Модель расчета живучести перспективных наномикропроцессорных систем с учетом временной избыточности за счет использования тактовой частоты и разрядности системной шины данных

Петров Б.М., Уткина О.Н. МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ЖИВУЧЕСТИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ НАНОМИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ С УЧЕТОМ ВРЕМЕННОЙ ИЗБЫТОЧНОСТИ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТАКТОВОЙ ЧАСТОТЫ И РАЗРЯДНОСТИ СИСТЕМНОЙ ШИНЫ ДАННЫХ

Бурное развитие компьютерных и информационных технологий, которые приносят прибыль триллионы долларов, позволяют вкладывать очень большие ресурсы на совершенствование технологии, структуры, архитектуры и программного обеспечения. Большие успехи, достигнутые за последние годы в микроэлектронике (МЭ) и наноэлектронике (НЭ) при разработке наномикропроцессорных систем (НМПС), позволяют создавать процессоры, которые содержат почти миллиард транзисторов в одном корпусе, а скоро будут содержать десятки миллиардов за счет использования режимной и функциональной избыточности.

Сегодня процессоры содержат четыре, восемь ядер в одном корпусе, а скоро будут содержать 128 -256 ядер в одном корпусе, выполненных по сетевой, кольцевой или многокорневой древоструктуре со сложными протоколами обмена данных, используя структурную и архитектурную избыточность.

Сегодня процессоры используют различные архитектуры КЭШ-памяти первого, второго и третьего уровней для каждого ядра, что позволяет повысить быстродействие и безотказность процессора, а что будет дальше трудно предположить, так как скоро и вся оперативная память может переместиться в процессор, значительно повысив производительность за счет использования временной и информационной избыточности.

Сегодня процессоры содержат четыре, восемь конвейеров по 20 - 50 ступеней в одном конвейере, которые позволяют распараллеливать потоки данных и выполнять их за один такт, а что будет дальше трудно предположить, особенно при использовании алгоритмов быстрых преобразований Фурье, Адамара, Харра и быстрых вейвлет преобразований, что значительно повысит быстродействие и безотказность за счет использования программной и алгоритмической избыточности.

Сегодня используются различные микротехнологии, такие как RAID, которые позволяют увеличить производительность дисковой системы или ее емкость или безотказность в два или четыре раза и это только начало.

Тридцать лет назад развитие микроэлектроники преобразовало мир и изменило подходы в расчетах и обеспечении надежности микропроцессорных систем (МПС), сегодня при развитии наноэлектроники, когда мы имеем нанопроцессорные системы (НПС),содержащие десятки (101) нанопроцессоров по миллиарду транзисторов (109), которые работают сотни часов (103), то есть сложность таких систем составляет 1012 элементочасов, что должно привести к изменению подходов в расчетах и обеспечении надежности НПС.

Тридцать лет назад мы стали учитывать при расчетах надежности МПС режимную и структурную избыточность, двадцать лет назад мы стали учитывать при расчетах надежности МПС временную и функциональную избыточность, десять лет назад мы стали учитывать при расчетах надежности МПС информационную и программную избыточность. Сейчас при переходе к наноэлектронике и в будущем при переходе к квантэлектронике мы должны учитывать при расчетах живучести алгоритмическую, архитектурную, учитывающую протоколы обмена и управления информацией, и может быть и брейнпьютерную (мозговую) избыточность, учитывающую многокорневые деревья анализа и обработки данных с инверсией на различных рангах.

Современная наноэлектроника дает нам миллиарды транзисторов (как клеток в нашем организме) и мы должны научиться использовать их для обеспечения не надежности, а живучести наших технических и биологических систем, так как скоро мы будем выращивать бионанопроцессоры из атомов, молекул и клеток нашей живой ткани, и должны научиться оценивать их отказоустойчивость и научиться управлять ими, чтобы лечить свое физическое, энергетическое и астральное тела с учетом различных видов избыточности.

Но кроме трудностей на этом пути есть и положительные моменты: человечество накопило много материалов по процессам дефектообразования, происходящих в различных системах человеческого организма, и разработка единого системного подхода к обеспечению живучести технических и биологических систем очень интересная и полезная для нас задача, особенно на техническом и программном (умственно-информационном) уровнях.

Поэтому сегодня необходимо разрабатывать методики расчета надежности и живучести НМПС, состоящих из нескольких моделей, которые учитывают сложную архитектуру микропроцессоров (МП) и нанопроцессоров (НП). Основой предлагаемой модели является функциональная зависимость интенсивности отказов НМПС, учитывающая схемотехнические особенности перспективных МП и НП и особенности их программного обеспечения (ПО).

На основании проведенного анализа НМПС построена функциональная многокомпонентная математическая модель расчета безотказности МП. Модель представлена произведением коэффициентов и учитывает влияние различных компонентов на базовую интенсивность отказов МП. Декомпозиция полной модели безотказности на отдельные компоненты, приведенная с учетом основных факторов и процессов функционирования, происходящих в МП, позволяет легко и просто оценивать и сравнивать различные варианты построения НМПС.

