Найти

Результаты поиска

• МЕТОД ГЕНЕРАЦИИ ТОПОЛОГИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СТРУКТУР ДЛЯ РЕКОНФИГУРИРУЕМЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

  А.А. Диченко , И. И. Левин , Д.А. Сорокин

  33-46

  2025-12-30

  Аннотация ▼

  Для реконфигурируемых вычислительных систем на базе ПЛИС эффективными прикладными программами являются параллельно-конвейерные программы, обеспечивающие реальную производительность более 50% от пиковой. Статья посвящена решению проблемы сокращения времени их разработки. Вычислительные структуры таких программ используют большой объём вычислительного ресурса ПЛИС, функционирующих на  высокой тактовой частоте. Однако одновременная максимизация объёма задействованного ресурса ПЛИС и тактовой частоты находится в некотором противоречии, поскольку при большом заполнении снижается вариативность размещения функциональных узлов вычислительных структур и коммутационная матрица ПЛИС при трассировке информационных каналов между ними не обеспечивает требуемых характеристик по времени  распространения сигналов. Более того в современных САПР алгоритмы размещения и трассировки учитывают только архитектурные и геометрические особенности ПЛИС. Поэтому при использовании большого числа специализированных примитивов, вариативность размещения которых крайне мала, достижение высоких тактовых частот в автоматическом режиме синтеза практически невозможно. Для решения этой проблемы также необходимо учитывать информационные зависимости между функциональными узлами вычислительных структур, но характер информационных зависимостей решаемых задач различных предметных областей может существенно отличаться. Поэтому разработчики вынуждены каждый раз вручную размещать на ПЛИС функциональные узлы путём создания скриптовых инструкций топологических ограничений. Время формирования топологических ограничений для ПЛИС прежних поколений было приемлемым, поскольку они содержали, как правило, до нескольких сотен специализированных примитивов. Однако в современных ПЛИС их количество достигает нескольких тысяч и даже десятков тысяч штук, что приводит к значительному увеличению времени разработки эффективных прикладных программ. Предлагаемый метод позволяет автоматизировать процесс разработки топологических ограничений вычислительных структур. Исследования были проведены при разработке прикладных программ решения ряда задач на основе алгоритмов БПФ, AES и
  LU-разложения для реконфигурируемого компьютера «Tertius-2». В результате значительного сокращения временных затрат, обусловленных числом итераций оптимизации вычислительных структур, общее время синтеза было сокращено до трех раз

• СУММАТОР С ПЛАВАЮЩЕЙ ЗАПЯТОЙ В ЦИФРОВЫХ ФОТОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ

  Д.А. Сорокин , И.И. Левин

  168-178

  2025-11-10

  Аннотация ▼

  В рамках предлагаемой авторами концепции структурной организации вычислений в цифровых фотонных вычислительных устройствах необходимо использовать последовательную обработку информации, что позволяет минимизировать скважность подачи операндов из внешней памяти или других электронных источников на фотонное устройство. Это становится возможным, когда обработка операндов не превышает число тактов, равное их разрядности. Кроме того, при последовательной поразрядной обработке значительно снижаются аппаратные затраты на синхронизацию потоков данных. Устранение скважности и снижение накладных расходов на реализацию вычислительных структур в значительной степени способны повысить эффективность цифровых фотонных вычислительных устройств относительно электронных. Однако для создания фотонных вычислительных структур, ориентированных на решение различных трудоёмких задач из таких областей, как математическая физика, линейная алгебра, нейросетевая обработка и многих других, необходимы устройства, реализующие базовые арифметические функции в формате плавающей запятой. Большинство таких арифметических функций содержит элементарную операцию целочисленного сложения. При последовательной обработке операндов младшими разрядами вперёд в двоичной форме представления устройства целочисленного сложения не могут начать выдавать результат до тех пор, пока не будут обработаны все биты информации для учёта переноса, что увеличивает в два раза скважность подачи операндов и латентность устройства. Поэтому для устранения скважности и сокращения латентности предлагается использовать четверичную знакоразрядную форму представления чисел и подавать операнды старшими разрядами вперёд. Применение знакоразрядной формы представления чисел позволяет выполнять  немедленную передачу старших разрядов результата операции для дальнейшей обработки в следующие устройства, не дожидаясь получения младших разрядов. В статье рассматриваются вопросы построения всех компонент знакоразрядного сумматора с плавающей запятой: блока  определения разности порядков, блока денормализации мантиссы меньшего числа, сумматора мантисс, блока нормализации мантиссы результата и блока коррекции порядка результата. Приведены алгоритмы функционирования данных блоков. Оценка эффективности предлагаемого  знакоразрядного сумматора выполнена на макете, разработанном в базисе цифровой фотонной логики на реконфигурируемом компьютере «Терциус». Показано, что  за счёт величины тактовой частоты работы цифровые фотонные вычислительные устройства способны обеспечить производительность почти на два десятичных порядка больше по сравнению с микроэлектронными устройствами

• МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ ТОПОЛОГИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ ПРИ ВЫСОКОЙ УТИЛИЗАЦИИ РЕСУРСОВ ПЛИС

  К.Н. Алексеев , Д.А. Сорокин , А.Л. Леонтьев

  2022-11-01

  Аннотация ▼

  Рассмотрена проблема достижения высокой реальной производительности реконфи-
  гурируемых вычислительных систем при решении вычислительно трудоёмких задач различ-
  ных предметных областей. Величину реальной производительности реконфигурируемых сис-
  тем определяют параметры выполняемых на них программ, основной компонентой которых
  являются вычислительные структуры обработки данных, реализованные в виде конфигура-
  ционных файлов ПЛИС. При этом одним из ключевых параметров любой вычислительной
  структуры является тактовая частота ее работы, которая непосредственно влияет на её
  производительность. Однако достижение высоких тактовых частот сопряжено с рядом
  проблем, которые современные средства САПР не решают. Причина кроется в неоптималь-
  ном топологическом размещении функциональных узлов вычислительной структуры на поле
  примитивов ПЛИС, особенно при высокой утилизации ресурсов. Это приводит к повышенной
  нагрузке на коммутационную матрицу ПЛИС и, как следствие, связи между примитивами
  ПЛИС, имеющими функциональную зависимость, оказываются значительно длиннее, чем
  это допустимо. Кроме того, излишняя длина связей наблюдается при трассировке соедине-
  ний между примитивами, которые расположены на разных кремниевых кристаллах ПЛИС
  или же физически разделены встроенными периферийными устройствами. В настоящей
  статье описывается методика, которая позволяет рационализировать размещение элемен-
  тов вычислительной структуры на поле примитивов ПЛИС, минимизировать длину трасс
  между примитивами, а также минимизировать число трасс между физически разделенны-
  ми топологическими областями ПЛИС. Работоспособность предложенной методики пока-
  зана на примере решения тестовой задачи «КИХ-фильтр» на реконфигурируемом компьюте-
  ре «Терциус». Проиллюстрированы основные проблемы при достижении целевой тактовой
  частоты и описан способ их преодоления. Применение методики позволило увеличить так-
  товую частоту и тем самым поднять производительность «Терциус» на 25% без перера-
  ботки функциональной схемы вычислительной структуры задачи. Текущие исследованияэффективности предложенной методики позволяют утверждать, что автоматизирован-
  ные средства создания топологических ограничений на её основе позволят существенно со-
  кратить время разработки программ с требуемыми характеристиками для реконфигури-
  руемых вычислительных систем.

