РЕКОНФИГУРИРУЕМАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области вычислительной техники, в частности, к реконфигурируемым высокопроизводительным вычислительным системам кластерного типа, предназначенных для решения вычислительно сложных вариантных задач дискретной математики с использованием распараллеливания и конвейеризации вычислительных процессов.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно проблемно ориентированное вычислительное устройство (RU №182316 U1, МПК G06F 15/17, G06F 17/00 заявлено 14.06.2018, опубликовано 14.08.2018, бюл. №23), содержащее коммутатор коммуникационной среды EtherNet 1 и группу из L вычислительных узлов 2₁, …, 2_L причем каждый из L вычислительных узлов содержит вычислитель общего назначения 3 с интерфейсами EtherNet и шиной ввода-вывода PCI-Express, коммутатор PCI-Express 4 и группу из К вычислительных модулей-ускорителей 6₁, …, 6_К, каждый из которых состоит из коммутатора PCI-Express 7 и группы из N интерфейсных ПЛИС 8₁, …, 8_N, системной ПЛИС 10, памяти конфигурации 13, блока конфигурирования и мониторинга 11, группы из N проблемно ориентированных вычислительных СБИС, установленных на унифицированные посадочные места 19₁, …, 19_N, памяти 21 стартовой конфигурации интерфейсных ПЛИС, блока 18 конфигурирования памяти стартовой конфигурации и блока 22 мониторинга, управления питанием и формирования рабочих частот для проблемно ориентированных вычислительных СБИС.

Недостатками данного проблемно ориентированного вычислительного устройства является невысокая вычислительная мощность и ограниченность классов решаемых трудоемких задач.

Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата, является использование интерфейсных ПЛИС 8₁, …, 8_N для организации взаимодействия проблемно ориентированных вычислительных СБИС с вычислителем общего назначения 3, который, кроме подготовки данных и анализа результатов работы проблемно ориентированных вычислительных СБИС, занимается также организацией доставки и анализом телеметрической информации о состоянии проблемно ориентированного вычислительного устройства. Это приводит к простоям вычислительных СБИС, которые, в основном и определяют производительность вычислительной системы в целом.

Наиболее близкой вычислительной системой того же назначения, к заявленному изобретению, по совокупности признаков, принятой за прототип, является реконфигурируемая вычислительная система (RU №2677363 С1, МПК G06F 15/16, заявлено 24.07.2017, опубликовано 16.01.2019 Бюл. №2), состоящая из ведущего сервера 2 с двухпортовой интерфейсной платой 5, коммутатора EtherNet 1 управления вычислительной системой, коммутатора PCI-Express 31 объединения реконфигурируемых вычислительных устройств 13₁, …, 13_N и группы из K ведомых вычислительных узлов 4₁, …, 4_К, каждый из которых содержит коммутатор PCI-Express 11, компьютер 8, группу из N памятей состояния 9₁, …, 9_N и группу из N реконфигурируемых вычислительных устройств 13₁, …, 13_N, каждое из которых содержит коммутатор PCI-Express 19, группу из М вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_М, интерфейсную ПЛИС 22, группу из М вычислительных СБИС 33₁, …, 33_М, с установленным над ними единым радиатором прямоугольной формы 27, блок конфигурирования и мониторинга 23, блок управления режимом коммутатора PCI-Express 30, память 24 конфигураций ПЛИС, группу из М блоков индивидуального мониторинга и управления 15₁, …, 15_М и группу из М памятей стартовых конфигураций 35₁, …, 35_М.

Недостатками данной реконфигурируемой вычислительной системы является высокая трудоемкость ее создания, невысокая вычислительная мощность, и ограниченность классов решаемых трудоемких задач.

Причинами, препятствующими достижению указанного ниже технического результата, являются отсутствие унификации применяемых компонент и интерфейсов их взаимодействия, и выполнение вычислительными ПЛИС 20₁, …, 20_М одновременно как предварительного формирования исходных данных с последующим анализом результатов работы вычислительных СБИС 33₁, …, 33_М по поступающим входным параметрам задач пользователей, так и обмен телеметрической информацией с компьютерами ведомых ВУ 4₁, …, 4_К.

ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении возможности быстрого создания реконфигурируемой вычислительной системы для высокопроизводительного решения заданного множества вычислительно сложных вариантных задач дискретной математики.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение производительности и расширение классов решаемых вычислительно сложных вариантных задач дискретной математики, а также уменьшение времени и сокращение трудоемкости создания реконфигурируемой вычислительной системы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в реконфигурируемую вычислительную систему, содержащую коммутатор EtherNet 1 управления вычислительной системой, ведущий сервер 2, двухпортовую интерфейсную плату 5, группу из K ведомых вычислительных узлов 4₁, …, 4_К и коммутатор PCI-Express 31,

причем каждый из K ведомых вычислительных узлов 4₁, …, 4_К содержит группу из N реконфигурируемых вычислительных устройств 13₁, …, 13_N, коммутатор PCI-Express 11, компьютер 8 и группу из N памятей состояния 9₁, …, 9_N,

а каждое из N реконфигурируемых вычислительных устройств 13₁, …, 13_N содержит коммутатор PCI-Express 19, группу из М вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_М, интерфейсную ПЛИС 22, группу из М вычислительных СБИС 33₁, …, 33_М, с установленным над ними единым радиатором прямоугольной формы 27, блок конфигурирования и мониторинга 23, блок управления режимом 30 коммутатора PCI-Express 19, память 24 конфигураций ПЛИС, группу из М блоков индивидуального мониторинга и управления 15₁, …, 15_М и группу из М памятей стартовых конфигураций 35₁, …, 35_М,

причем ведущий сервер 2 соединен по высокоскоростному последовательному интерфейсу PCI-Express с портом US двухпортовой интерфейсной платы 5 и по сетевому интерфейсу с коммутатором EtherNet 1 управления вычислительной системы, который соединен по сетевым интерфейсам EtherNet 7₁, …, 7_К с соответствующими компьютерами 8 ведомых вычислительных узлов 4₁, …, 4_К,

внутри каждого из которых компьютер 8 соединен с N памятями состояния 9₁, …, 9_N и по высокоскоростному последовательному интерфейсу PCI-Express с портом NT коммутатора PCI-Express 11, который соединен с портами US/NT коммутаторов PCI-Express 19 по высокоскоростным последовательным интерфейсам PCI-Express 16₁, …, 16_N соответствующих реконфигурируемых вычислительных устройств 13₁, …, 13_N,

внутри которых коммутаторы PCI-Express 19 по высокоскоростным последовательным интерфейсам PCI-Express 21₁, …, 21_М соединены с соответствующими вычислительными ПЛИС 20₁, …, 20_М, по высокоскоростному последовательному интерфейсу PCI-Express с интерфейсной ПЛИС 22, а также соединены с блоком 30 управления режимом, который соединен с интерфейсной ПЛИС 22, которая соединена с памятью 24 конфигураций ПЛИС и блоком 23 конфигурирования и мониторинга, который соединен общей шиной 25 конфигурирования и мониторинга с вычислительными ПЛИС 20₁, …, 20_N, которые соединены с соответствующими памятями 35₁, …, 35_М стартовых конфигураций соответствующими индивидуальными шинами 32₁, …, 32_М оперативной реконфигурации памятей и соответствующими индивидуальными шинами 36₁, …, 36_М реконфигурации вычислительных ПЛИС, а также соединены соответствующими индивидуальными шинами 34₁, …, 34_М обмена данными с соответствующими вычислительными СБИС 33₁, …, 33_М и соответствующими индивидуальными шинами 26₁, …, 26_М управления мониторингом с соответствующими индивидуальными блоками 15₁, …, 15_М мониторинга вычислительных СБИС 33₁, …, 33_М, которые соединены шинами 14₁, …, 14_М мониторинга с соответствующими вычислительными СБИС 33₁, …, 33_М,

