, группы из N проблемно ориентированных вычислительных СБИС, установленных на унифицированные посадочные места 19, …, 19, памяти 21 стартовой конфигурации интерфейсных ПЛИС, блока 18 конфигурирования памяти стартовой конфигурации и блока 22 мониторинга, управления питанием и формирования рабочих частот для проблемно ориентированных вычислительных СБИС.
Недостатками данного проблемно ориентированного вычислительного устройства является невысокая вычислительная мощность и ограниченность классов решаемых трудоемких задач.
1
N
Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата, является использование интерфейсных ПЛИС 8, …, 8 для организации взаимодействия проблемно ориентированных вычислительных СБИС с вычислителем общего назначения 3, который, кроме подготовки данных и анализа результатов работы проблемно ориентированных вычислительных СБИС, занимается также организацией доставки и анализом телеметрической информации о состоянии проблемно ориентированного вычислительного устройства. Это приводит к простоям вычислительных СБИС, которые, в основном и определяют производительность вычислительной системы в целом.
1
N
1
К
1
N
1
N
1
М
1
М
1
М
1
М
Наиболее близкой вычислительной системой того же назначения, к заявленному изобретению, по совокупности признаков, принятой за прототип, является реконфигурируемая вычислительная система (RU №2677363 С1, МПК G06F 15/16, заявлено 24.07.2017, опубликовано 16.01.2019 Бюл. №2), состоящая из ведущего сервера 2 с двухпортовой интерфейсной платой 5, коммутатора EtherNet 1 управления вычислительной системой, коммутатора PCI-Express 31 объединения реконфигурируемых вычислительных устройств 13, …, 13 и группы из K ведомых вычислительных узлов 4, …, 4, каждый из которых содержит коммутатор PCI-Express 11, компьютер 8, группу из N памятей состояния 9, …, 9 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, группу из М вычислительных СБИС 33, …, 33, с установленным над ними единым радиатором прямоугольной формы 27, блок конфигурирования и мониторинга 23, блок управления режимом коммутатора PCI-Express 30, память 24 конфигураций ПЛИС, группу из М блоков индивидуального мониторинга и управления 15, …, 15 и группу из М памятей стартовых конфигураций 35, …, 35.
Недостатками данной реконфигурируемой вычислительной системы является высокая трудоемкость ее создания, невысокая вычислительная мощность, и ограниченность классов решаемых трудоемких задач.
1
М
1
М
1
К
Причинами, препятствующими достижению указанного ниже технического результата, являются отсутствие унификации применяемых компонент и интерфейсов их взаимодействия, и выполнение вычислительными ПЛИС 20, …, 20 одновременно как предварительного формирования исходных данных с последующим анализом результатов работы вычислительных СБИС 33, …, 33 по поступающим входным параметрам задач пользователей, так и обмен телеметрической информацией с компьютерами ведомых ВУ 4, …, 4.
ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении возможности быстрого создания реконфигурируемой вычислительной системы для высокопроизводительного решения заданного множества вычислительно сложных вариантных задач дискретной математики.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение производительности и расширение классов решаемых вычислительно сложных вариантных задач дискретной математики, а также уменьшение времени и сокращение трудоемкости создания реконфигурируемой вычислительной системы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1
К
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в реконфигурируемую вычислительную систему, содержащую коммутатор EtherNet 1 управления вычислительной системой, ведущий сервер 2, двухпортовую интерфейсную плату 5, группу из K ведомых вычислительных узлов 4, …, 4 и коммутатор PCI-Express 31,
1
К
1
N
1
N
причем каждый из K ведомых вычислительных узлов 4, …, 4 содержит группу из N реконфигурируемых вычислительных устройств 13, …, 13, коммутатор PCI-Express 11, компьютер 8 и группу из N памятей состояния 9, …, 9,
1
N
1
М
1
М
1
М
1
М
а каждое из N реконфигурируемых вычислительных устройств 13, …, 13 содержит коммутатор PCI-Express 19, группу из М вычислительных ПЛИС 20, …, 20, интерфейсную ПЛИС 22, группу из М вычислительных СБИС 33, …, 33, с установленным над ними единым радиатором прямоугольной формы 27, блок конфигурирования и мониторинга 23, блок управления режимом 30 коммутатора PCI-Express 19, память 24 конфигураций ПЛИС, группу из М блоков индивидуального мониторинга и управления 15, …, 15 и группу из М памятей стартовых конфигураций 35, …, 35,
1
К
1
К
причем ведущий сервер 2 соединен по высокоскоростному последовательному интерфейсу PCI-Express с портом US двухпортовой интерфейсной платы 5 и по сетевому интерфейсу с коммутатором EtherNet 1 управления вычислительной системы, который соединен по сетевым интерфейсам EtherNet 7, …, 7 с соответствующими компьютерами 8 ведомых вычислительных узлов 4, …, 4,
1
N
1
N
1
N
внутри каждого из которых компьютер 8 соединен с N памятями состояния 9, …, 9 и по высокоскоростному последовательному интерфейсу PCI-Express с портом NT коммутатора PCI-Express 11, который соединен с портами US/NT коммутаторов PCI-Express 19 по высокоскоростным последовательным интерфейсам PCI-Express 16, …, 16 соответствующих реконфигурируемых вычислительных устройств 13, …, 13,
1
М
1
М
1
N
1
М
1
М
1
М
1
М
1
М
1
М
1
М
1
М
1
М
1
М
внутри которых коммутаторы PCI-Express 19 по высокоскоростным последовательным интерфейсам PCI-Express 21, …, 21 соединены с соответствующими вычислительными ПЛИС 20, …, 20, по высокоскоростному последовательному интерфейсу PCI-Express с интерфейсной ПЛИС 22, а также соединены с блоком 30 управления режимом, который соединен с интерфейсной ПЛИС 22, которая соединена с памятью 24 конфигураций ПЛИС и блоком 23 конфигурирования и мониторинга, который соединен общей шиной 25 конфигурирования и мониторинга с вычислительными ПЛИС 20, …, 20, которые соединены с соответствующими памятями 35, …, 35 стартовых конфигураций соответствующими индивидуальными шинами 32, …, 32 оперативной реконфигурации памятей и соответствующими индивидуальными шинами 36, …, 36 реконфигурации вычислительных ПЛИС, а также соединены соответствующими индивидуальными шинами 34, …, 34 обмена данными с соответствующими вычислительными СБИС 33, …, 33 и соответствующими индивидуальными шинами 26, …, 26 управления мониторингом с соответствующими индивидуальными блоками 15, …, 15 мониторинга вычислительных СБИС 33, …, 33, которые соединены шинами 14, …, 14 мониторинга с соответствующими вычислительными СБИС 33, …, 33,
1
N
1
N
1
К
1
К
кроме того порты NT/US коммутаторов PCI-Express 19 реконфигурируемых вычислительных устройств 13, …, 13 подключены к соответствующему интерфейсу группы из N высокоскоростных последовательных интерфейсов объединения PCI-Express 28, …, 28, которые объединены в K групп 29, …, 29 по N высокоскоростных последовательных интерфейсов объединения PCI-Express ведомых вычислительных узлов 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,
дополнительно введены сервер 3 управления задачами и оперативная память 6 сервера 3 управления задачами, которая соединена с сервером 3 управления задачами, который соединен с коммутатором EtherNet 1,
1
К
а в каждый ведомый вычислительный узел 4, …, 4 дополнительно введены оперативная память 12 и вычислительное устройство общего назначения 10, которое соединено с коммутатором EtherNet 1, с портом US коммутатора PCI-Express 11 по высокоскоростному последовательному интерфейсу PCI-Express и с оперативной памятью 12,
1
N
1
К
1
М
1
М
1
М
1
М
1
M
1
М
1
N
1
М
1
М
1
М
1
М
а в каждое реконфигурируемое вычислительное устройство 13, …, 13 ведомых вычислительных узлов 4, …, 4 дополнительно введены группа из М унифицированных посадочных мест 17, …, 17 для установки соответствующих вычислительных ПЛИС 20, …, 20, группа из М унифицированных посадочных мест 18, …, 18 для установки соответствующих вычислительных СБИС 33, …, 33, группа из М буферных памятей 37, …, 37 и группа из М контроллеров 38, …, 38 прямого доступа в память РВУ 13, …, 13, при этом контроллеры 38, …, 38 прямого доступа соединены с соответствующими вычислительными ПЛИС 20, …, 20 и с буферными памятями 37, …, 37, которые соединены с соответствующими вычислительными ПЛИС 20, …, 20.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемой реконфигурируемой вычислительной системы.