Каждый компонент безотказности в модели описывается простыми аналитическими функциями или числовыми соотношениями. Выводы зависимостей значений коэффициентов влияния для основных компонентов определяются на основании частных физико-статистических моделей, построенных с учетом применения метода наименьших квадратов, метода кубических сплайн функций «дефекта один», метода вейвлет преобразования, метода сплайн вейвлета преобразования, метода фрактального анализа и метода вейвлет-анализа фрактальных (самоподобных) процессов.

Предложена новая модель, в отличие от имеющихся отечественных и зарубежных (приведенных в справочнике MIL-HDBK-217F) моделей расчета безотказности НМПС, в которой учитывается влияние на интенсивность отказов МП тактовой частоты центрального процессора, количества регистров общего назначения и значений разрядной сетки системной шины данных, наиболее сильно влияющих на безотказность и быстродействие МП.

Микропроцессор является программно-управляемой сверхбольшой интегральной схемой (СБИС), предназначенной для обработки цифровой информации. Типовыми элементами МП являются:

- блок обработки команд состоит из регистра команд, который хранит комбинацию управляющих сигналов, необходимых для выполнения команды, формируется в результате дешифрации кода команды и управляющего устройства, которое управляет работой всех блоков МП и внешними устройствами системы через сигналы, входящие в состав шины управления;

- блок обработки данных, который состоит из АЛУ, регистра-накопителя (аккумулятора) и буферного регистра, которые применяются для выполнения логических и арифметических операций, в буферном

регистре временно хранится один их операндов, участвующий в операции, а аккумулятор выполняет ту

же функцию, но после завершения операции в него записывается ее результат;

- блок регистров общего назначения, которые выполняют функции сверхоперативной памяти и увеличивают производительность МП без увеличения тактовой частоты;

- регистр признаков, который хранит результат логической или арифметической операции, выпол-

ненной в АЛУ и используются для организации условных переходов в программах;

- регистр адреса предназначен для хранения адреса очередной выполняемой команды, который формируется программным счетчиком команд, регистр адреса позволяет организовать переходы в процессе выполнения программы с помощью изменения содержимого регистра;

- магистрали (шины) связи МП с внешними устройствами:

- шина данных двунаправленная для передачи данных от МП к внешним устройствам и в противоположном направлении;

- шина адреса однонаправленная для передачи цифрового адреса (ячейки памяти или устройства) от МП к внешним устройствам;

- шина управления для передачи сигналов управления от МП к внешним устройствам и наоборот.

Универсальные МП предназначаются для применения в вычислительных системах: персональных компьютерах, рабочих станциях, массово-параллельных супер-ЭВМ, которые в первую очередь обеспечивают максимальную надежность и быстродействие и, а во вторую очередь минимальную потребляемую мощность и стоимость.

Быстродействие МП характеризуется следующими параметрами:

- тактовая частота (Clock Rate) - частота повторения сигналов, синхронизирующая работу всех микросхем компьютера, особенно тех, которые имеют максимальное быстродействие, вырабатывается тактовым генератором;

- пиковая (техническая) производительность (Peak Perfomance) - теоретический максимум быстро-

действия процессора в идеальных условиях, определяется как число вычислительных операций, выполняемое за единицу времени всеми АЛУ процессора. Предельное быстродействие достигается при обработке бесконечной последовательности не связанных между собой и не конфликтующих при доступе в память команд (т.е. результат любой операции не зависит от действий, выполненных другими командами), при этом предполагается, что все операнды выбираются из кэш-памяти данных, а команды выбираются из кэш-памяти команд. Пиковая производительность процессора при проведении операций с фиксированной точкой измеряется в MIPS (Million Instructions Per Second), а при проведении операций с плавающей точкой - в MFLOPS (Million Floating-point Operations Per Second);

- разрядность - максимальное количество разрядов двоичного кода (бит), с которым может одно-

временно работать устройство, определяется разрядностью данных, которое МП может обрабатывать, многоразрядность повышает безотказность за счет выполнения несколько команд за один такт;

- регистры (Registers) - ячейки памяти внутри МП, в каждой из которых можно хранить одно чис-

ло, диапазон которого зависит от его разрядности. Основное назначение регистров - оперативное хранение операндов и адресов ячеек памяти, они расположены на кристалле МП, поэтому время обращения к ним мало и из называют сверхоперативным ОЗУ.

В табл. 1 и 2 рассмотрены изменения значений тактовой частоты центрального процессора (ЦП) и значений разрядной сетки системной шины данных в процессе развития самых распространенных МП фирм Intel и AMD.