кроме того порты NT/US коммутаторов PCI-Express 19 реконфигурируемых вычислительных устройств 13₁, …, 13_N подключены к соответствующему интерфейсу группы из N высокоскоростных последовательных интерфейсов объединения PCI-Express 28₁, …, 28_N, которые объединены в K групп 29₁, …, 29_К по N высокоскоростных последовательных интерфейсов объединения PCI-Express ведомых вычислительных узлов 4₁, …, 4_К и подключены к соответствующим портам DS коммутатора PCI-Express 31, порт US которого подключен к порту DS двухпортовой интерфейсной платы 5 по высокоскоростному последовательному интерфейсу PCI-Express,

дополнительно введены сервер 3 управления задачами и оперативная память 6 сервера 3 управления задачами, которая соединена с сервером 3 управления задачами, который соединен с коммутатором EtherNet 1,

а в каждый ведомый вычислительный узел 4₁, …, 4_К дополнительно введены оперативная память 12 и вычислительное устройство общего назначения 10, которое соединено с коммутатором EtherNet 1, с портом US коммутатора PCI-Express 11 по высокоскоростному последовательному интерфейсу PCI-Express и с оперативной памятью 12,

а в каждое реконфигурируемое вычислительное устройство 13₁, …, 13_N ведомых вычислительных узлов 4₁, …, 4_К дополнительно введены группа из М унифицированных посадочных мест 17₁, …, 17_М для установки соответствующих вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_М, группа из М унифицированных посадочных мест 18₁, …, 18_М для установки соответствующих вычислительных СБИС 33₁, …, 33_М, группа из М буферных памятей 37₁, …, 37_M и группа из М контроллеров 38₁, …, 38_М прямого доступа в память РВУ 13₁, …, 13_N, при этом контроллеры 38₁, …, 38_М прямого доступа соединены с соответствующими вычислительными ПЛИС 20₁, …, 20_М и с буферными памятями 37₁, …, 37_М, которые соединены с соответствующими вычислительными ПЛИС 20₁, …, 20_М.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемой реконфигурируемой вычислительной системы.

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

РВС - реконфигурируемая вычислительная система;

ВУ - вычислительный узел;

РВУ - реконфигурируемое вычислительное устройство;

ВУОН - вычислительное устройство общего назначения с шиной PCI-Express;

DS - выходной «прозрачный» порт коммутатора PCI-Express;

US - входной «прозрачный» порт коммутатора PCI-Express;

NT - «непрозрачный» порт коммутатора PCI-Express;

К - количество ведомых ВУ реконфигурируемой вычислительной системы;

N - количество реконфигурируемых вычислительных устройств в каждом ведомом ВУ;

М - количество вычислительных ПЛИС и вычислительных СБИС в каждом РВУ;

i, j - счетные переменные.

1 - коммутатор EtherNet управления РВС;

2 - ведущий сервер РВС;

3 - сервер управления задачами РВС;

4₁, …, 4_К - группа из К ведомых ВУ;

5 - двухпортовая интерфейсная плата;

6 - оперативная память сервера 3 управления задачами РВС;

7₁, …, 7_К - группа из К сетевых интерфейсов EtherNet между коммутатором управления EtherNet 1 и компьютерами 8 ведомых ВУ 4₁, …, 4_К;

8 - компьютер ведомых ВУ 4₁, …, 4_К;

9₁, …, 9_N - группа из N памятей состояния реконфигурируемых вычислительных устройств 13₁, …, 13_N;

10 - вычислительное устройство общего назначения ведомых ВУ 4₁, …, 4_К;

11 - коммутатор PCI-Express ведомых ВУ 4₁, …, 4_К;

12 - оперативная память ведомых ВУ 4₁, …, 4_К;

13₁, …, 13_N - группа из N реконфигурируемых вычислительных устройств в ведомых ВУ 4₁, …, 4_К;

14₁, …, 14_М - группа из М шин мониторинга вычислительных СБИС 33₁, …, 33_М;

15₁, …, 15_М - группа из М индивидуальных блоков мониторинга и управления вычислительных СБИС 33₁, …, 33_М;

16₁, …, 16_N - группа из N высокоскоростных последовательных интерфейсов PCI-Express между коммутатором PCI-Express 11 и реконфигурируемыми вычислительными устройствами 13₁, …, 13_N в ведомых ВУ 4₁, …, 4_К;