На фиг. 1 и в тексте приняты следующие сокращения и обозначения:
РВС - реконфигурируемая вычислительная система;
ВУ - вычислительный узел;
РВУ - реконфигурируемое вычислительное устройство;
ВУОН - вычислительное устройство общего назначения с шиной PCI-Express;
DS - выходной «прозрачный» порт коммутатора PCI-Express;
US - входной «прозрачный» порт коммутатора PCI-Express;
NT - «непрозрачный» порт коммутатора PCI-Express;
К - количество ведомых ВУ реконфигурируемой вычислительной системы;
N - количество реконфигурируемых вычислительных устройств в каждом ведомом ВУ;
М - количество вычислительных ПЛИС и вычислительных СБИС в каждом РВУ;
i, j - счетные переменные.
1 - коммутатор EtherNet управления РВС;
2 - ведущий сервер РВС;
3 - сервер управления задачами РВС;
1
К
4, …, 4 - группа из К ведомых ВУ;
5 - двухпортовая интерфейсная плата;
6 - оперативная память сервера 3 управления задачами РВС;
1
К
1
К
7, …, 7 - группа из К сетевых интерфейсов EtherNet между коммутатором управления EtherNet 1 и компьютерами 8 ведомых ВУ 4, …, 4;
1
К
8 - компьютер ведомых ВУ 4, …, 4;
1
N
1
N
9, …, 9 - группа из N памятей состояния реконфигурируемых вычислительных устройств 13, …, 13;
1
К
10 - вычислительное устройство общего назначения ведомых ВУ 4, …, 4;
1
К
11 - коммутатор PCI-Express ведомых ВУ 4, …, 4;
1
К
12 - оперативная память ведомых ВУ 4, …, 4;
1
N
1
К
13, …, 13 - группа из N реконфигурируемых вычислительных устройств в ведомых ВУ 4, …, 4;
1
М
1
М
14, …, 14 - группа из М шин мониторинга вычислительных СБИС 33, …, 33;
1
М
1
М
15, …, 15 - группа из М индивидуальных блоков мониторинга и управления вычислительных СБИС 33, …, 33;
1
N
1
N
1
К
16, …, 16 - группа из N высокоскоростных последовательных интерфейсов PCI-Express между коммутатором PCI-Express 11 и реконфигурируемыми вычислительными устройствами 13, …, 13 в ведомых ВУ 4, …, 4;
1
М
17, …, 17 - группа из М унифицированных посадочных мест для установки вычислительных ПЛИС;
1
М
18, …, 18 - группа из М унифицированных посадочных мест для установки вычислительных СБИС;
1
N
19 -коммутатор PCI-Express реконфигурируемых вычислительных устройств 13, …, 13;
1
М
1
N
20, …, 20 - группа из М вычислительных ПЛИС реконфигурируемых вычислительных устройств 13, …, 13;
1
M
1
М
1
N
21, …, 21 - группа из М высокоскоростных последовательных интерфейсов PCI-Express между коммутатором PCI-Express 19 и соответствующими вычислительными ПЛИС 20, …, 20 в реконфигурируемых вычислительных устройствах 13, …, 13;
1
N
22 - интерфейсная ПЛИС реконфигурируемых вычислительных устройств 13, …, 13;
1
N
23 - блок конфигурирования и мониторинга реконфигурируемых вычислительных устройств 13, …, 13;
1
N
24 - память конфигураций ПЛИС реконфигурируемых вычислительных устройств 13, …, 13;
1
М
1
N
25 - общая шина конфигурирования и мониторинга вычислительных ПЛИС 20, …, 20 реконфигурируемых вычислительных устройств 13, …, 13;
1
М
26, …, 26 - группа из М индивидуальных шин управления мониторингом;
1
М
27 - единый радиатор прямоугольной формы, установленный над вычислительными СБИС 33, …, 33;
1
N
1
N
28, …, 28 - группа из N высокоскоростных последовательных интерфейсов PCI-Express объединения реконфигурируемых вычислительных устройств 13, …, 13;
1
К
1
К