• ОБЗОР МОДЕЛЕЙ КОММУТАЦИОННЫХ ПОДСИСТЕМ ЦИФРОВЫХ ФОТОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

  Д.А. Сорокин , А.В. Касаркин

  2024-11-10

  Аннотация ▼

  Рассматриваются варианты организации подсистемы коммутации цифровых фотонных
  вычислительных устройств, основной задачей которой является обеспечение возможности орга-
  низации эффективных вычислений при решении задач различных проблемных областей. По мнению
  авторов, цифровые фотонные вычислители должны обрабатывать информацию в структурной
  парадигме вычислений. Данная парадигма принципиально отличается от классической фон-
  Неймановской парадигмы, поскольку в ней передача данных между функциональными элементами
  не расторжима с обработкой. Поэтому проблематика построения подсистемы коммутации в
  разрабатываемых цифровых фотонных вычислительных устройствах – одна из ключевых. Данная
  подсистема должна обрабатывать информационные зависимости между выполняемыми опера-
  циями не только во времени, но и в пространстве. Только в этом случае обработка данных в фо-
  тонных вычислительных системах будет выполняться с производительностью, превосходящей на
  два и более десятичных порядка производительность самых современных электронных вычисли-
  тельных систем. Рассматриваются вопросы обеспечения потокового обмена данными между
  функциональными устройствами в цифровом фотонном вычислителе. Авторы разработали и
  проанализировали в базисе фотонной логики модели коммутационных устройств и способы орга-
  низации коммутационной подсистемы при выполнении последовательной обработки данных.
  В ходе исследований было установлено, что структурная организация вычислений в цифровых
  фотонных вычислителях возможна при обеспечении обмена данными посредством пространст-
  венной коммутации входных и выходных каналов функциональных устройств. При реализации
  цифровых фотонных вычислителей как универсальных устройств, ориентированных на широкий
  класс задач, наиболее удобными для организации вычислительных структур будут иерархический
  и иерархическо-кольцевой варианты подсистемы коммутации. Однако данные варианты харак-
  теризуются высокими накладными расходами на построение коммутаторов. Поэтому в проблем-
  но-ориентированных фотонных вычислителях, предназначенных для решения сильносвязанных
  задач с высокой удельной производительностью, более предпочтительно применение ортогональ-
  ной или тороидальной подсистемы коммутации. В этом случае должна обеспечиваться непосред-
  ственная пространственная коммутация между функциональными устройствами одной группы, а также между группами. Данные варианты характеризуются более высокими требованиями к
  качеству формирования физических каналов между коммутаторами и функциональными устрой-
  ствами, а также между самими коммутаторами.

• АРХИТЕКТУРА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ЦФВМ

  И.И. Левин , Д.А. Сорокин , А.В. Касаркин

  2024-01-05

  Аннотация ▼

  Статья посвящена проблемам развития цифровых фотонных вычислительных ма-
  шин, которые наряду с квантовыми компьютерами являются одним из возможных спосо-
  бов преодоления кризиса производительности вычислительной техники. Реализация обра-
  ботки данных в цифровых фотонных вычислительных машинах на частотах терагерцово-
  го уровня потенциально обеспечивает производительность, превосходящую на два и болеедесятичных порядков производительность самых современных вычислительных систем.
  Современные исследования говорят о перспективности развития цифровой фотоники, спо-
  собной обеспечить производительность, существенно превосходящую производительность
  микроэлектронных вычислителей при одинаковой точности вычислений. При этом в большей
  степени усилия исследователей направлены на создание цифровых фотонных логических эле-
  ментов, в то время как вопросы архитектуры рассматриваются весьма поверхностно. Ав-
  торы рассматривают проблемы разработки архитектуры цифровой фотонной вычисли-
  тельной машины, которая могла бы обеспечить решение широкого класса вычислительно
  трудоёмких задач в структурной парадигме. Показано, что для использования данной пара-
  дигмы вычислений подсистема синхронизации и коммутации должна иметь иерархичекую
  топологию с возможностью настройки информационных связей как в процессе программи-
  рования фотонной машины, так и в процессе решения задач. Рассматриваются принципы
  обеспечения быстродействия и точности решения задач на цифровой фотонной вычисли-
  тельной машине при выбранном способе представления данных. Авторы разработали в бази-
  се фотонной логики модели функциональных устройств основных арифметических операций:
  сложения и умножения в стандарте IEEE 754. Устройства реализованы по схеме линейного
  конвейера с обработкой младшими разрядами вперёд. В отличие от традиционной микро-
  электроники предлагаемый подход к построению конвейерных функциональных устройств
  не предполагает использование регистров-защёлок, реализация которых в цифровой фотон-
  ной логике приводит к избыточным аппаратным затратам. Также при построении вычис-
  лительных схем ограничен коэффициент разветвления аппаратных информационных связей
  между логическими элементами, что позволит снизить проблему затухания сигналов.
  На ПЛИС выполнено макетирование разработанных функциональных устройств сложения и
  умножения и оценена производительность реализуемых на ЦФВМ вычислительных струк-
  тур, подобных структурам, возникающим в задачах математической физики при выполне-
  нии операций типа «умножение матрицы на вектор».