17₁, …, 17_М - группа из М унифицированных посадочных мест для установки вычислительных ПЛИС;

18₁, …, 18_М - группа из М унифицированных посадочных мест для установки вычислительных СБИС;

19 -коммутатор PCI-Express реконфигурируемых вычислительных устройств 13₁, …, 13_N;

20₁, …, 20_М - группа из М вычислительных ПЛИС реконфигурируемых вычислительных устройств 13₁, …, 13_N;

21₁, …, 21_M - группа из М высокоскоростных последовательных интерфейсов PCI-Express между коммутатором PCI-Express 19 и соответствующими вычислительными ПЛИС 20₁, …, 20_М в реконфигурируемых вычислительных устройствах 13₁, …, 13_N;

22 - интерфейсная ПЛИС реконфигурируемых вычислительных устройств 13₁, …, 13_N;

23 - блок конфигурирования и мониторинга реконфигурируемых вычислительных устройств 13₁, …, 13_N;

24 - память конфигураций ПЛИС реконфигурируемых вычислительных устройств 13₁, …, 13_N;

25 - общая шина конфигурирования и мониторинга вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_М реконфигурируемых вычислительных устройств 13₁, …, 13_N;

26₁, …, 26_М - группа из М индивидуальных шин управления мониторингом;

27 - единый радиатор прямоугольной формы, установленный над вычислительными СБИС 33₁, …, 33_М;

28₁, …, 28_N - группа из N высокоскоростных последовательных интерфейсов PCI-Express объединения реконфигурируемых вычислительных устройств 13₁, …, 13_N;

29₁, …, 29_К - К групп из N высокоскоростных последовательных интерфейсов объединения PCI-Express ведомых ВУ 4₁, …, 4_К;

30 - блок управления режимом коммутатора PCI-Express 19 в реконфигурируемых вычислительных устройствах 13₁, …, 13_N;

31 - коммутатор PCI-Express объединения ведомых вычислительных узлов 4₁, …, 4_К по высокоскоростным последовательным интерфейсам PCI-Express;

32₁, …, 32_М - группа из М индивидуальных шин оперативной реконфигурации памятей стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_М;

33₁, …, 33_М - группа из М вычислительных СБИС в реконфигурируемых вычислительных устройствах 13₁, …, 13_N;

34₁, …, 34_М - группа из М индивидуальных шин обмена данными соответствующих вычислительных СБИС 33₁, …, 33_М и вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_М;

35₁, …, 35_М - группа из М памятей стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_М в реконфигурируемых вычислительных устройствах 13₁, …, 13_N;

36₁, …, 36_М - группа из М индивидуальных шин реконфигурации вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_М;

37₁, …, 37_М - группа из М буферных памятей РВУ 13₁, …, 13_N;

38₁, …, 38_М - группа из М контроллеров прямого доступа в память РВУ 13₁, …, 13_N.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предлагаемая реконфигурируемая вычислительная система предназначена для использования в пользовательской сети и работает по принципу раздельного (независимого) управления мониторингом состояния системы, осуществляемого ведущим сервером 2, и реализацией задач пользователей, осуществляемого сервером 3 управления задачами РВС.

Ведущий сервер 2 осуществляет управление включением питания требуемых вычислительных ресурсов (сервер 3 РВС, ВУОН 10 и компьютеры 8 ВУ 4₁, …, 4_К), загрузку в них операционных систем, настройку взаимодействия ведомых ВУ 4₁, …, 4_К между собой через коммутатор PCI-Express 31 для образования различных вычислительных структур РВС и запуск программ мониторинга на компьютерах 8 ведомых ВУ 4₁, …, 4_К. Программы мониторинга компьютеров 8 осуществляют распределение памятей состояния 9₁, …, 9_N между реконфигурируемыми вычислительными устройствами 13₁, …, 13_N, осуществляют сбор и анализ телеметрической информации о температурном режиме и режиме питания компонент РВУ и информируют об этом ведущий сервер 2.