29, …, 29 - К групп из N высокоскоростных последовательных интерфейсов объединения PCI-Express ведомых ВУ 4, …, 4;
1
N
30 - блок управления режимом коммутатора PCI-Express 19 в реконфигурируемых вычислительных устройствах 13, …, 13;
1
К
31 - коммутатор PCI-Express объединения ведомых вычислительных узлов 4, …, 4 по высокоскоростным последовательным интерфейсам PCI-Express;
1
М
1
М
32, …, 32 - группа из М индивидуальных шин оперативной реконфигурации памятей стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС 20, …, 20;
1
М
1
N
33, …, 33 - группа из М вычислительных СБИС в реконфигурируемых вычислительных устройствах 13, …, 13;
1
М
1
М
1
М
34, …, 34 - группа из М индивидуальных шин обмена данными соответствующих вычислительных СБИС 33, …, 33 и вычислительных ПЛИС 20, …, 20;
1
М
1
М
1
N
35, …, 35 - группа из М памятей стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС 20, …, 20 в реконфигурируемых вычислительных устройствах 13, …, 13;
1
М
1
М
36, …, 36 - группа из М индивидуальных шин реконфигурации вычислительных ПЛИС 20, …, 20;
1
М
1
N
37, …, 37 - группа из М буферных памятей РВУ 13, …, 13;
1
М
1
N
38, …, 38 - группа из М контроллеров прямого доступа в память РВУ 13, …, 13.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предлагаемая реконфигурируемая вычислительная система предназначена для использования в пользовательской сети и работает по принципу раздельного (независимого) управления мониторингом состояния системы, осуществляемого ведущим сервером 2, и реализацией задач пользователей, осуществляемого сервером 3 управления задачами РВС.
1
К
1
К
1
К
1
N
1
N
Ведущий сервер 2 осуществляет управление включением питания требуемых вычислительных ресурсов (сервер 3 РВС, ВУОН 10 и компьютеры 8 ВУ 4, …, 4), загрузку в них операционных систем, настройку взаимодействия ведомых ВУ 4, …, 4 между собой через коммутатор PCI-Express 31 для образования различных вычислительных структур РВС и запуск программ мониторинга на компьютерах 8 ведомых ВУ 4, …, 4. Программы мониторинга компьютеров 8 осуществляют распределение памятей состояния 9, …, 9 между реконфигурируемыми вычислительными устройствами 13, …, 13, осуществляют сбор и анализ телеметрической информации о температурном режиме и режиме питания компонент РВУ и информируют об этом ведущий сервер 2.
1
К
Сервер 3 управления задачами РВС осуществляет распределение задач, поступающих из пользовательской сети, по вычислительным ресурсам ведомых ВУ 4, …, 4, которые работают по принципу решения задач пользователей по трех уровневой парадигме (модели).
1
М
Сначала на первом (верхнем) уровне в ВУОН 10 осуществляется предварительная подготовка данных для вычислительных ПЛИС 20, …, 20, которая может отсутствовать, тогда данные поступают из пользовательской сети.
1
М
1
М
Далее на втором (промежуточном) уровне на вычислительных ПЛИС 20, …, 20 осуществляется предварительная подготовка данных для вычислительных СБИС 33, …, 33, которая также может отсутствовать, тогда данные поступают из ВУОН 10.
1
M
1
М
Далее на третьем (нижнем) уровне осуществляется обработка данных на вычислительных СБИС 33, …, 33 и формирование результатов, которые передаются на вычислительные ПЛИС 20, …, 20 второго (промежуточного) уровня.
