Результат интеллектуальной деятельности: ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области вычислительной техники, в частности, к вычислительным устройствам с перестраиваемой архитектурой, использующим программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) и заказные СБИС.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен вычислительный модуль (RU №168565 U1, МПК G06F 15/16, заявлен 21.11.2016, опубликован 8.02.2017 Бюл. №4), содержащий внешний порт PCI-Express для обмена информацией, коммутатор PCI-Express, интерфейсную и N вычислительных ПЛИС, каждая из которых содержит высокоскоростной последовательный интерфейс PCI-Express, блок оперативного конфигурирования интерфейсной ПЛИС, блок контроля и управления питанием, блок мониторинга, внешний порт контроля и управления JTAG, память конфигурации интерфейсной ПЛИС, двунаправленную общую шину конфигурирования вычислительных ПЛИС, группу из N вычислительных СБИС, группу из N памятей стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС, блок оперативного реконфигурирования памятей стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС и блок синхронизации.

Недостатками данного вычислительного модуля являются не эффективное использование его вычислительной мощности при решении вычислительно сложных задач, требующих высокой интенсивности обмена информацией вычислительных ПЛИС по внешнему порту PCI-Express, и неравномерное энергопотребление модуля, зависящее от характера решаемых задач.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются использование внешнего порта PCI-Express как для обмена данными и результатами вычислительных ПЛИС в ходе выполнения задач, так и для передачи информации о состоянии блоков модуля, и отсутствие возможности в данном модуле решать в текущий момент времени задачи с различной интенсивностью обмена и различным энергопотреблением, что связано с единой системой синхронизации и конфигурирования.

Наиболее близким устройством того же назначения, к заявленной полезной модели, по совокупности признаков является принятый за прототип вычислительный модуль (RU №174347 U1, МПК G06F15/00, G06F15/177, G06F 17/00, заявлен 18.05.2017, опубликован 11.10.2017 Бюл. №29), содержащий внешний порт PCI-Express для обмена информацией, коммутатор PCI-Express, интерфейсную и N вычислительных ПЛИС, каждая из которых содержит высокоскоростной последовательный интерфейс PCI-Express, блок оперативного конфигурирования интерфейсной ПЛИС, группу из N блоков индивидуального контроля и управления питанием, группу из N блоков индивидуального мониторинга, внешний порт контроля и управления JTAG, память конфигурации интерфейсной ПЛИС, двунаправленную общую шину конфигурирования вычислительных ПЛИС, группу из N вычислительных СБИС, группу из N памятей стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС, блок оперативного реконфигурирования памятей стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС, группу из N блоков индивидуальной настройки рабочих частот вычислительных СБИС и блок мониторинга.

Недостатками данного вычислительного модуля являются не эффективное использование его вычислительной мощности при решении вычислительно сложных задач, требующих высокой интенсивности обмена информацией вычислительных ПЛИС по внешнему порту PCI-Express, и относительная ограниченность классов решаемых вычислительно сложных задач.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются использование в данном вычислительном модуле внешнего порта PCI-Express как для обмена данными и результатами вычислительных ПЛИС в ходе выполнения задач, так и для передачи информации о состоянии блоков модуля, что при больших потоках информации и большом количестве вычислительных модулей в составе реконфигурируемых вычислительных устройств, уменьшает время взаимодействия с каждой отдельной вычислительной ПЛИС, а соответственно уменьшает и объем обрабатываемых данных. Кроме того использование в данном вычислительном модуле вычислительных СБИС с прямой схемотехнической реализацией критических участков трудоемких фрагментов вычислительных алгоритмов ограничивает классы решаемых вычислительно сложных задач.

ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании высокопроизводительного вычислительного модуля для решения широкого класса вычислительно сложных задач.

