РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ЭМУЛЯТОРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ВОЛНОВОГО ФРОНТА

​DEVELOPMENT OF A SOFTWARE EMULATOR FRAGMENT OF WAVEFRONT ARRAY PROCESSOR

Bikmetow Igor Ruslanovich

student, Department of Electronic Computing Machines, Vyatka State University,

Russia, Kirov

Krutikov Alexander Konstantinovich

scientific supervisor, senior lecturer, Vyatka State University,

Russia, Kirov

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлена разработка вычислительной системы волнового фронта, которую, также, называют волновым процессорным массивом или волновым процессором. Анализируется процесс проведения лабораторных работ, кратко приводится проектирование системы и демонстрируется жизнеспособный продукт. Полученные результаты подчеркивают значимость разрабатываемого эмулятора и его потенциал для улучшения и автоматизации процесса проведения лабораторных работ.

ABSTRACT

This article presents the development of a wavefront computing system, which is also called a wavefront array processor or wave processor. The process of laboratory work is analyzed, the design of the system is briefly presented and demonstrated MVP. The results obtained emphasize the importance of the emulator being developed and its potential for improving and automating the laboratory work process.

Ключевые слова: вычислительная система волнового фронта, волновой процессор, управление потоком данных, самосинхронизация.

Keywords: wavefront array processor, data flow control, self- synchronization.

Волновые матричные процессоры (wavefront array processors) — это особая разновидность систолических вычислительных систем.

Как известно, архитектура классических систолических вычислительных систем базируется на глобальной синхронизации всех процессорных элементов (ПЭ) посредством единого тактового сигнала, который распространяется по всему массиву процессоров. Однако при масштабировании системы до значительного количества ПЭ возникает проблема временных задержек распространения тактовых импульсов. Особенно остро эта проблема проявляется при реализации массива на одной большой интегральной схеме, где межсоединения между элементами физически миниатюрны и обладают повышенной паразитной ёмкостью, что усугубляет рассогласование фаз тактовых сигналов. Для преодоления этих трудностей применяются самосинхронизирующиеся схемы управления, при которых каждый процессорный элемент самостоятельно инициирует выполнение очередной операции в момент поступления необходимых операндов. Таким образом, вычислительные системы волнового фронта представляют собой узкоспециализированный подкласс потоковых архитектур.

Отказ от централизованной синхронизации позволяет устранить непроизводительные простои, повысить общую производительность массива, хотя и требует усложнения аппаратной логики отдельных процессорных элементов.

Ключевой особенностью волновых процессорных массивов является сочетание параллельного и конвейерного принципа обработки информации с асинхронной передачей данных между элементами. Координация обмена осуществляется посредством асинхронного протокола «рукопожатия» (handshake): передающий ПЭ, завершив вычисления, сначала направляет соседнему элементу запрос на передачу данных. Если соседний ПЭ готов принимать данные, то происходит передача информации.

В отличие от классических систолических структур, где вычислительные фронты распространяются по массиву синхронно и образуют строго прямолинейные траектории, в волновых системах фронты могут принимать криволинейную, деформированную форму. Их конфигурация динамически изменяется во времени в зависимости от локальных задержек выполнения операций в отдельных ПЭ и от моментов поступления входных данных на каждый элемент.

По сравнению с систолическими ВС массивы волнового фронта обладают лучшей масштабируемостью, проще в программировании и характеризуются более высокой отказоустойчивостью.

Теперь рассмотрим основные составляющие процесса проведения лабораторных работ в контексте изучения различных вычислительных систем:

1. Студент изучает теоретический материал по вычислительной системе;

2. Далее происходит ознакомление с основным методическим материалом по лабораторной установке, которая содержит различную информацию о том, как работать в конкретном эмуляторе;

3. Студент получает задание на лабораторную работу;

4. Реализация поставленной задачи в рамках эмулятора вычислительной системы;

5. И, наконец, сдача лабораторной работы.

Рисунок 1. Диаграмма состояний

В целом процесс довольно простой и устоявшийся, но при этом можно заметить, что при отсутствии эмулятора изучаемой вычислительной системы, студент пропускает чуть меньше 50% лабораторной работы. При этом довольно важной частью является именно работа в эмуляторе изучаемой ВС, которая формирует различные практические навыки, а также дает более явное понимание архитектуры и организации вычислений на изучаемой системе. Поэтому, часто, при отсутствии эмулятора вычислительной системы, лабораторная работа не проводится, но при этом потребность в изучении различных вычислительных систем сохраняется. В частности, вычислительные системы волнового фронта является довольно перспективными в изучении, так как относятся к узкоспециализированным потоковым системам и сочетают в себе параллельно-конвейерную обработку данных. Считается, что развитие потоковых ВС позволит уйти от существующей элементной базы(СБИС), а также существенно повысить производительность вычислений за счет нестандартной модели управления. Что, в свою очередь, будет революционным развитием вычислительной техники и откроет новые горизонты.

В итоге можно сделать вывод о том, что разработка эмулятора вычислительной системы волнового фронта имеет практическую ценность.

Перейдем к проектированию в рамках которого стоит рассмотреть различные варианты архитектур волновых процессоров. Так как вычислительные системы волнового фронта, так или иначе, являются дальнейшим развитием систолических структур, то основные архитектурные принципы можно взять именно от систолических массивов:

1. Линейная конфигурация (Рисунок 2);

2. Прямоугольная конфигурация (Рисунок 3);

3. Гексагональная конфигурация (Рисунок 4);

4. Трехмерная конфигурация (Рисунок 5).

Фактически выбор конфигурации сильно зависит от задачи, которую должна решать ВС. Так как разрабатываемая система ориентирована на работу с матрицами и векторами, была выбрана прямоугольная конфигурация.

Рисунок 2. Линейная конфигурация

Рисунок 3. Прямоугольная конфигурация

Рисунок 4. Гексагональная конфигурация

Рисунок 5. Трехмерная конфигурация

Что касается процессорного элемента, то для минимального жизнеспособного продукта будет использоваться классическая схема умножения с накоплением (Рисунок 6). А также была спроектирована структура программируемого ПЭ (Рисунок 7).

Рисунок 6. Структура процессорного элемента для умножения с накоплением

Рисунок 7. Структура программируемого процессорного элемента

На данный момент реализована демонстрационная версия эмулятора вычислительной системы волнового фронта, которая позволяет реконфигурировать архитектуру ВС, а также выполняет умножение матриц, умножение матрицы на вектор и скалярное произведение векторов. Экранные формы представлены на рисунках ниже.

Рисунок 8. Выбор конфигурации ВС

Рисунок 9. Работа с внешними модулями памяти

Рисунок 8. Процесс умножения матриц

В настоящее время, продолжается более детальная разработка приложения. Оцениваются возможности его модернизации и масштабирования.

Список литературы:

1. Орлов С. А. и Цилькер Б. Я. Организация ЭВМ и систем.
2. EVANS D.J. and BEKAKOS M.P. The solution of linear systems by the QIF algorithm on a wavefront array processor.
3. SUN-YUAN KUNG, MEMBER, IEEE, K. S. ARUN, STUDENT MEMBER, IEEE, RON J. GAL-EZER, STUDENT MEMBER, IEEE, AND D. V. BHASKAR RAO, STUDENT MEMBER, IEEE. Wavefront Array Processor: Language, Architecture, and Applications.
4. Kung H. T. Carnegie-Mellon University/ Why Systolic Architectures?