Специализированные системы с фиксированной структурой

Важность решения некоторых актуальных задач оправдывает построение специализированных вычислительных систем. В качестве яркого представителя этого класса систем можно указать систему GRAPE-6 [8], предназначенную для решения задачи взаимодействия N тел. Существующая конфигурация GRAPE-6 включает 2048 специализированных конвейерных микропроцессоров, каждый из которых имеет 6 конвейеров, используемых для вычисления гравитационного взаимодействия между частицами. GRAPE-6 представляет собой кластер, образованный из 16 узлов, объединенных коммутатором Gigabit Ethernet. Каждый узел состоит из ПК на базе микропроцессора AMD Athlon XP-1800+, функционирующего под управлением ОС Linux, и 4 специализированных плат, объединенных между собой и платами соседних узлов специальными каналами. На каждой плате устанавливается 32 специализированных кристалла GRAPE-6.

Теоретическая пиковая производительность GRAPE-6 — 63,4 трлн. оп./с. На реальной задаче по моделированию формирования внешних планет солнечной системы достигнута производительность 29,5 трлн. оп./с. Для сравнения, кластер Green Destiny, который при решении на 220 универсальных микропроцессорах задачи N тел, моделирующей формирование Галактики с использованием 200 млн. частиц, показывает производительность 38,9 млрд. оп./с.

Универсальные системы с программируемой структурой

Такие вычислительные системы строятся из программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), содержащих одну или несколько матриц вентилей и позволяющих программно скомпоновать из этих вентилей в одном корпусе электронную схему, эквивалентную схеме, включающей от нескольких десятков до тысяч интегральных схем стандартной логики [9].

Основная идея архитектуры подобных вычислительных систем состоит в том, чтобы программно настроить схему, реализующую требуемое преобразование данных. В [10] приведено сравнение реализации фильтра на Alpha 21164 и Xilinx XC4085XL–09. Микропроцессор Alpha 21164 выполняет две 64 разрядных операции за такт при тактовой частоте 433 МГц, что эквивалентно производительности 55,7 бит/нс. XC4085XL-09 имеет 3136 программируемых логических блоков и минимальную длительность такта 4,6 наносекунд. Для корректного сравнения можно принять, что один программируемый логический блок реализует 1-битную арифметическую операцию. В этих предположениях производительность ПЛИС равна 682 бит/нс. Таким образом, при реализации фильтра на ПЛИС достигается производительность, в 12 раз большая, чем на микропроцессоре Alpha 21164.

Основная трудность в использовании реконфигурируемых вычислений состоит в подготовке для заданного алгоритма настроечной информации для создания в ПЛИС схемы, реализующей этот алгоритм. Естественно, поскольку ПЛИС создавались для построения электронной аппаратуры, то изготовители обеспечили, в первую очередь, системы подготовки настроечной информации на высокоуровневых языках электронного проектирования, таких, как Verilog и VHDL [11]. Однако эти языки непривычны для разработчиков алгоритмов. Сегодня в качестве языков программирования ПЛИС используются языки описания потоковых вычислений.

Компания Star Bridge Systems (www.starbridgesystems.com) производит семейство программно реконфигурируемых вычислителей Hypercomputer System HC-X и предлагает комплексное решение для организации реконфигурируемых вычислений (рис. 1). Старшая модель семейства, суперкомпьютер HC-98m, состоит из управляющего компьютера и двухплатного программно реконфигурируемого вычислителя, включающего 14 ПЛИС Virtex-II серии 6000 и 4 Virtex-II серии 4000. В совокупности это составляет 98 млн. вентилей. После включения питания первая ПЛИС программируется из постоянного запоминающего устройства на плате. В этой ПЛИС формируется порт шины PCI-X, через который управляющий компьютер будет, используя среду разработки программ Viva, программировать остальные ПЛИС.

Рис. 1. Структура узла универсальной вычислительной системы, построенного на ПЛИС