Техническим результатом предлагаемого изобретения, является увеличение вычислительной мощности при решении вычислительно сложных задач, требующих высокой интенсивности обмена информацией вычислительных ПЛИС по внешнему порту PCI-Express и расширение классов решаемых вычислительно сложных задач.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в вычислительный модуль, содержащий коммутатор PCI-Express 1, интерфейсную ПЛИС 2, группу из N вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N, внешний порт PCI-Express 4, группу из N вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N, внешний порт контроля и управления модуля JTAG 6, блок 7 оперативного конфигурирования интерфейсной ПЛИС 2, память 8 конфигурации интерфейсной ПЛИС 2, блок 9 оперативного реконфигурирования памятей стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N, группу из N памятей стартовых конфигураций 10₁, …, 10_N вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N, группу из N блоков индивидуального контроля и управления питанием 11₁, …, 11_N вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N, блок мониторинга модуля 17, группу из N блоков индивидуальной настройки рабочих частот 12₁, …, 12_N вычислительных СБИС 5₁, …, 15_N, группу из N индивидуальных блоков мониторинга 13₁, …, 13_N,

причем порты коммутатора PCI-Express 1 соединены соответствующими высокоскоростными последовательными интерфейсами PCI-Express с внешним портом модуля 4, интерфейсом 23 с интерфейсной ПЛИС 2 и группой из N интерфейсов 25₁, …, 25_N с N вычислительными ПЛИС 3₁, …, 3_N, каждая из которых соединена индивидуальными двунаправленными информационными шинами 32₁, …, 32_N с соответствующими вычислительными СБИС 5₁, …, 5_N,

интерфейсная ПЛИС 2 соединена соответствующими шинами с блоком 7 оперативного конфигурирования интерфейсной ПЛИС 2, с блоком 9 оперативного реконфигурирования памятей стартовых конфигураций 10₁, …, 10_N и с блоком мониторинга модуля 17, а также соединена двунаправленной общей шиной конфигурирования 24 с N вычислительными ПЛИС 3₁, …, 3_N и общей шиной 34 с N блоками индивидуальной настройки рабочих частот 12₁, …, 12_N,

кроме того, блок 7 оперативного конфигурирования интерфейсной ПЛИС 2 соединен с памятью 8 конфигурации интерфейсной ПЛИС 2 и с внешним портом контроля и управления модуля JTAG 6,

блок оперативного реконфигурирования памятей 9 соединен общей шиной 26 с N памятями стартовых конфигураций 10₁, …, 10_N вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N,

при этом N вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N соединены с соответствующими одноименными N памятями стартовых конфигураций 10₁, …, 10_N группой из N индивидуальных шин реконфигурации 28₁, …, 28_N и группой из N индивидуальных шин оперативной реконфигурации 27₁, …, 27_N, а также группой из N индивидуальных шин 29₁, …, 29_N контроля и управления питанием вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N соединены с группой из N блоков индивидуального контроля и управления питанием 11₁, …, 11_N,

кроме того, N блоков индивидуальной настройки рабочих частот 12₁, …, 12_N соединены соответствующими шинами с одноименными СБИС группы из N вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N и группой из N индивидуальных шин настройки рабочих частот 31₁, …, 31_N с соответствующими вычислительными ПЛИС 3₁, …, 3_N,

блок мониторинга модуля 17 соединен общей шиной 35 с N индивидуальными блоками мониторинга 13₁, …, 13_N, каждый из которых соединен с соответствующими одноименными вычислительными ПЛИС 3₁, …, 3_N индивидуальными шинами мониторинга 33₁, …, 33_N,

дополнительно введены сетевой коммутатор Ethernet 21, группа из N оперативных памятей 20₁, …, 20_N, блок контроля и управления питанием модуля 14, блок сопряжения модуля с системой контроля и управления питанием 15, блок сопряжения модуля с системой мониторинга 18, внешний сетевой порт модуля 22, внешний порт мониторинга модуля 19, внешний порт контроля и управления питанием модуля 16,

