Современные вычислительные технологии и их аппаратные платформы

6.5. Принципы и методы МКМД-бит-потоковой организации вычислений

МКМД-бит-потоковая вычислительная технология разработана в 80-х годах прошлого столетия по заказу МО СССР для решения задач эксплуатации и боевого применения ВВТ с экстремальными и противоречивыми требованиями по производительности и отказоустойчивости. В частности, время жизни (10 лет) разведывательных и связных комплексов космического базирования уже тогда превосходило более чем на 1 порядок время безотказной работы комплектующих СБИС (10 тыс. часов) в условиях жестких электромагнитных и радиационных космических воздействий. Такое требование кардинальным образом изменило сам подход к построению систем обеспечения живучести БВС, которая должна парировать в темпе близком к реальному времени множественные отказы аппаратуры, так как доминирующие до сих пор схемы многократного мажоритарного резервирования способны парировать только одиночные отказы аппаратуры.

МКМД-бит-потоковая вычислительная технология базируется на следующих принципах и методах [138]:

1. Принцип "одна инструкция - один процессор" строго выдерживается на всех уровнях управления, включающих:
   • бит-процессорный с "глубиной" взаимодействия до двух смежных по времени и/или пространству бит из циклически обрабатываемых потоков данных;
   • слов-процессорный с "глубиной" взаимодействия до двух смежных по времени и/или пространству -разрядных операндов из циклически обрабатываемых потоков данных;
   • поток-процессорный с "глубиной" взаимодействия до смежных по времени и/или пространству слов из циклически обрабатываемых потоков данных, где коэффициент векторизации , по потокам данных, а также параметры самих потоков данных и задаются пользователем.
2. Программирование бит-матрицы ведется в режиме разделения времени с обработкой, а закрепленные за каждым бит-процессором индивидуальные бит-инструкции не изменяются в течение как минимум одного цикла формирования -битного потока результирующих данных.
3. Процессы обработки и передачи данных совмещены по времени и аппаратуре, а их скорости равны, причем циклическая обработка потоков данных ведется в конвейерной арифметике, младшим разрядом вперед и требует постоянно обнуляемого старшего буферного разряда, препятствующего "паразитному" распространению "единицы переноса" между словами промежуточных или результирующих потоков данных.

Весь (сверх)большой коллектив (10³-10⁵) бит-процессоров работает синхронно.

Из приведенных данных следует, что в МКМД-бит-потоковых вычислительных технологиях:

1. Фазы изготовления бит-матричных СБИС, (микро)программного конструирования и использования проблемно- или алгоритмически ориентированных (суб)процессоров разделены во времени, а полный цикл их работы включает этапы загрузки микропрограмм в бит-матрицу с временем , вхождения в конвейер с временем и собственно обработку потоков данных с временем , которые должны удовлетворять системообразующему неравенству:

   ( 6.1)

   где - количество циклов обработки -словного потока -битных данных, а - цикл работы бит-процессора и всей бит-матрицы.
2. Вычислительный процесс представляет собой ассоциативное взаимодействие пространственно фиксированного потока бит-инструкций с пространственно-временными потоками бит-данных, причем правила взаимодействия можно модифицировать в (квази)реальном масштабе времени по параметрам и направлениям распространения данных между инициализированными операционными устройствами.
3. Управление вычислительным процессом осуществляется на трех уровнях с разным латентным периодом:
   • "медленное" (с временем реакции , когда отвечающая активизированному поток-оператору микропрограмма загружается в бит-матрицу, превращая ее в проблемно-ориентированный (суб)процессор;
   • "быстрое" (с временем реакции , когда с помощью внешних -разрядных переменных задаются или модифицируются направления распространения и параметры обработки потоков данных, что превращает проблемно-ориентированный в алгоритмически ориентированный (суб)процессор;
   • "сверхбыстрое" (с временем реакции ), когда с помощью содержимого одного или нескольких бит обрабатываемых или специально сформированных промежуточных данных меняются реализуемые бит-процессорами функции.

Соотношение (6.1) говорит о том, что системные временные издержки инициализации МКМД-бит-потоковых (суб)процессоров должны быть пренебрежимо малыми по сравнению со временем их использования, и достигается оно за счет:

• распараллеливания шин ввода (микро)программ, что обеспечивает минимизацию ;
• выбора потоковых алгоритмов работы (суб)процессоров, что обеспечивает минимизацию ,

а также выбора параметров потоков данных и количества циклов их "непрерывной" обработки.

Из приведенных данных видно: принципы и методы МКМД-бит-потоковой организации вычислений инвариантны аналоговой и цифровой формам представления обрабатываемых данных. Это позволяет рассматривать их и как прототип организации вычислений в реальных нейронных ансамблях, и как детерминированный вариант нанометровых или супра-молекулярных вычислительных технологий.

Первое положение подтверждается тем, что в реальных нейросетях на равных используется как дискретная "спайковая" активность, так и непрерывная электроэнцефалографическая активность и вызванные потенциалы.

Второе положение подтверждается тем, что в нанометровых и супрамолекулярных вычислительных технологиях в качестве "рабочего тела" выступают квантовые (суб)системы, которые имеют двойственную природу и могут вести себя в пространстве и во времени и как непрерывные (аналоговые), и как дискретные (цифровые) с дискретными или непрерывными спектрами поглощения и излучения, а в общем случае - перераспределения энергии в системе. Поэтому в нанометровых или супрамолекулярных вычислительных технологиях используемые физико-технические процессы станут определять спектр допустимых архитектур, где:

1. Неравенство (6.1) сохранит свое системотехническое значение, а его параметры приобретут следующий физический смысл:
   • - время синтеза вычислителя-потомка из "рабочего тела" вычислителя-предка, возможно, и с дифференцированным обменом массой с "окружающей средой", что свойственно полуоткрытым (био)физическим, (био)химическим и биологическим системам;
   • - время установления "устойчивого" взаимодействия квантового "рабочего тела" вычислителя-потомка с потоками "свободной" массы
   • обработка ведется не в ассоциативной памяти (бит)данных,как это имеет место в классических ассоциативных архитектурах [46, 116, 175], а в ассоциативной памяти (бит)инструкций,"содержимое" которой может модифицироваться под воздействием преобразуемых потоков данных, что не исключает использование в их работе традиционных DD-ассоциативных конструкций, обеспечивающих соответственно доступ и обработку данных в зависимости от их содержимого;
   • организация вычислений достаточно адекватна детерминированным системотехническим условиям работы перспективных нанометро-вых и супрамолекулярных вычислителей;
   • пользователю доступны практически все уровни распараллеливания вычислений: бит-, слов-, поток- и задач-процессорный, что позволяет максимально интенсифицировать использование имеющегося однородного аппаратурного ресурса, перераспределяя его как между операционными, управляющими, адресными, интерфейсными и диагностическими функциями в зависимости от требований активного поток-оператора, так и по задачам, решаемым на различных уровнях организации вычислительного процесса.