• ПЕРСПЕКТИВНАЯ АРХИТЕКТУРА ЦИФРОВОЙ ФОТОННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

  И.И. Левин , Д. А. Сорокин , А. В. Касаркин

  2023-02-27

  Аннотация ▼

  Высокоэффективное решение современных трудоёмких задач математической фи-
  зики требует постоянного наращивания производительности используемых вычислитель-
  ных средств. Однако в настоящее время развитие их элементной базы замедляется в силу
  ограничений, накладываемых технологическими, производственными и эксплуатационными
  процессами. Один из вариантов преодоления кризиса роста производительности вычисли-
  тельной техники заключается в развитии цифровых фотонных вычислительных машин
  (ЦФВМ). Предлагаемая авторами архитектура ЦФВМ состоит из функциональной под-
  системы, подсистем синхронизации и коммутации потоков данных и фотонно-
  электронных интерфейсов обмена данными с внешними устройствами. Изложены принци-
  пы работы каждой подсистемы. Функциональная подсистема представляет собой сово-
  купность устройств ЦФВМ, обеспечивающих выполнение арифметико-логических опера-
  ций в формате 64-разрядной плавающей запятой стандарта IEEE754 и реализованных по
  схеме линейного конвейера с обработкой младшими разрядами вперёд. Подсистема син-
  хронизации обеспечивает единый темп потоков данных между различными функциональ-
  ными устройствами ЦФВМ, объединёнными в вычислительную структуру. Подсистема
  коммутации на этапе программирования ЦФВМ или в процессе решения задачи при выпол-
  нении условных переходов управляет потоками данных в соответствии с топологией вы-
  числительной структуры. Для обмена данными ЦФВМ с внешними устройствами предла-
  гается применение технологии сериализации низкочастотных параллельных каналов и де-
  сериализации высокочастотных последовательных каналов. Приведены теоретические
  оценки производительности реализуемых на ЦФВМ вычислительных структур, подобных
  структурам, возникающим в задачах математической физики при обработке специальных
  матриц. Показано, что ЦФВМ за счёт величины тактовой частоты работы способны
  обеспечить производительность на два и боле десятичных порядка больше по сравнению с
  микроэлектронными устройствами.

• СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРОПУЩЕННЫХ ДАННЫХ

  А. А. Сорокин , А. В. Дагаев , И. М. Бородянский

  2020-11-22

  Аннотация ▼

  В последние десятилетия качественно развиваются методы системного анализа,
  что связано с увеличением скорости технического развития, уплотнением временных про-
  цессов, быстрым ростом накапливаемой информации и новыми возможностями вычисли-
  тельной техники. К этим методам относятся методы анализа большого объема данных,
  методы добычи данных, методы аналитического моделирования, методы параллельной
  обработки данных, нейросетевые методы, методы прогнозирования и другие. Представ-
  ленные методы позволяют быстро и качественно обрабатывать разнородные кластеры
  информации, аккумулировать и синтезировать данные, обобщать и классифицировать
  информацию. К последним из представленных методов относятся методы интерполяции и
  экстраполяции потерянной, поврежденной или неполученной информации. Данные методы
  позволяют структурировать, восстанавливать и моделировать информацию на основе
  статистических данных, математических и алгоритмических методов. Таким образом в
  статье рассматривается проблема восстановления пропущенных данных в графических и
  сложных объектах. Приводятся литературные источники по рассматриваемым задачам.
  В них приводится обширная информация по рассматриваемой тематике: представлены
  генетические алгоритмы используемые для пространственной интерполяции; рассмотре-
  но решение задач неоднородности интерполяции сейсмических данных; описано использование сплайн-аппроксимации для расчета характеристик нелинейных электронных компо-
  нентов; разобран метод построения модели трехмерных параметрических рациональных
  тел с помощью обобщенной интерполяции Безье, что позволяет моделировать форму тела
  и анизотропное пространство; описаны методы применяющие нечеткие линейные уравне-
  ния, которые широко распространены в компьютерном зрении; исследован метод адап-
  тивной интерполяции на основе градиента учитывающий локальный градиент исходного
  изображения. В статье выполняется сравнение нескольких распространенных методов
  интерполяции и реставрации данных, таких как: билинейная интерполяция, поверхность
  Безье. Кратко описывается каждый метод и особенности его применения в рамках прове-
  денного эксперимента. Приводится результат серии экспериментов с представленными
  методами с различным количеством испытаний. В заключении делаются выводы о рацио-
  нальности выбора одного из предложенных методов без применения длительного натурно-
  го эксперимента в каждом случае