Сервер 3 управления задачами РВС осуществляет распределение задач, поступающих из пользовательской сети, по вычислительным ресурсам ведомых ВУ 4₁, …, 4_К, которые работают по принципу решения задач пользователей по трех уровневой парадигме (модели).

Сначала на первом (верхнем) уровне в ВУОН 10 осуществляется предварительная подготовка данных для вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_М, которая может отсутствовать, тогда данные поступают из пользовательской сети.

Далее на втором (промежуточном) уровне на вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_М осуществляется предварительная подготовка данных для вычислительных СБИС 33₁, …, 33_М, которая также может отсутствовать, тогда данные поступают из ВУОН 10.

Далее на третьем (нижнем) уровне осуществляется обработка данных на вычислительных СБИС 33₁, …, 33_M и формирование результатов, которые передаются на вычислительные ПЛИС 20₁, …, 20_М второго (промежуточного) уровня.

Затем на втором (промежуточном) уровне на вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_М осуществляется предварительная обработка результатов работы вычислительных СБИС 33₁, …, 33_М, которая может и отсутствовать, тогда результаты поступают непосредственно в ВУОН 10.

В заключении на первом (верхнем) уровне в ВУОН 10, перед отправкой пользователям, осуществляется окончательная обработка результатов, которая также может и отсутствовать, тогда в пользовательскую сеть поступают непосредственно результаты работы вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_М.

Вычислительные СБИС 33₁, …, 33_М предназначены для реализации неизменяемых частей вычислений на третьем (нижнем) уровне, что и определяет производительность РВС в целом, которая достигает своего максимального значения при минимальных простоях вычислительных СБИС 33₁, …, 33_М в ожидании очередных данных для обработки.

Вычислительные ПЛИС 20₁, …, 20_М предназначены для реализации вариантных частей вычислений второго (промежуточного) уровня обработки и обмена данными и результатами с вычислительными СБИС 33₁, …, 33_М по индивидуальным шинам обмена данными 34₁, …, 34_М, а также совместно с буферными памятями 37₁, …, 37_М и контроллерами 38₁, …, 38_М прямого доступа в память РВУ 13₁, …, 13_N, обеспечивают максимальную занятость вычислительных СБИС 33₁, …, 33_М и максимальное освобождение от обработки ВУОН 10 первого (верхнего) уровня с целью использования их ресурсов для организации и координации вычислений внутри ведомых ВУ 4₁, …, 4_К и эффективного взаимодействия с сервером управления задачами 3, а соответственно и с пользовательской сетью. Кроме того, вычислительные ПЛИС 20₁, …, 20_М осуществляют взаимодействие с индивидуальными блоками мониторинга 15₁, …, 15_М, по индивидуальным шинам управления мониторингом 26₁, …, 26_М, управляют питанием и настройкой рабочих частот вычислительных СБИС 33₁, …, 33_М, осуществляют автореконфигурирование новой программой по индивидуальным шинам реконфигурации 36₁, …, 36_М путем перепрограммирования из собственных памятей конфигураций 35₁, …, 35_М. по индивидуальным шинам 32₁, …, 32_М.

Оперативная память 6 сервера 3 управления задачами РВС предназначена для хранения и анализа программ пользователей, а также для хранения библиотек подпрограмм первого (верхнего) и второго (промежуточного) уровней обработки, в том числе и рабочих конфигураций вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_М.

Вычислительные устройства общего назначения ВУОН 10 первого (верхнего) уровня обработки являются инициаторами (головными компьютерами) root-комплекса, в адресном пространстве которых распределены все устройства PCI-Express в ведомых ВУ 4₁, …, 4_К, и предназначены непосредственно для реализации программ обработки первого (верхнего) уровня и организации обмена данными и результатами обработки между оперативной памятью 12 и буферными памятями 37₁, …, 37_М РВУ 13₁, …, 13_N.

Оперативная память 12 ведомых ВУ 4₁, …, 4_К предназначена для выполнения программ первого (верхнего) уровня обработки и хранения очередных данных и результатов второго (промежуточного) уровня обработки с целью обеспечения максимальной занятости вычислительных ресурсов реконфигурируемых вычислительных устройств 13₁, …, 13_N внутри ведомых вычислительных узлов 4₁, …, 4_К.