причем группа из N оперативных памятей 20₁, …, 20_N соединена соответствующими шинами с одноименными вычислительными СБИС 5₁, …, 5_N, которые соединены соответствующими сетевыми интерфейсами 36₁, …, 36_N с сетевым коммутатором Ethernet 21, который также соединен с внешним сетевым портом модуля 22,

кроме того, блок контроля и управления питанием модуля 14 соединен с интерфейсной ПЛИС 2, а также общей шиной 30 соединен с N блоками индивидуального контроля и управления питанием 11₁, …, 11_N вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N и соединен с блоком сопряжения модуля с системой контроля и управления питанием 15, который соединен с внешним портом контроля и управления питанием модуля 16,

блок мониторинга модуля 17 соединен с блоком сопряжения модуля с системой мониторинга 18, который подключен к внешнему порту мониторинга модуля 19.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 приведена функциональная схема вычислительного модуля.

На фиг. 1 и в тексте приняты следующие сокращения и обозначения:

ВМ - вычислительный модуль;

N - количество вычислительных ПЛИС и СБИС в ВМ;

i - счетная переменная.

1 - коммутатор PCI-Express;

2 - интерфейсная ПЛИС;

3₁, …, 3_N - группа из N вычислительных ПЛИС;

4 - высокоскоростной внешний порт последовательного интерфейса PCI-Express;

5₁, …, 5_N - группа из N вычислительных СБИС;

6 - внешний порт контроля и управления модуля JTAG;

7 - блок оперативного конфигурирования интерфейсной ПЛИС 2;

8 - память конфигурации интерфейсной ПЛИС 2;

9 - блок оперативного реконфигурирования памятей стартовых конфигураций 10₁, …, 10_N вычислительных ПЛИС 3₁, …, 13_N;

10₁, …, 10_N - группа из N памятей стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС 3₁, …, 13_N;

11₁, …, 11_N - группа из N блоков индивидуального контроля и управления питанием вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N;

12₁, …, 12_N - группа из N блоков индивидуальной настройки рабочих частот вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N;

13₁, …, 13_N - группа из N индивидуальных блоков мониторинга вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N и СБИС 5₁, …, 5_N;

14 - блок контроля и управления питанием модуля;

15 - блок сопряжения модуля с системой контроля и управления питанием;

16 - внешний порт контроля и управления питанием модуля;

17 - блок мониторинга модуля;

18 - блок сопряжения модуля с системой мониторинга;

19 - внешний порт мониторинга модуля;

20₁, …, 20_N - группа из N оперативных памятей;

21 - сетевой коммутатор Ethernet;

22 - внешний сетевой порт модуля;

23 - высокоскоростной последовательный интерфейс PCI-Express между коммутатором PCI-Express 1 и интерфейсной ПЛИС 2;

24 - двунаправленная общая шина конфигурирования вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N;

25₁, …, 25_N - группа из N высокоскоростных последовательных интерфейсов PCI-Express между коммутатором PCI-Express 1 и вычислительными ПЛИС 3₁, …, 3_N;

26 - общая шина оперативного реконфигурирования памятей стартовых конфигураций 10₁, …, 10_N вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N;

27₁, …, 27_N - группа из N индивидуальных шин оперативной реконфигурации памятей стартовых конфигураций 10₁, …, 10_N вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N;

28₁, …, 28_N - группа из N индивидуальных шин реконфигурации вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N;

29₁, …, 29_N - группа из N индивидуальных шин контроля и управления питанием вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N;

30 - общая шина контроля и управления питанием вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N;

31₁, …, 31_N - группа из N индивидуальных шин настройки рабочих частот вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N;

32₁, …, 32_N - группа из N двунаправленных информационных шин между одноименными вычислительными СБИС 5ь 5n и вычислительными ПЛИС 3₁, …, 3_N;

33₁, …, 33_N - группа из N индивидуальных шин мониторинга ПЛИС 3₁, …, 3_N;

34 - общая шина настройки рабочих частот вычислительных СБИС 8₁, …, 8_N;

