Введение

В "лекции 5" показано, что проблемы интерактивного синтеза сверх- и гиперпараллельных микропрограммных конструкций можно преодолеть за счет формализованного синтеза библиотечных слов- и поток-инструкций на основе рекуррентных процедур, оперирующих не бит-процессорами, а термами, характерными для этих слов- и поток-инструкций. Методика термального синтеза фактически базируется на методах и средствах инструктированного синтеза сложных молекулярно-биологических соединений более простых. На первом шаге этой методики необходимо осуществить выбор между традиционными DD -ассоциативными и перспективными PD -ассоциативными конструкциями или, что одно и то же, между методами адаптации, который зависит от "времени жизни" гетероструктуры:

• если "время жизни" велико, то предпочтение следует отдавать DD-ассоциативным конструкциям, конформационные преобразования которых позволяют настроить их на реализацию требуемой функции;
• если "время жизни" мало, то предпочтение следует отдавать PD-ассоциативным конструкциям, настройка которых на реализуемую функцию и содержимое одного из преобразуемых операндов требует структурной адаптации.

В рамках этой методики интерактивный характер выбора топологии формально сохраняется только для термов, но фактически он предопределен линейными размерами матриц, априори выделяемых на реализацию топологии слов- и поток-инструкций. При этом, как и в молекулярной биологии, следует отличать функционально значимые и промежуточные (вставочные) термы, первые из которых задают правила и циклы взаимодействия между слов-инструкциями, а вторые обеспечивают рекуррентное наращивание по какому-либо параметру однородной функции. Характерно также, что в "активных зонах" DD -и PD -ассоциативные конструкции взаимодействуют не только между собой, но и с потоками управляющих данных, которые задают циклы такого взаимодействия.

Показательно, что в МКМД-бит-потоковых матрицах "фронт вычислительной волны" распространяется по бит-матрице с помощью механизмов, сходных "пробоям" в реальных аксонно-коллатеральных связях, что наиболее четко проявляется в интерфейсах. Это указывает на то, что в реальных нейросетях преобразование информации может осуществляться не только в соме нейрона, но и в процессе распространения возбуждения по аксонно-коллатеральным связям, реализующим функции алгоритмически ориентированных PD -ассоциативных субпроцессоров.

В "лекции 6" раскрыты особенности построения и работы реально существующих и не имеющих зарубежных аналогов программных инструментальных платформ бит-потоковых информационных технологий "собственных нужд". Как и в кремниевой компиляции, в бит-потоковых технологиях необходимо поддержать проект в трех плоскостях: структурно-функциональной, программно-аппаратной и диагностической, а само развитие проекта должно осуществляется по иерархии от выбора физико-технического процесса, закладываемого в основу бит-матричной СБИС и до задач пользователя (сверх)многопро-цессорной (Б)ВС. В результате:

1. Эффективность объектно-ориентированного подхода к созданию инструментальных платформ МКМД-бит-потоковых технологий предопределяют два фактора: отношение иерархии между "объектами" проекта и множественность "вложений" одних и тех же компонент в программно-аппаратную и диагностическую плоскости проекта.
2. В структурно-функциональной и программно-аппаратной плоскости бит-процессор является неделимой единицей проекта, но при переходе в диагностическую плоскость его необходимо раскрыть, включив в иерархию описания блоки, узлы, вентили и физико-технические процессы, нарушение условий правильной работы которых и служит источником "расширения" библиотеки бит-инструкций бит-процессора.
3. Интерактивный режим, а с ним и графический интерфейс инструментальных платформ пока остаются атрибутом бит-потоковых технологий, так как они поддерживают завершающий этап проектирования субпроцессоров. На этом этапе решается узловая задача всего проекта, связанная с компоновкой библиотечных модулей на бит-матрице, или, что одно и то же, на плоской ортогональной FIFO -регистровой коммутационной решетке, где сдвиг на один дискрет всегда сопровождается изменением времени задержки на 1 такт. ( FIFO - "первый вошел - первый вышел".)
4. Главная особенность МКМД-бит-потоковых технологий состоит в том, что объектом диагностики на схемотехническом уровне является относительно простая схема бит-процессора (порядка 800-1000 вентилей), которая к тому же достаточно просто разбивается на блоки с разным последействием отказов: регистр команды, операционный канал, канал транзита, средства коммутации и т. п. Вместе с тем функциональные возможности программно-аппаратной плоскости проекта, как правило, отвечают ультравысокой степени интеграции (порядка 8-20 миллионов вентилей и выше) за счет наращивания "площади" бит-матрицы (от 1000 до 10000 бит-процессоров).
5. Средства эксплуатационной диагностики МКМД-бит-потоковых субпроцессоров являются продолжением средств промышленной диагностики, используемых для генерации эталонных тестов и эталонных тестовых воздействий для первой. Незнание производственных методов и средств обнаружения отказов в бит-матричных СБИС и положенных в их основу физических моделей отказов приводит к неоправданному увеличению пространства диагностики, делая само изделие диагностонепригодным. Данный вывод справедлив для всех изделий микроэлектроники, и поэтому стратегия их заимствования третьих стран чревата высокой вероятностью необнаружения отказов, особенно в современных процессорах RISC - и ЦПОС -архитектуры, которые по степени функциональной интеграции уже давно относятся к УБИС.

В "лекции 7" раскрыты специфические особенности обеспечения живучести и восстановления работоспособности (фактически микропрограммного "ремонта" без отключения источников питания) МКМД-бит-потоковых субпроцессоров, которые вытекают из возможности использования некратного (по отношению ко всей бит-матрице) резерва. Приведенные данные позволяют утверждать:

1. В МКМД-бит-потоковых вычислительных технологиях на основе микроэлектронных СБИС или УБИС основная ставка сделана на структурно-функциональный полиморфизм бит-процессоров, который поддерживает как технологию восходящего микропрограммного конструирования потоковых (суб)процессоров, так и технологию достаточно быстрого парирования карт отказов за счет параметрической адаптации исходного "рабочего тела" микропрограммы пользователя. При этом используется как скрытый, почти 2-кратный структурно-функциональный резерв каждого бит-процессора, так и централизованный и существенно меньший по отношению к рабочей области бит-матрицы "горячий" аппаратный резерв, дифференцированно "перемещаемый" по всей бит-матрице.
2. Наибольших интеллектуальных и временных затрат требует этап интерактивного микропрограммного конструирования проблемно-или алгоритмически ориентированных (суб)процессоров, который завершается созданием индивидуальной вторичной топологической структуры для каждого поток-оператора пользователя. При переходе вычислительной техники в супрамолекулярную или нано-метровую область этот этап трансформируется в синтез "рабочего тела", для которого специфицированы (био)химические модальности и уровни "сигналов", кодирующих управляющие, тестовые и обрабатываемые потоки информации.
3. Этап синтеза тестовых микропрограмм достаточно просто формализовать и свести к размещению ограниченного количества термов на бит-матрице с учетом ограничений на конструкцию гальванических программных шин и шин данных ( P - и D -шины соответственно), обеспечивающих доступ к периферийным бит-процессорам.
4. Основная проблема, препятствующая кардинальному снижению времени локализации и идентификации отказов в бит-матрице, связана с опосредованным доступом к "внутренним" бит-процессорам по FIFO -регистровым P - и D -шинам, и решать ее приходится в основном конструктивно-технологическими методами, напрямую зависящими от используемых физико-химических процессов управления, передачи и обработки информации. Сам процесс диагностики приобретает корректирующий характер, по крайней мере на отдельных фазах и этапах.
5. Удовлетворить темп реального времени при решении задач локализации и идентификации отказов можно только с использованием комплекса системотехнических, схемотехнических и конструктивно-технологических мер, которые минимизируют временные издержки на программирование бит-матрицы, снижают размеры контролируемых подматриц и повышают эффективность парирования обнаруженных карт отказов непосредственно во время диагностики.
6. Парирование карт отказов сводится к индивидуальной, толерантной перекомпоновке вторичной топологической структуры каждого поток-оператора пользователя. При этом локальные и глобальные аффинные преобразования "рабочего тела" микропрограммы по максимуму сохраняют условия пространственно-временного взаимодействия бит-инструкций. Но это требует трансформации части "функциональных" бит-процессоров в "коммутационные" и пространственного "сдвига" бит-инструкций по бит-матрице.
7. Выбор системы локальных, толерантных, аффинных преобразований представляет собой достаточно сложную, двухкритериальную оптимизационную задачу, которая в супрамолекулярных вычислителях может оказаться соизмеримой по временным и энергетическим затратам с повторным синтезом (структурной регенерацией) исходного "рабочего тела", в процессе которого нерелевантные молекулы замещаются релевантными. Это указывает на то, что в супрамолекулярных технологиях прежде всего необходимо осуществить выбор между ОКМД-схемой парирования отказов, которая основана на прямой подстановке резерва ( структурная адаптация ), и МКМД-схемой, которая основана на параметрической адаптации структурно-функциональной схемы вычислителя.

