Оценка производительности и живучести МКМД-БИТ-потокового предпроцессора системы астронавигации

Для сравнения, даже в лучшей из составляющих субпроцессор поток-инструкции медианной фильтрации (кривая 1 рис. 8.25) такой уровень работоспособности достижим только при трех индифферентных отказах.

Вторая важная характеристика подсистемы обнаружения отказов - это ее латентный период (буквально - период мнимого благополучия), который отсчитывается от момента появления отказа и до момента появления тестовой реакции на периферии бит-матрицы. Согласно схеме рис. 8.5 и приведенным топологическим схемам модулей, в МКМД-бит-потоковом субпроцессоре применена комбинированная схема контроля правильности работы, в которой максимальным латентным периодом обладает модуль ICLM, осуществляющий периодическую диагностику логических модулей субпроцессора на основе замещения текущих данных тест-данными, которые занимают 2 верхние и 2 нижние строки изображения. Общая задержка на выходе модуля ICLM составляет 813 тактов. Отказ в худшем случае может появиться на следующем такте после проведения периодического контроля. Поэтому временные издержки использованного метода контроля составляют такта. Технологические временные издержки, связанные с передачей тестовой реакции от выхода модуля ICLM и до периферии бит-матрицы, в данном случае невелики и составляют всего 9 тактов.

Рис. 8.26. Вероятность сохранения работоспособности субпроцессора слежения за "центром масс" астроориентира

Таким образом, латентный период подсистемы обнаружения отказов в МКМД-бит-потоковом субпроцессоре слежения за "центром масс" астроориентира составляет 16694 тактов, и он всего лишь в 1,02 раза превосходит цикл формирования и обработки 1 кадра обрабатываемого изображения. Тем не менее, вычисленные координаты необходимо задержать в буфере обмена данными с БЦВМ САУ (см. рис. 8.2 и 8.4) еще на 2 кадра обрабатываемого изображения, чтобы гарантировать отказобезопасность проведения сложных маневров боевых ЛА в группе, при посадке в сложных метеоусловиях и т. п.

Еще больший вклад в повышение отказоустойчивости МКМД-бит-потоковых субпроцессоров вносит подсистема парирования карт отказов, которая обеспечивает толерантное (пере)размещение микропрограммы поток-оператора на бит-матрице. Модельным экспериментом показано, что при реализации в подсистеме парирования отказов функций простейших сдвигов и растяжений достаточно крупных блоков микропрограммы становится возможным обеспечить работоспособность субпроцессора "в среднем" при 17 отказах бит-процессоров и 38%-ном резерве.

Ограничение на использование только простейших аффинных преобразований введено для сохранения темпа реального времени при их выборе и реализации. Более того, перемещаемые фрагменты микропрограмм были выбраны по критерию минимума информационных FIFO -регистровых связей, что соответствует разбиению всего поток-оператора на составляющие модули рис. 8.5 и что снижает временные затраты на редактирование связей между "подвижными" и "неподвижными" фрагментами микропрограммы. В результате основным "пожирателем" аппаратного резерва оказался модуль медианной фильтрации MMF25, который среди всех модулей занимает максимальную площадь бит-матрицы (24*28 = 672 БП) и к тому же обладает максимальной однородностью, как по строкам, так и по столбцам микропрограммы. В результате сдвиг микропрограммы этого модуля (см. рис. 8.13) по столбцам практически не изменяет требований к бит-инструкциям, реализуемым ка ждым БП, а при сдвиге по строкам эти требования воспроизводятся с циклом 3, так как каждый из 8 однородных составляющих блоков занимает три строки бит-матрицы. Таким образом, показано:

• минимальные временные затраты на парирование карт отказов обеспечивает фиксированное в пространстве разбиение микропрограммы субпроцессора на составляющие его процессоры с независимыми операционными, управляющими и интерфейсными блоками, которые обеспечивают минимум информационных FIFO-регистровых связей между собой;
• при некратном резервировании (всего 38 %) парируется "в среднем" карта из 17 отказов, распределенных по бит-матрице по равномерному закону; для сравнения, при трехкратном мажоритарном резервировании по схеме фон Неймана удается парировать всего 1 отказ, после чего один из дублирующих модулей отключается и поэтому теряется возможность выбора правильной реакции из двух возможных;
• реальная аппаратная избыточность МКМД-бит-потокового субпроцессора слежения за "центром масс" астроориентира выше 38 %, так как в системе обнаружения отказов продублированы арифметические модули, что увеличило фактический резерв на 13*44+8*55 = 572+440 = 1012 БП, или на 42 % от площади рабочего поля бит-матрицы размером 36*67 = 2412 БП.

Учитывая тот факт, что в процессе работы субпроцессора накапливается существенная индифферентная карта отказов, тестировать необходимо всю бит-матрицу, а не отдельные ее части. Объясняется это тем, что для принятия правильного решения о толерантном (пере)размещении рабочего тела микропрограммы необходимо знать всю действующую карту отказов, так как при таком (пере)размещении изменяются требования к бит-процессорам, что может перевести любой отказ из индифферентного в функционально значимый.

Проведенный анализ основных потребительских характеристик МКМД-бит-потокового субпроцессора слежения за "центром масс" астроориентира показал:

1. Основное системотехническое преимущество МКМД-бит-потоковых вычислительных технологий состоит в том, что они позволяют на самых ранних этапах проектирования проблемно- и алгоритмически ориентированных субпроцессорных трактов оценить влияние принимаемых конструктивных и технических решений на их отказоустойчивость, то есть сделать процесс проектирования управляемым по фактору отказоустойчивости.
2. Производительность при решении задачи слежения за факелом на МКМД-бит-потоковых субпроцессорах составляет не менее 3,6*10³ MIPS, а пропускная способность по потокам данных составляет порядка 500 Мбит/с, что более характерно для современных персональных ЭВМ, работающих на частотах порядка единиц ГГц.
3. Естественная структурно-функциональная избыточность БП разбивает все множество отказов на два класса: функционально значимые и индифферентные по отношению к исполняемой бит-операции. Однако рост отказоустойчивости бит-процессоров на схемотехническом уровне негативно сказывается на системотехническом уровне, увеличивая латентный период накопления карты отказов. Это может привести к тому, что скрытое нарастание карты отказов в бит-матрице достигнет катастрофических размеров к моменту появления первого функционально значимого, а значит, обнаруживаемого алгоритмически ориентированными средствами отказа. 4. За счет фиксированного в пространстве распределения потока инструкций по бит-матрице повышается функциональная отказоустойчивость всего субпроцессорного тракта в целом, что приводит к накоплению в латентном периоде от 5 до 30 отказов, при этом парируются в темпе реального времени порядка 17 отказов при 38%-ном аппаратном резерве.

Системотехнические выводы по лекции 8

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)про-цессор", 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 (6.1) курса "Задачи и модели вычислительных наноструктур" 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 (К)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/с, что более характерно для современных персональных ЭВМ, работающих на частотах порядка единиц ГГц.