35 - общая шина мониторинга модуля;

36₁, …, 36_N - группа из N сетевых интерфейсов вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Коммутатор PCI-Express 1 предназначен для организации обмена информацией с интерфейсной ПЛИС 2 и с N вычислительными ПЛИС 3₁, …, 3_N по внешнему порту 4 и организации взаимодействия N вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N между собой по интерфейсам PCI-Express 25₁, …, 25_N. Коммутатор PCI-Express 1 содержит N+2 высокоскоростных портов, которые соединены с внешним портом PCI-Express 4, с интерфейсной ПЛИС 2 по интерфейсу PCI-Express 23, с N вычислительными ПЛИС 3₁, …, 3_N по N интерфейсам PCI-Express 25₁, …, 25_N.

Вычислительные ПЛИС 3₁, …, 3_N предназначены для осуществления высокопроизводительной предварительной обработки поступающих входных данных, последующей дообработки результатов работы вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N, а также обеспечивают обмен данными и результатами с вычислительными СБИС 5₁, …, 5_N. Кроме того, вычислительные ПЛИС 3₁, …, 3_N осуществляют обмен информацией с индивидуальными блоками мониторинга 13₁, …, 13_N и блоками индивидуального контроля и управления питанием 11₁, …, 11_N, обеспечивая тем самым управление питанием вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N и осуществляют настройку рабочих частот вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N и само конфигурирование за счет собственных ресурсов и переконфигурирования собственных памятей стартовых конфигураций 10₁, …, 10_N без использования ресурсов интерфейсной ПЛИС 2.

Вычислительные СБИС 5₁, …, 5_N могут осуществлять как прямую схемотехническую реализацию критических участков трудоемких фрагментов вычислительных алгоритмов, так и выполнять программно-аппаратную обработку данных для более широких классов вычислительно сложных задач, используя оперативную память 20₁, …, 20_N как для хранения выполняемой программы, так и для хранения промежуточных результатов ее выполнения.

Интерфейсная ПЛИС 2 предназначена для организации обмена информацией с блоком мониторинга модуля 17, с блоком 9 оперативного реконфигурирования памятей стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N, с блоком контроля и управления питанием модуля 14, с блоками индивидуальной настройки рабочих частот 12₁, …, 12_N вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N по общей шине настройки 34, а также для оперативного конфигурирования вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N по двунаправленной общей шине конфигурирования 24.

Блок 7 оперативного конфигурирования интерфейсной ПЛИС 2 предназначен для организации конфигурирования интерфейсной ПЛИС 2 по внешнему порту контроля и управления модуля JTAG 6 или, при включении питания модуля, из памяти 8 конфигурации интерфейсной ПЛИС 2, предназначенной для хранения ее рабочей конфигурации.

Группа из N памятей 10₁, …, 10_N стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N предназначена для хранения индивидуальных стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N, которые могут быть как одинаковыми, так и различными.

Внешний порт контроля и управления модуля JTAG 6 предназначен для организации контроля и управления интерфейсной ПЛИС 2 и вычислительными ПЛИС 3₁, …, 3_N средствами САПР от внешнего управляющего компьютера на этапе настройки вычислительного модуля и для диагностики неисправностей.

Блок 9 оперативного реконфигурирования памятей стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N предназначен для начальной загрузки от интерфейсной ПЛИС 2 по общей шине 26 стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N в группу из N памятей 10₁, …, 10_N.

Блок контроля и управления питанием модуля 14 предназначен для контроля уровней напряжения питания и управления включением источников питания модуля (источники питания на фиг. 1 не показаны), посредством обшей шины 30 и группы из N блоков 11₁, …, 11_N индивидуального контроля и управления питанием вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N, и взаимодействия с внешней системой контроля и управления питанием посредством блока сопряжения модуля с системой контроля и управления питанием 15 через внешний порт контроля и управления питанием модуля 16.

