Факультет комп'ютерних наук і технологій
Спеціальність: Системне програмування
У сучасному світі все більше і більше уваги приділяють паралельним обчислювальним засобам та методів програмування на них. Через невелику кількість паралельних архітектур і дорожнечі їх використання, паралельні обчислюванняя не використовуються повсюдно, або як паралельна система використовується багатоядерний комп'ютер, або невеликий кластер, що складається з однотипних машин. Оскільки в виробничих обчисленнях часто вирішуються завдання одного типу, або дуже схожі, програмістам доводиться створювати спеціальні програмні продукти, що працюють на відповідній архітектурі. В якості альтернативи було запропоновано створення спеціальних апаратних засобів, які або призначені для вирішення вузькоспеціалізованого класу задач, або для ряду задач, але з певними обмеженнями. Кілька років тому було запропоновано створення обчислювальних засобів на базі мікросхем FPGA, що реконфігуруються, грунтуючись на можливостях перепрограмування даного типу мікросхем в режимі реального часу, що дозволить, використовуючи легкодоступні мікросхеми, створювати спеціалізовані обчислювальні системи, що вирішують завдання у порівняннні з суперкомп'ютерами у співвідношенні час програмування - ціна - швидкість вирішення.
Актуальність роботи підтверджується збільшенням інтересу до здешевлення паралельних систем і створення доступного для кожного рішення в галузі паралельних обчислень та моделювання. Зростає інтерес до можливостей апаратної реалізації різних алгоритмів, створення спеціалізованих систем, спрямованих на швидке вирішення певної задачі з певною точністю. На даний момент не існує програмних і апаратних засобів, здатних спростити реалізацію програмної та апаратної частини паралельної системи, що ускладнює створення подібного проекту і схиляє користувачів до використання потужностей обчислювальних середовищ або відмови від паралельних розрахунків взагалі [4].
Метою магістерської роботи є дослідження та розробка способів автоматичного проектування і створення паралельних машин на базі мікросхем типу FPGA, що динамічно перебудовуються. Основними завданнями, які вирішуються в роботі є:
Передбачувана наукова новизна полягає в розробці алгоритмів відображення віртуальних моделей мережних динамічних об'єктів і алгоритмів створення паралельних спеціалізованих машин на базі мікросхем типу FPGA, що перебудовуються.
Як практичні результатів планується отримати машину на базі FPGA з архітектурою, що перебудовується, для вирішення систем диференціальних рівнянь, якими описуються мережеві динамічні об'єкти та отримати порівняльну характеристику результатів роботи з паралельними суперкомп'ютерами.
В області паралельного моделювання та розв'язання рівнянь в ДонНТУ роботи ведуться вже давно. На факультеті комп`ютерних наук та технологій (проф. Фельдман) ведуться розробки паралельних методів рішення і розрахунку систем диференціальних рівнянь. Серед розробок є як розпаралелювання відомих, покрокових методів (Ейлера, Рунге-Кутта), так і нові блокові паралельні методи. Зокрема рішення систем ЗДР на системах SIMD машин , побудова MIMD-вирішувачів рівнянь на базі MPI та OpenMP стандартів . У статтях розповідається про перетворення віртуальних моделей у реальні і побудова вирішувачів систем рівнянь на паралельній машині.
Також на факультеті ведуться розробки методів моделювання мережних динамічних об'єктів, хімічних реакцій на базі паралельних обчислювальних машин. Вже розроблені способи відображення моделей мережних динамічних об'єктів на паралельну архітектуру типу MIMD - Створення, дослідження та моделювання мережних динамічних об'єктів великої розмірності , так і різні симулятори - MIMD-симулятор і оптимізатор паралельних моделей дискретних динамічних систем , MIMD-симулятор МДО з розподіленими параметрами для заданого рівня розпаралелювання , Проблемно-орієнтована паралельна моделює середовище для об'єктів з розподіленими параметрами . У роботах наведені аналізи мережевих динамічних об'єктів, проблеми моделювання на паралельних системах.
Також ведуться розробки різних пристроїв на ПЛІС - Дослідження та розробка на FPGA SPP-архітектури поста контролю цифрових пристроїв , Розробка діагностічної моделі FPGA - пристроїв та синтез тестів на Її базі.
А також методи автоматичного синтезу пристроїв на FPGA - Автоматизація проектування швидкодіючих цифрових пристроїв на FPGA , Огляд структур існуючих систем цифрової обробки сигналу [1-3].
Однак необхідно зауважити, що раніше в стінах Донецького національного технічного університету досліджень і розробок паралельних машин на базі FPGA не проводилося.
Для України тема побудови паралельних машин на базі FPGA представлена у великому обсязі в публікаціях Інституту кібернетики імені В. М. Глушкова. Серед основних можна виділити такі публікації як «Високопродуктивні комп`ютери на базі FPGA, що реконфігуруються». У статті виконано аналіз розвитку та розробки комп'ютерів на базі реконфігуріуемих FPGA та пояснюються принципи побудови таких комп'ютерів. У статті «Обчислювальні системи з архітектурою, що реконфігурується (програмується)» описуються принципи та правила побудови систем, методи реконфігурації, тощо. Також є ряд публікацій про паралельні обчисленнях, паралельні архітекрури, проблемнооріентірованні системи та мікропроцесорну техніку [4-6].
У світі розробкою і дослідженням паралельних реконфігурованих обчислювальних засобів займаються [4][7-9]:
На даний момент проведені дослідження мережевих дінамінческіх об'єктів і способів відображення віртуальних паралельних моделей на вже існуючі архітектури. В якості основних недоліків вивчених способів є початкова спрямованість їх на певні архітектури та неможливість використання їх для архітектури, що динамічно змінюється. На рисунку 1 умовно наведено класичний спосіб відображення моделі на існуючу архітектуру. Що, як видно з рисунка, приводить до деяких проблем на рівні архітектури з-за її обмеженості або непристосованісті до реалій конткретной завдачі.
Досліджено можливості динамічного перестроювання внутрішньої архітектури мікросхеми Spartan-3E, проводяться дослідження можливостей динамічного перепрограмування блоку мікросхем, що використовуються як мікропроцесори, а також можливостей динамічного розширення пристрою, побудованого на кількох мікросхемах типу Spartan-3E [10].
Таким чином, в якості бажаних результатів і планованої мети ставитися досягнення способу розробки, зображеного на малюнку 2, при якому розробка програмної та апаратної частини є взаємодоповнюючим і взаємозалежним процесом, що виконуються паралельно вже на рівні розробки моделюючого (вирішального) середовища.
Оскільки завдання моделювання мережних динамічних об'єктів досить широко використовуються і добре відоме, то планується створити розширювану і динамічно-мінливе моделююче середовище, що змінюється або автоматично, або з невеликим впливом людини під необхідні завдання. Оптимальним є побудова системи з можливістю вирішення декількох завдань на одному пристрої за рахунок використання мікросхем, які не беруть участь в обчисленні інших завдань (знаходяться в простої).