В "лекции 8" синтезирован МКМД-бит-потоковый субпроцессор, ориентированный на решение задач астронавигации космических летательных аппаратов, и на его основе проиллюстрированы особенности использования информационных технологий "собственных нужд" с использованием микропрограммного уровня доступа. На этой основе показано:

1. В МКМД-бит-потоковых вычислительных технологиях структурно-функциональная декомпозиция заданий пользователя представляет собой многокритериальную задачу, в которой необходимо учесть:
   • минимум аппаратных затрат и максимум неоднородности составляющих модулей, повышающий устойчивость к отказам,
   • минимум информационных связей между модулями, снижающий затраты на редактирование этих связей после проведения над телом микропрограммы толерантных аффинных преобразований,
   • и целый ряд других требований к топологии микропрограммы, обеспечивающих удобство работы всей системы обеспечения живучести субпроцессора.
2. Естественная структурно-функциональная избыточность МКМД-бит-потоковых субпроцессоров используется комплексно, обеспечивая не только (сверх)высокие коэффициенты распараллеливания вычислений, но и повышая более чем на порядок их отказоустойчивость в сравнении с параллельными системами на основе процессоров традиционной архитектуры, а также вычислительную устойчивость, гарантируя нулевую абсолютную погрешность за счет вариации разрядной сетки по ходу вычислений.
3. Чем выше МКМД-уровень распараллеливания вычислений, тем большему количеству процессоров необходимо задать управляющие параметры и начальные условия, что в пределе, когда вычисления организованы по принципу "одна (бит)инструкция - один (бит)процессор" приводит к работе всей (Б)ВС в режиме интерпретации, а не компиляции программ.
4. Работа МКМД-бит-потокового субпроцессора в режиме интерпретации, а не трансляции или компиляции программ:
   • сопряжена с временными издержками, которые сгруппированы в отдельный этап ввода микропрограммы в бит-матрицу и которые окупаются при выполнении системообразующего неравенства за счет большого количества циклов обработки "больших" потоков данных;
   • требует приведения исходного вычислительного алгоритма к потоковому виду с явным указанием всех управляющих, интерфейсных и диагностических процедур;
   • приводит к росту в основном аппаратных, а не временных затрат на реализацию индивидуальных управляющих, интерфейсных и диагностических процедур, что повышает "мобильность" модуля при парировании карт отказов.
5. Чем больше имеющийся естественный структурно-функциональный и топологический резерв у бит-процессоров и соответственно матриц на их основе, тем более устойчив к отказам поток-оператор и тем больше карта отказов, накапливаемая в латентном периоде. Отсюда следует, что с ростом отказоустойчивости бит-матриц необходимо увеличивать частоту принудительного тестового контроля, что негативно сказывается на пропускной способности МКМД-бит-потоковых субпроцессорных трактов.
6. С проектных позиций МКМД-бит-потоковые вычислительные технологии удобны тем, что на самых ранних этапах создания субпроцессоров здесь можно получить достоверные оценки достижимой пропускной способности по потокам инструкций и данных, массо-габаритам, потребляемой энергии, отказоустойчивости и времени задержки, которые играют решающую роль в оценке летно-технических и боевых характеристик космических ЛА и их БЭО.
7. Методы и средства обеспечения живучести МКМД-бит-потоковых субпроцессоров не исключают, а только дополняют традиционные методы и средства, основанные на введении дополнительной аппаратной, информационной и временной избыточности. При этом возможность проведения в темпе реального времени фактически ремонтно-восстановительных работ позволяет снизить необходимый аппаратный резерв до десятков процентов и сохранить живучесть субпроцессорного тракта при наличии в нем карт, насчитывающих десятки отказов. В результате удельные аппаратные затраты на парирование одного отказа в МКМД-бит-потоковых субпроцессорах не менее чем на порядок меньше аналогичных затрат в традиционных фон-неймановских схемах мажоритарного резервирования, которые по-прежнему доминируют в зарубежной авионике.
8. Даже на отсталой по современным меркам элементной базе разработки середины 80-х годов прошлого столетия в МКМД-бит-потоковых технологиях удается достичь производительности не менее 3,6*10³ MIPS и пропускной способности по потокам данных порядка 500 Мбит/сек, что более характерно для современных персональных ЭВМ, работающих на частотах порядка единиц ГГц.