Группа из N блоков 11₁, …, 11_N индивидуального контроля и управления питанием вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N предназначена для реализации возможности независимого контроля и управления питанием вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N одноименными вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N, посредством группы из N индивидуальных шин 29₁, …, 29_N.

Группа из N блоков 13₁, …, 13_N индивидуального мониторинга вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N, и СБИС 5₁, …, 5_N предназначена для реализации возможности независимого мониторинга температурного режима вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N и вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N.

Блок мониторинга модуля 17 и группа из N блоков индивидуального мониторинга 13₁, …, 13_N предназначены для контроля температурного режима N вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N и N вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N по общей шине мониторинга модуля 35 и по индивидуальным шинам 33₁, …, 33_N мониторинга от вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N, с использованием датчиков температуры, встроенных в вычислительные ПЛИС 3₁, …, 3_N и вычислительные СБИС 5₁, …, 5_N (датчики температуры на фиг. 1 не показаны), Блок мониторинга модуля 17 также осуществляет взаимодействие с внешней системой мониторинга посредством блока сопряжения модуля с системой мониторинга 18 через внешний порт мониторинга модуля 19.

Блоки настройки рабочих частот 12₁, …, 12_N предназначены для обеспечения требуемыми индивидуальными рабочими частотами соответствующих одноименных вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N, с управлением от интерфейсной ПЛИС 2 по общей шине настройки рабочих частот 34 вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N, или от одноименных вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N по индивидуальным шинам 31₁, …, 31_N настройки рабочих частот вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N.

Группа из N оперативных памятей 20₁, …, 20_N предназначена для буферизации очередных заданий, обрабатываемых данных и полученных результатов при использовании заказных вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N с прямой схемотехнической реализацией критических участков трудоемких фрагментов вычислительных алгоритмов, и для хранения выполняемых программ и промежуточных результатов при использовании вычислительных СБИС с программной реализацией трудоемких фрагментов вычислительных алгоритмов.

Сетевой коммутатор Ethernet 21 предназначен для обеспечения взаимодействия вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N по сетевым интерфейсам 36₁, …, 36_N через внешний сетевой порт модуля 22 с другими внешними вычислительными средствами и между собой по обмену данными, результатами и программами.

Предлагаемый вычислительный модуль работает следующим образом.

После подачи первичного питания на вычислительный модуль, осуществляется загрузка рабочей конфигурации в интерфейсную ПЛИС 2 блоком 7 оперативного конфигурирования ПЛИС из памяти 8 конфигурации интерфейсной ПЛИС и стартовые конфигурации в вычислительные ПЛИС 3₁, …, 3_N из памятей стартовых конфигураций 10₁, …, 10_N, которые были изначально загружены на этапе наладки модуля.

Рабочая конфигурация интерфейсной ПЛИС 2 должна обеспечивать все необходимые функции управления, к которым, прежде всего, относится организация взаимодействия по внешнему порту PCI-Express 4 посредством ресурсов высокоскоростного последовательного интерфейса PCI-Express 23, организация взаимодействия с блоком мониторинга модуля 17, организация взаимодействия с блоком 9 оперативного реконфигурирования памятей стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N, организация взаимодействия с блоком контроля и управления питанием модуля 14 и группой из N блоков индивидуального контроля и управления питанием 11₁, …, 13_N, организация взаимодействия с группой из N блоков индивидуальной настройки рабочих частот 12₁, …, 12_N вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N, а также организация оперативного конфигурирования вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N по двунаправленной общей шине 24.

Стартовые конфигурации вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N должны обеспечивать взаимодействие вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N по внешнему порту PCI-Express 4, посредством ресурсов высокоскоростных последовательных интерфейсов PCI-Express 25₁, …, 25_N, запись в память стартовых конфигураций 10₁, …, 10_N рабочих конфигураций и организацию собственного реконфигурирования из памяти стартовых конфигураций 10₁, …, 10_N.