Коммутатор PCI-Express 11 предназначен для обеспечения взаимодействия по высокоскоростным последовательным интерфейсам PCI-Express 16₁, …, 16_N реконфигурируемых вычислительных устройств 13₁, …, 13_N между собой, а также с компьютером 8 и с ВУОН 10.

Коммутатор PCI-Express 19 предназначен для обеспечения взаимодействия по высокоскоростным последовательным интерфейсам PCI-Express 21₁, …, 21_М вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_М между собой и, через коммутатор PCI-Express 11, для обеспечения взаимодействия с ВУОН 10 внутри ведомых вычислительных узлов 4₁, …, 4_К, а также интерфейсной ПЛИС 22 с компьютером 8 для записи информации о состоянии компонент РВУ 13₁, …, 13_N в соответствующие памяти состояния 9₁, …, 9_N.

Память состояния 9₁, …, 9_N РВУ 13₁, …, 13_N предназначены для хранения текущей информации о состоянии компонент РВУ 13₁, …, 13_N.

Буферные памяти 37₁, …, 37_M в РВУ 13₁, …, 13_N предназначены для хранения программ второго (промежуточного) уровня обработки, а также для хранения промежуточных данных и результатов.

Контроллеры 38₁, …, 38_M прямого доступа в память РВУ 13₁, …, 13_N, предназначены для автоматической передачи очередных данных для второго (промежуточного) уровня обработки и готовых результатов, с целью обеспечения максимальной занятости (уменьшения простоев) вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_M и вычислительных СБИС 33₁, …, 33_M.

Интерфейсная ПЛИС 22 предназначена для организации обмена информацией с компьютером 8 по высокоскоростному последовательному интерфейсу PCI-Express, для обеспечения взаимодействия с блоками конфигурирования и мониторинга 23 реконфигурируемых устройств и памятью конфигураций ПЛИС 24. Интерфейсная ПЛИС 22 осуществляет обработку получаемых от блока конфигурирования и мониторинга 23 данных о состоянии вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_M и СБИС 33₁, …, 33_M и дальнейшую передачу обработанных данных по высокоскоростному последовательному интерфейсу PCI-Express в соответствующую память состояния 9₁, …, 9_N РВУ. Кроме того, используя блок конфигурирования и мониторинга 23, интерфейсная ПЛИС 22 осуществляет установку порогов срабатывания температурной защиты компонент, а также конфигурирование вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_N. Взаимодействуя с блоком 30 управления режимом коммутатора 19 PCI-Express, интерфейсная ПЛИС 22 осуществляет настройку режима работы коммутатора PCI-Express 19.

Память конфигураций ПЛИС 24 предназначена для хранения конфигурации для интерфейсной ПЛИС 22 и стартовой конфигурации для вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_M.

Блок 30 управления режимом коммутатора 19 PCI-Express предназначен для управления режимом работы портов NT/US и NT/ US коммутатора PCI-Express 19.

Блок конфигурирования и мониторинга реконфигурируемых устройств 23 предназначен для организации конфигурирования вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_M по интерфейсу PCI-Express с использованием ресурсов интерфейсной ПЛИС 22 и из памяти конфигураций ПЛИС 24 при включении питания, осуществляет сбор данных о температурном режиме и режиме питания вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_M, программирование порогов срабатывания температурной защиты, управление режимами питания вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_M по общей шине конфигурирования и мониторинга 25, с использованием термодатчиков, встроенных в вычислительные ПЛИС 20₁, …, 20_M.

Индивидуальные блоки мониторинга и управления 15₁, …, 15_M предназначены для независимого (без использования ресурсов интерфейсной ПЛИС 22) контроля температурного режима, управления питанием и обеспечения требуемыми рабочими частотами вычислительные СБИС 33₁, …, 33_M по индивидуальным шинам мониторинга 14₁, …, 14_M.

Памяти 35₁, …, 35_M конфигураций вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_M предназначены для хранения индивидуальных стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_M, которые в общем случае могут быть как одинаковыми, так и различными.