Авторы отдают себе отчет в том, что с целым рядом базовых положений могут не согласиться глубокие и авторитетные специалисты из более узких областей научной деятельности. Но такова цена междисциплинарного подхода к решению сложных проблем, в рамках которого трудно договориться даже по терминологии и тем более по "незыблемым истинам", закладываемым в систематику научно-технических исследований и разработок. Поэтому авторы руководствовались не бесспорностью базовых положений и предложенной системы ценностей при создании сложных технотронных комплексов, а полнотой охвата всей проблематики их сквозного системного проектирования, в рамках которого нет и не может быть научных и организационно-технических "мелочей", пренебрежение которыми, как правило, и приводит к провалу всего проекта.

Разделы "3.4" , "6.4" написаны А.А. Поповым, а разделы "7.5" и "8.4" совместно А.А. Поповым и Г.М. Алакозом. Разделы "1.2" и "1.3" написаны А.П. Сериковым, а раздел "2.2" - М.В. Кураком. Остальной материал книги написан Г.М. Алакозом.

В отработку технологии микропрограммного конструирования и в создание инструментальных платформ МКМД-бит-потоковых технологий кроме авторов учебного пособия внесли вклад П. Авдошкин, А. Костин и А. Добротворский. При этом за основу была взята более ранняя разработка НИИ Космического приборостроения, решающий вклад в которую внес М.А. Глазков.

Аппаратная платформа МКМД-бит-потоковых технологий в виде СБИС Н1841 ВФ1 реализована на производственном объединении "Альфа" (г. Рига, 1988 г.) большим коллективом разработчиков, среди которых в первую очередь необходимо отметить Л. Вольперта, И. Михайлова, И. Луцкого, В. Горохова, Г. Страутманиса, А. Лейниекса, П. Малахса, Т. Барютину, О. Кузьмина и целый ряд инженеров, обеспечивших комплекс измерительных и испытательных мероприятий при подготовке и выпуске этой СБИС.

Эффективность аффинных преобразований в МКМД-бит-потоковых технологиях исследована совместно Г.М. Алакозом, А.П. Сериковым и В.В. Ткачевым. "Нечисленные" модели формальных нейронов разработаны и исследованы Г.М. Алакозом совместно с И. Клейменовым и А.А. Саломатовым.

После распада СССР исследования технологий микропрограммного конструирования были поддержаны командованием Военно-воздушной инженерной академии им. проф. Н.Е. Жуковского, и в первую очередь генерал-полковником авиации, дважды Героем Советского Союза, летчиком-космонавтом В.В. Коваленком, генерал-лейтенантом В.П. Кутаховым, генерал-лейтенантом В.А. Ефимовым, генерал-майором Ю.Б. Кулифеевым, полковником В.П. Харьковым и коллективом кафедры электронной автоматики.