Рабочие конфигурации вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N должны обеспечивать то, что делают стартовые конфигурации, а также реализовывать требуемые интерфейсы взаимодействия с одноименными вычислительными СБИС 5₁, …, 5_N по группе шин 32₁, …, 32_N, с блоками индивидуальной настройки рабочих частот СБИС 12₁, …, 12_N по группе шин 31₁, …, 31_N, с индивидуальными блоками контроля и управления питанием 11₁, …, 11_N по группе шин 29₁, …, 29_N, с индивидуальными блоками мониторинга 13₁, …, 13_N вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N и СБИС 5₁, …, 5_N по группе шин 33₁, …, 33_N, с целью полнофункциональной и независимой работы вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N.

После загрузки операционной системы во внешнюю управляющую вычислительную машину, в адресном пространстве которой находится предлагаемый вычислительный модуль, осуществляется распределение вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N и СБИС 5₁, …, 5_N между пользователями (задачами), которые осуществляют реконфигурирование выделенных им вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N через памяти их стартовых конфигураций 10₁, …, 10_N рабочими конфигурациями. После этого вычислительный модуль становится готовым к решению задач пользователей.

При решении задач осуществляется обмен очередными данными и результатами между вычислительными ПЛИС 3₁, …, 3_N и управляющей вычислительной машиной по высокоскоростному последовательному интерфейсу PCI-Express через внешний порт PCI-Express 4. Каждая транзакция сопровождается отправкой вычислительным ПЛИС Зь 3n слова состояния о ее завершении, для перехода к следующей транзакции. В каждое слово состояние вычислительными ПЛИС 3₁, …, 3_N подмешивается информация о текущем температурном состоянии как самого вычислительного ПЛИС, так и одноименного с ним вычислительного СБИС 5₁, …, 5_N. Из слов состояния вычислительных ПЛИС 3₁, …, 13_N интерфейсной ПЛИС 2 формируется общий кадр состояния вычислительного модуля, который, в зависимости от организации системы мониторинга, может либо оставаться в памяти управляющей вычислительной машины, либо посредством блока сопряжения модуля 18 с системой мониторинга через внешний порт мониторинга модуля 19 направляться дальше для хранения, анализа и принятия решений о дальнейшем управлении вычислительным модулем. При этом, В последнем случае, высокоскоростной внешний порт последовательного интерфейса PCI-Express 4 полностью освобождается от передачи информации о мониторинге, что в среднем на 10-15% увеличивает суммарное время взаимодействия вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N на обмен данными и результатами выполнения задач пользователей по данному порту, что также увеличивает и вычислительную производительность модуля.

Наиболее энергопотребляющими компонентами предлагаемого вычислительного модуля являются вычислительные СБИС 5₁, …, 5_N, имеющие большое количество внутренних компонент и работающие на высоких частотах. В связи с этим большое значение имеет уменьшение энергетических затрат холостого хода СБИС 5₁, …, 5_N (время, когда СБИС 5₁, …, 5_N ожидает загрузки очередных данных или выгрузки уже готовых результатов). В среднем, в зависимости от алгоритмов реализуемых задач это время может достигать 15-20% от времени вычислений (эффективной работы) СБИС 5₁, …, 5_N. Отключение питания со СБИС 5₁, …, 5_N на это время, уменьшает потребление более чем в четыре раза, следовательно, в среднем можно ожидать экономию по энергопотреблению до 15%.

Кроме того, в предлагаемом модуле имеется возможность отключать питание не только с вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N, а и с соответствующих вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N, что осуществляется интерфейсной ПЛИС 2 посредством блока 14 контроля и управления питанием модуля. Это дает еще больший энергетический выигрыш, но возможно только в случае, когда соответствующие вычислительные ПЛИС 3₁, …, 3_N не используются для решения задач пользователей.