1
М
1
М
Затем на втором (промежуточном) уровне на вычислительных ПЛИС 20, …, 20 осуществляется предварительная обработка результатов работы вычислительных СБИС 33, …, 33, которая может и отсутствовать, тогда результаты поступают непосредственно в ВУОН 10.
1
М
В заключении на первом (верхнем) уровне в ВУОН 10, перед отправкой пользователям, осуществляется окончательная обработка результатов, которая также может и отсутствовать, тогда в пользовательскую сеть поступают непосредственно результаты работы вычислительных ПЛИС 20, …, 20.
1
М
1
М
Вычислительные СБИС 33, …, 33 предназначены для реализации неизменяемых частей вычислений на третьем (нижнем) уровне, что и определяет производительность РВС в целом, которая достигает своего максимального значения при минимальных простоях вычислительных СБИС 33, …, 33 в ожидании очередных данных для обработки.
1
М
1
М
1
М
1
М
1
М
1
N
1
М
1
К
1
М
1
М
1
М
1
М
1
М
1
М
1
М
Вычислительные ПЛИС 20, …, 20 предназначены для реализации вариантных частей вычислений второго (промежуточного) уровня обработки и обмена данными и результатами с вычислительными СБИС 33, …, 33 по индивидуальным шинам обмена данными 34, …, 34, а также совместно с буферными памятями 37, …, 37 и контроллерами 38, …, 38 прямого доступа в память РВУ 13, …, 13, обеспечивают максимальную занятость вычислительных СБИС 33, …, 33 и максимальное освобождение от обработки ВУОН 10 первого (верхнего) уровня с целью использования их ресурсов для организации и координации вычислений внутри ведомых ВУ 4, …, 4 и эффективного взаимодействия с сервером управления задачами 3, а соответственно и с пользовательской сетью. Кроме того, вычислительные ПЛИС 20, …, 20 осуществляют взаимодействие с индивидуальными блоками мониторинга 15, …, 15, по индивидуальным шинам управления мониторингом 26, …, 26, управляют питанием и настройкой рабочих частот вычислительных СБИС 33, …, 33, осуществляют автореконфигурирование новой программой по индивидуальным шинам реконфигурации 36, …, 36 путем перепрограммирования из собственных памятей конфигураций 35, …, 35. по индивидуальным шинам 32, …, 32.
1
М
Оперативная память 6 сервера 3 управления задачами РВС предназначена для хранения и анализа программ пользователей, а также для хранения библиотек подпрограмм первого (верхнего) и второго (промежуточного) уровней обработки, в том числе и рабочих конфигураций вычислительных ПЛИС 20, …, 20.
1
К
1
М
1
N
Вычислительные устройства общего назначения ВУОН 10 первого (верхнего) уровня обработки являются инициаторами (головными компьютерами) root-комплекса, в адресном пространстве которых распределены все устройства PCI-Express в ведомых ВУ 4, …, 4, и предназначены непосредственно для реализации программ обработки первого (верхнего) уровня и организации обмена данными и результатами обработки между оперативной памятью 12 и буферными памятями 37, …, 37 РВУ 13, …, 13.
1
К
1
N
1
К
Оперативная память 12 ведомых ВУ 4, …, 4 предназначена для выполнения программ первого (верхнего) уровня обработки и хранения очередных данных и результатов второго (промежуточного) уровня обработки с целью обеспечения максимальной занятости вычислительных ресурсов реконфигурируемых вычислительных устройств 13, …, 13 внутри ведомых вычислительных узлов 4, …, 4.
1
N
1
N
Коммутатор PCI-Express 11 предназначен для обеспечения взаимодействия по высокоскоростным последовательным интерфейсам PCI-Express 16, …, 16 реконфигурируемых вычислительных устройств 13, …, 13 между собой, а также с компьютером 8 и с ВУОН 10.
1
М
1
М
1
К
1
N
1
N
Коммутатор PCI-Express 19 предназначен для обеспечения взаимодействия по высокоскоростным последовательным интерфейсам PCI-Express 21, …, 21 вычислительных ПЛИС 20, …, 20 между собой и, через коммутатор PCI-Express 11, для обеспечения взаимодействия с ВУОН 10 внутри ведомых вычислительных узлов 4, …, 4, а также интерфейсной ПЛИС 22 с компьютером 8 для записи информации о состоянии компонент РВУ 13, …, 13 в соответствующие памяти состояния 9, …, 9.