Единый радиатор прямоугольной формы 27, установленный над вычислительными СБИС 33₁, …, 33_M, предназначен для улучшения отвода тепла от кристаллов вычислительных СБИС 33₁, …, 33_M и усреднения рабочей температуры вычислительных СБИС 33₁, …, 33_M с большим и меньшим энергопотреблением, что уменьшает вероятность отказа, обусловленного перегревом кристаллов вычислительных СБИС 33₁, …, 33_M.

Унифицированные посадочные места 17₁, …, 17_M предназначены для установки вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_M, реализующих промежуточный уровень обработки, различной вычислительной мощности, в зависимости от исходных требований к параметрам РВС (например, производительность).

Унифицированные посадочные места 18₁, …, 18_M предназначены для установки заказных вычислительных СБИС 33₁, …, 33_M, реализующих различные трудоемкие алгоритмы третьего (нижнего) уровня обработки, в зависимости от исходных требований к классам задач, решаемых на РВС.

Предлагаемая реконфигурируемая вычислительная система работает следующим образом.

Ведущий сервер 2 РВС анализирует запросы на использование вычислительных ресурсов для решения задач пользователей, производит включение сервера 3 управления задачами и необходимого оборудования ведомых вычислительных узлов 4₁, …, 4_К (компьютеров 8, ВУОН 10, РВУ 13₁, …, 13_N).

После включения питания в РВУ 13₁, …, 13_N осуществляется конфигурирование вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_M из памятей 35₁, …, 35_M конфигураций вычислительных ПЛИС и интерфейсной ПЛИС 22 из памяти 24 конфигураций стартовыми конфигурациями.

Далее осуществляется загрузка операционных систем в сервер 3 управления задачами, компьютеры 8 и ВУОН 10 ведомых ВУ 4₁, …, 4_К, после чего ведущий сервер 2 осуществляет настройку параметров системы мониторинга, которая выполняется с использованием ресурсов интерфейсной ПЛИС 22 и блока 23 конфигурирования и мониторинга РВУ 13₁, …, 13_N. После этого ведущий сервер 2 разрешает обработку поступающих запросов серверу 3 управления задачами.

Сервер 3 управления задачами анализирует входной поток заданий на обработку, распределяет задачи пользователей между ведомыми вычислительными узлами 4₁, …, 4_К, сопровождая их соответствующими исполнительными программами для ВУОН 10, в том числе библиотечными программами, которые осуществляют обработку первого (верхнего) уровня, и рабочими конфигурационными файлами для вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_M, осуществляющих обработку второго (промежуточного) уровня.

ВУОН 10 ведомых вычислительных узлов 4₁, …, 4_К, в соответствии с поступающими задачами от сервера 3 управления задачами, осуществляют конфигурирование вычислительных ПЛИС 20₁, …, 20_M рабочими конфигурационными файлами, используя ресурсы интерфейсной ПЛИС 22 и блока 23 конфигурирования и мониторинга, включают питание и производят настройку рабочих частот соответствующих вычислительных СБИС 33₁, …, 33_M, с помощью индивидуальных блоков 15₁, …, 15_M мониторинга.

Кроме того ВУОН 10 резервируют массивы в оперативной памяти 12 для работы с буферными памятями 37₁, …, 37_M РВУ 13₁, …, 13_N и настраивают контроллеры 38₁, …, 38_M прямого доступа во внешнюю память, после чего переходят к выполнению соответствующих задач пользователей.

В процессе работы ведущий сервер 2 РВС анализирует информацию о состоянии компонент ведомых ВУ 4₁, …, 4_К, формирует карту состояния РВС и предоставляет по интерфейсу Ethernet серверу 3 управления задачами информацию о работоспособности и загруженности ведомых ВУ 4₁, …, 4_К. Используя данную информацию, сервер 3 управления задачами осуществляет распределение пользовательских задач между ведомыми вычислительными узлами 4₁, …, 4_К, обеспечивая наиболее эффективное их выполнение с точки зрения выравнивания энергопотребления РВУ 13₁, …, 13_N, а также минимизации простоев вычислительных СБИС 33₁, …, 33_M.

ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предлагаемая реконфигурируемая вычислительная система может быть реализована на следующих элементах.

В качестве ведущего сервера 2 и сервера управления задачами 3 могут быть использованы серверы фирмы Kraftway на базе платформы ED25: процессор Intel(R) Xeon(R) E2620V4 2.10 GHz 8 cores; оперативная память 64 Gb; жесткий диск 1 Tb; коммутатор 1 как GigabitEthernet; интерфейсная плата 5 ведущего сервера - KBA-8732HD на базе микросхемы коммутатора РЕХ8732 фирмы PLX Technology.

ВУОН 10 и компьютер 8 ведомых ВУ: процессор Intel(R) Xeon(R) E2620V4 2.10 GHz 8 cores; оперативная память 64 Gb; жесткий диск 1 Tb; восемь реконфигурируемых вычислительных устройств 13 содержащих по четыре реконфигурируемых вычислительных ПЛИС 20 и четыре вычислительных СБИС 33 в каждом.

Реконфигурируемые вычислительные устройства 13: интерфейсная ПЛИС 22 - на микросхеме фирмы Xilinx типа XC7A15T-FGG484; коммутатор PCI-Express 19 - на микросхеме коммутатора РЕХ8732 фирмы PLX Technology; блок конфигурирования и мониторинга 23 - на микросхемах CPLD ХС2С64А, МАХ6656, TMP461AIRUNT; индивидуальные блоки управления и мониторинга 15 - на микросхемах МАХ1239 и 570FCA000133DG, память стартовых конфигураций 24 и памяти конфигураций 35 - на микросхемах SPI-памяти М25Р64, буферные памяти 37 на микросхемах MT46H128M16LFDD-48; вычислительные ПЛИС 20 - на унифицированных посадочных местах под микросхемы фирмы Xilinx типа ХС7А(15, 35, 50, 75, 100) в корпусе FGG484; вычислительные СБИС 33₁, …, 33_M могут быть установлены на унифицированных посадочных местах под типовой корпус HSBGA-400.

Таким образом, введение в предлагаемую РВС сервера 3 управления задачами с оперативной памятью 6 и ВУОН 10 с оперативной памятью 12, а также контроллеров 38₁, …, 38_M прямого доступа в память РВУ 13₁, …, 13_N и буферных памятей 37₁, …, 37_M позволяет:

- выполнять на РВС задачи с более трудоемкой обработкой первого (верхнего) уровня, а, следовательно, расширить классы решаемых задач, за счет освобождения вычислительных ресурсов ВУОН 10 от значительного количества операций обмена, вследствие применения контроллеров прямого доступа;

- выполнять на РВС задачи с программной обработкой на втором (промежуточном) уровне, а, следовательно, расширить классы решаемых задач, вследствие применения систем на кристалле, работающих с оперативной памятью;

- минимизировать простои в ожидании обслуживания вычислительных СБИС 33₁, …, 33_М, а, следовательно, увеличить производительность РВС в целом, за счет сочетания задач пользователей с различными интенсивностями обмена в РВУ 13₁, …, 13_N, программно-аппаратной реализации алгоритмов генерации исходных данных и предварительного анализа результатов, а также за счет раздельного (независимого) управления мониторингом состояния системы, осуществляемого ведущим сервером 2, и реализацией задач пользователей, осуществляемого сервером 3 РВС.

Кроме того использование стандартного оборудования (сервера, коммутаторы, вычислительные устройства общего назначения, компьютеры) и ранее разработанных аппаратных и программных компонент, и применение вновь разрабатываемых компонент в унифицированных корпусах для установки на унифицированные посадочные места с унифицированными, а, следовательно, уже верифицированными отлаженными интерфейсами взаимодействия, позволяет значительно уменьшить время и сократить трудоемкость создания РВС.

Вышеизложенные сведения позволяют сделать вывод, что предлагаемая реконфигурируемая вычислительная система решает поставленную задачу и соответствует заявляемому техническому результату - увеличение производительности и расширение классов решаемых вычислительно сложных вариантных задач дискретной математики, а также уменьшение времени и сокращение трудоемкости создания РВС.