Применение в предлагаемом вычислительном модуле вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N, имеющих в своем составе вычислительные ресурсы, поддерживающие программное выполнение набора некоторых трудоемких алгоритмов, взаимодействие через сетевой коммутатор Ethernet 21 и внешний сетевой порт модуля 22 с внешними вычислительными устройствами, а также введение N оперативных памятей 20₁, …, 20_N, подключенных к вычислительным СБИС 5₁, …, 5_N, позволяет не только значительно расширить классы решаемых модулем задач за счет их программной реализации, а и дополнительно разгрузить внешний порт последовательного интерфейса PCI-Express 4 от части транзакций, которые могут быть осуществлены по сетевому порту модуля 22, что также увеличивает время эффективной работы вычислительным СБИС 5₁, …, 5_N, а соответственно и увеличивает производительность предлагаемого вычислительного модуля.

ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предлагаемый вычислительный модуль может быть выполнен на следующих элементах:

коммутатор PCI-Express 1 - на микросхеме РЕХ8732 фирмы PLX Technology; интерфейсная ПЛИС 2 и вычислительные ПЛИС 3₁, … 3n - на микросхемах фирмы Xilinx XC7A75T-FGG484;

оперативная память 20₁, …, 20_N - на микросхемах MT46H128M16LFDD-48;

сетевой коммутатор 21 - на микросхеме NXP SJA1105;

памяти 10₁, …, 10_N стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС - на микросхемах на SPI-памяти N25Q064A11EF640;

порт контроля и управления JTAG 6 - с использованием штатного разъема MOLEX и микросхемы CPLD ХС2С64А;

память 8 конфигурации интерфейсной ПЛИС - на SPI-памяти N25Q032A11EF640;

блоки мониторинга 17 и 13₁, …, 13_N - на микросхемах TMP461AIRUNT и МАХ1239ЕЕЕ;

блоки настройки рабочих частот 12₁, …, 12_N вычислительных СБИС - на микросхемах 570FCA000133DG.

Предлагаемый вычислительный модуль может быть выполнен как в виде платы расширения, устанавливаемой в разъемы PCI-Express материнской платы универсального вычислителя, как правило, при N<5, что связанно с допустимыми габаритами плат расширения, так и в виде модулей, устанавливаемых в отдельные корпуса и имеющие входные порты PCI-Express. Как в первом, так и во втором случае первичное питание модулей, как правило, +12V, поступает с внешнего разъема и, как правило, от автономного источника, что связанно большой мощностью потребления модулей. Исключения могут составлять только платы расширения, устанавливаемые в разъемы PCI-Express универсальных вычислителей в ограниченном количестве и с небольшим N.

Таким образом, предлагаемый вычислительный модуль, по сравнению с прототипом, имеет более высокую вычислительную мощность при решении вычислительно сложных задач, требующих высокой интенсивности обмена информацией вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N по внешнему порту PCI-Express 4, который освобождается от необходимости передачи информации о состоянии модуля, за счет передачи данной информации по внешнему порту мониторинга модуля 19 и внешнему порту контроля и управления питанием модуля 16. Также внешний порт PCI-Express 4 разгружается от обмена некоторой части рабочей информации, в основном программной для работы вычислительных СБИС 5₁, …, 5_N, за счет использования для этого сетевого коммутатора 21 и внешнего сетевого порта модуля 22.

Кроме того, введение оперативных памятей 20₁, …, 20_N для буферизации данных, результатов и хранения промежуточных результатов и выполняемых программ обеспечивает возможность использовать в предлагаемом модуле вычислительных СБИС с программной реализацией трудоемких фрагментов вычислительных алгоритмов, что обеспечивает расширение классов решаемых вычислительно сложных задач по сравнению с прототипом.

Вышеизложенные сведения позволяют сделать вывод, что предлагаемый вычислительный модуль соответствует заявляемому техническому результату -увеличение вычислительной мощности при решении вычислительно сложных задач, требующих высокой интенсивности обмена информацией вычислительных ПЛИС по внешнему порту PCI-Express и расширение классов решаемых вычислительно сложных задач.