1
N
1
N
1
N
Память состояния 9, …, 9 РВУ 13, …, 13 предназначены для хранения текущей информации о состоянии компонент РВУ 13, …, 13.
1
M
1
N
Буферные памяти 37, …, 37 в РВУ 13, …, 13 предназначены для хранения программ второго (промежуточного) уровня обработки, а также для хранения промежуточных данных и результатов.
1
M
1
N
1
M
1
M
Контроллеры 38, …, 38 прямого доступа в память РВУ 13, …, 13, предназначены для автоматической передачи очередных данных для второго (промежуточного) уровня обработки и готовых результатов, с целью обеспечения максимальной занятости (уменьшения простоев) вычислительных ПЛИС 20, …, 20 и вычислительных СБИС 33, …, 33.
1
M
1
M
1
N
1
N
Интерфейсная ПЛИС 22 предназначена для организации обмена информацией с компьютером 8 по высокоскоростному последовательному интерфейсу PCI-Express, для обеспечения взаимодействия с блоками конфигурирования и мониторинга 23 реконфигурируемых устройств и памятью конфигураций ПЛИС 24. Интерфейсная ПЛИС 22 осуществляет обработку получаемых от блока конфигурирования и мониторинга 23 данных о состоянии вычислительных ПЛИС 20, …, 20 и СБИС 33, …, 33 и дальнейшую передачу обработанных данных по высокоскоростному последовательному интерфейсу PCI-Express в соответствующую память состояния 9, …, 9 РВУ. Кроме того, используя блок конфигурирования и мониторинга 23, интерфейсная ПЛИС 22 осуществляет установку порогов срабатывания температурной защиты компонент, а также конфигурирование вычислительных ПЛИС 20, …, 20. Взаимодействуя с блоком 30 управления режимом коммутатора 19 PCI-Express, интерфейсная ПЛИС 22 осуществляет настройку режима работы коммутатора PCI-Express 19.
1
M
Память конфигураций ПЛИС 24 предназначена для хранения конфигурации для интерфейсной ПЛИС 22 и стартовой конфигурации для вычислительных ПЛИС 20, …, 20.
Блок 30 управления режимом коммутатора 19 PCI-Express предназначен для управления режимом работы портов NT/US и NT/ US коммутатора PCI-Express 19.
1
M
1
M
1
M
1
M
Блок конфигурирования и мониторинга реконфигурируемых устройств 23 предназначен для организации конфигурирования вычислительных ПЛИС 20, …, 20 по интерфейсу PCI-Express с использованием ресурсов интерфейсной ПЛИС 22 и из памяти конфигураций ПЛИС 24 при включении питания, осуществляет сбор данных о температурном режиме и режиме питания вычислительных ПЛИС 20, …, 20, программирование порогов срабатывания температурной защиты, управление режимами питания вычислительных ПЛИС 20, …, 20 по общей шине конфигурирования и мониторинга 25, с использованием термодатчиков, встроенных в вычислительные ПЛИС 20, …, 20.
1
M
1
M
1
M
Индивидуальные блоки мониторинга и управления 15, …, 15 предназначены для независимого (без использования ресурсов интерфейсной ПЛИС 22) контроля температурного режима, управления питанием и обеспечения требуемыми рабочими частотами вычислительные СБИС 33, …, 33 по индивидуальным шинам мониторинга 14, …, 14.
1
M
1
M
1
M
Памяти 35, …, 35 конфигураций вычислительных ПЛИС 20, …, 20 предназначены для хранения индивидуальных стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС 20, …, 20, которые в общем случае могут быть как одинаковыми, так и различными.