В модели расчета надежности МП учитываются влияние на интенсивность отказов МП тактовой частоты центрального процессора, количество регистров общего назначения и значений разрядной сетки системной шины данных

^m(t) = A^(t) х Крон х Kfup х Кр,

где А,0 (t) - базовая интенсивность отказов кристалла МП i - й технологии (с учетом времени от-

лаженности процесса производства и соответствия его современному уровню изготовления МП) относительно К-МОП технологии; Крон - коэффициент, учитывающий количество используемых регистров общего назначения; ^цп - коэффициент, учитывающий влияние тактовой частоты ЦП; Кр - коэффициент, учитывающий влияние значения разрядной сетки системной шины данных.

Изменение тактовых частот ЦП, системной шины данных и коэффициента конфигурации микропроцессоров:

МГи 1-4 поколений

50

40

30

20

10

> і Тактовая частота ЦП т -

. 1 1 1 актовая частота шины данных

Коэф.умножения (конфигурации) -

1.1 ГП -

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

я » = й

* S

* і

1973г

1932г <80286)

1985г

1989г

годы,

типы микропроцессоров

Бит

Изменение разрядностей шины данных шины РОН микропроцессоров 1 -4 поколений

35 -30 -25 -20  15 -10 -5 -

Разрядность шины данных ЦП  Разрядность шины РОН ЦП

1978г

1082г

1085г

1Э89г

1 ' годы.

типы микропроцессоров

Бит

70 -I

Изменение разрядностей шины данных, шины РОН

микропроцессоров 5 - 8 поколении в Разрядность шины

данных ЦП

\У 1] 1] 1] 1] ь

Разрядность шины РОН ЦП

1993г 1997 г

1999г

2000г 2002г

2005г

(80886) годы, типы микропроцессоров

Бит

140

120

100

80

60

40

Изменение разрядностей шины данных, шины РОН микропроцессоров 9-12 поколений

о Разрядность шины данных ЦП  Разрядн ость шины РОН ЦП

МШ

кЦП

шШ

2006г 2006г

2006г

2008г 201Ог

2012г

2015г

годы.

типы микропроцессоров

Таблица 1 Современное состояние и перспективы развития универсальных микропроцессоров фирмы Intel

Год выпуска 1978 1982 1985 1989 1993 1997 1999 2000 2002 2005 2006 2006 2008 2008 2009 2010 2015

1 Центральный процессор 8086 ХТ 80286 АТ 80386 80486 80586 Pentium I 80686 Pentium II 80686 Pentium III 80786 Pentium IV 80786 Pentium 4A 80886 Pentium M Duo Core2 Duo Core2 Quad Bloom- field Haven- dale Lynn field -

2 Номер поколения 1 2 3 4 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 11 12 13

3 Нормы технлоги- Микроэлектроника 1 - 7 поколений

ческого процесса 3,0 1,5 1,0 0,8 0,6 0,35 0,25 0.18 0.13 90 90 65 65 45 32 22 12

Центрального процессора

4 Тактовая частота 5 12 33 45 100 350 533 1200 3200 3400 1660 2400 2660 3730 2560 3200 4800

МГц Шины данных FSB Интерфейс QPI-84 контакт

5 12 33 45 6 6 100 133 400 800 800 1066 1066 1333 4000 4000 8000 16000

Шины данных FSB Интерфейс QPI-84 контакт

5 Разрядность 16 16 32 32 64 64 64 64 64 64 64 64 64 64 128 128 128

бит Регистров общего назначения

16 16 32 32 32 32 32 32 32 32 32 64 64 64 128 128 128

Таблица 2 Современное состояние и перспективы развития универсальных микропроцессоров фирмы AMD

Год выпуска 1996 1997 1998 1999 1999 2000 2000 2001 2002 2003 2003 2004 2005 2005 2005 2006

1 Центральный процессор AMD K5 AMD K6 AMD K6-2 AMD K6-3 AMD Athlon AMD Duron AMD Athlon Thunder- bird AMD Athlon XP Palomino AMD Athlon XP Thoroug AMD Athlon XP Barton AMD Athlon 64 Winchester Athlon 64 FX Sledge Hamm Athlon 64 X2 Manchester Athlon 6 4 X2 Toledo Athlon 6 4 X2 Windsor Athlon 64 X2 Brisbane

2 Номер поколения 1 2 3 3 3 4 4 4 5 5 6 6 7 7 7 8

Технологический Микроэлектроника 1 - 8 поколений

3 процесс 0,35 0,35 0,25 0,25 0,25 0,18 0,18 0,18 0,13 0,13 90 90 90 90 90 65

Центрального процессора

Тактовая частота 117 266 550 450 1400 1300 1400 1583 1667 1833 2200 2400 3000 3730 2560 3800

МГц Шины данных FSB

6 6 100 100 100 266 200 266 333 333 333 400 1066 1066 1333 1600 1600

Шины данных FSB

Разрядность 64 64 64 64 64 64 64 64 64 64 64 128 128 128 128 128

бит Регистров общего назначения

32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 64 64 64 64 64 64