1
M
1
M
1
M
1
M
Единый радиатор прямоугольной формы 27, установленный над вычислительными СБИС 33, …, 33, предназначен для улучшения отвода тепла от кристаллов вычислительных СБИС 33, …, 33 и усреднения рабочей температуры вычислительных СБИС 33, …, 33 с большим и меньшим энергопотреблением, что уменьшает вероятность отказа, обусловленного перегревом кристаллов вычислительных СБИС 33, …, 33.
1
M
1
M
Унифицированные посадочные места 17, …, 17 предназначены для установки вычислительных ПЛИС 20, …, 20, реализующих промежуточный уровень обработки, различной вычислительной мощности, в зависимости от исходных требований к параметрам РВС (например, производительность).
1
M
1
M
Унифицированные посадочные места 18, …, 18 предназначены для установки заказных вычислительных СБИС 33, …, 33, реализующих различные трудоемкие алгоритмы третьего (нижнего) уровня обработки, в зависимости от исходных требований к классам задач, решаемых на РВС.
Предлагаемая реконфигурируемая вычислительная система работает следующим образом.
1
К
1
N
Ведущий сервер 2 РВС анализирует запросы на использование вычислительных ресурсов для решения задач пользователей, производит включение сервера 3 управления задачами и необходимого оборудования ведомых вычислительных узлов 4, …, 4 (компьютеров 8, ВУОН 10, РВУ 13, …, 13).
1
N
1
M
1
M
После включения питания в РВУ 13, …, 13 осуществляется конфигурирование вычислительных ПЛИС 20, …, 20 из памятей 35, …, 35 конфигураций вычислительных ПЛИС и интерфейсной ПЛИС 22 из памяти 24 конфигураций стартовыми конфигурациями.
1
К
1
N
Далее осуществляется загрузка операционных систем в сервер 3 управления задачами, компьютеры 8 и ВУОН 10 ведомых ВУ 4, …, 4, после чего ведущий сервер 2 осуществляет настройку параметров системы мониторинга, которая выполняется с использованием ресурсов интерфейсной ПЛИС 22 и блока 23 конфигурирования и мониторинга РВУ 13, …, 13. После этого ведущий сервер 2 разрешает обработку поступающих запросов серверу 3 управления задачами.
1
К
1
M
Сервер 3 управления задачами анализирует входной поток заданий на обработку, распределяет задачи пользователей между ведомыми вычислительными узлами 4, …, 4, сопровождая их соответствующими исполнительными программами для ВУОН 10, в том числе библиотечными программами, которые осуществляют обработку первого (верхнего) уровня, и рабочими конфигурационными файлами для вычислительных ПЛИС 20, …, 20, осуществляющих обработку второго (промежуточного) уровня.
1
К
1
M
1
M
1
M
ВУОН 10 ведомых вычислительных узлов 4, …, 4, в соответствии с поступающими задачами от сервера 3 управления задачами, осуществляют конфигурирование вычислительных ПЛИС 20, …, 20 рабочими конфигурационными файлами, используя ресурсы интерфейсной ПЛИС 22 и блока 23 конфигурирования и мониторинга, включают питание и производят настройку рабочих частот соответствующих вычислительных СБИС 33, …, 33, с помощью индивидуальных блоков 15, …, 15 мониторинга.
1
M
1
N
1
M
Кроме того ВУОН 10 резервируют массивы в оперативной памяти 12 для работы с буферными памятями 37, …, 37 РВУ 13, …, 13 и настраивают контроллеры 38, …, 38 прямого доступа во внешнюю память, после чего переходят к выполнению соответствующих задач пользователей.
1
К
1
К
1
К
1
N
1
M
В процессе работы ведущий сервер 2 РВС анализирует информацию о состоянии компонент ведомых ВУ 4, …, 4, формирует карту состояния РВС и предоставляет по интерфейсу Ethernet серверу 3 управления задачами информацию о работоспособности и загруженности ведомых ВУ 4, …, 4. Используя данную информацию, сервер 3 управления задачами осуществляет распределение пользовательских задач между ведомыми вычислительными узлами 4, …, 4, обеспечивая наиболее эффективное их выполнение с точки зрения выравнивания энергопотребления РВУ 13, …, 13, а также минимизации простоев вычислительных СБИС 33, …, 33.
ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предлагаемая реконфигурируемая вычислительная система может быть реализована на следующих элементах.
В качестве ведущего сервера 2 и сервера управления задачами 3 могут быть использованы серверы фирмы Kraftway на базе платформы ED25: процессор Intel(R) Xeon(R) E2620V4 2.10 GHz 8 cores; оперативная память 64 Gb; жесткий диск 1 Tb; коммутатор 1 как GigabitEthernet; интерфейсная плата 5 ведущего сервера - KBA-8732HD на базе микросхемы коммутатора РЕХ8732 фирмы PLX Technology.
ВУОН 10 и компьютер 8 ведомых ВУ: процессор Intel(R) Xeon(R) E2620V4 2.10 GHz 8 cores; оперативная память 64 Gb; жесткий диск 1 Tb; восемь реконфигурируемых вычислительных устройств 13 содержащих по четыре реконфигурируемых вычислительных ПЛИС 20 и четыре вычислительных СБИС 33 в каждом.
1
M
Реконфигурируемые вычислительные устройства 13: интерфейсная ПЛИС 22 - на микросхеме фирмы Xilinx типа XC7A15T-FGG484; коммутатор PCI-Express 19 - на микросхеме коммутатора РЕХ8732 фирмы PLX Technology; блок конфигурирования и мониторинга 23 - на микросхемах CPLD ХС2С64А, МАХ6656, TMP461AIRUNT; индивидуальные блоки управления и мониторинга 15 - на микросхемах МАХ1239 и 570FCA000133DG, память стартовых конфигураций 24 и памяти конфигураций 35 - на микросхемах SPI-памяти М25Р64, буферные памяти 37 на микросхемах MT46H128M16LFDD-48; вычислительные ПЛИС 20 - на унифицированных посадочных местах под микросхемы фирмы Xilinx типа ХС7А(15, 35, 50, 75, 100) в корпусе FGG484; вычислительные СБИС 33, …, 33 могут быть установлены на унифицированных посадочных местах под типовой корпус HSBGA-400.
1
M
1
N
1
M
Таким образом, введение в предлагаемую РВС сервера 3 управления задачами с оперативной памятью 6 и ВУОН 10 с оперативной памятью 12, а также контроллеров 38, …, 38 прямого доступа в память РВУ 13, …, 13 и буферных памятей 37, …, 37 позволяет:
- выполнять на РВС задачи с более трудоемкой обработкой первого (верхнего) уровня, а, следовательно, расширить классы решаемых задач, за счет освобождения вычислительных ресурсов ВУОН 10 от значительного количества операций обмена, вследствие применения контроллеров прямого доступа;
- выполнять на РВС задачи с программной обработкой на втором (промежуточном) уровне, а, следовательно, расширить классы решаемых задач, вследствие применения систем на кристалле, работающих с оперативной памятью;
1
М
1
N
- минимизировать простои в ожидании обслуживания вычислительных СБИС 33, …, 33, а, следовательно, увеличить производительность РВС в целом, за счет сочетания задач пользователей с различными интенсивностями обмена в РВУ 13, …, 13, программно-аппаратной реализации алгоритмов генерации исходных данных и предварительного анализа результатов, а также за счет раздельного (независимого) управления мониторингом состояния системы, осуществляемого ведущим сервером 2, и реализацией задач пользователей, осуществляемого сервером 3 РВС.
Кроме того использование стандартного оборудования (сервера, коммутаторы, вычислительные устройства общего назначения, компьютеры) и ранее разработанных аппаратных и программных компонент, и применение вновь разрабатываемых компонент в унифицированных корпусах для установки на унифицированные посадочные места с унифицированными, а, следовательно, уже верифицированными отлаженными интерфейсами взаимодействия, позволяет значительно уменьшить время и сократить трудоемкость создания РВС.
Вышеизложенные сведения позволяют сделать вывод, что предлагаемая реконфигурируемая вычислительная система решает поставленную задачу и соответствует заявляемому техническому результату - увеличение производительности и расширение классов решаемых вычислительно сложных вариантных задач дискретной математики, а также уменьшение времени и сокращение трудоемкости создания РВС.