Антошина И.В., Котов Ю.Т. Микропроцессоры и микропроцессорные системы (аналитический обзор)

Подождите немного. Документ загружается.

211

заголовок пакета и дешифруется его адрес. Затем, если требуе-

мый физический коммуникационный канал свободен, остальная

часть пакета посылается напрямую от входа к выходу потоком, без

всякой буферизации.

Это означает, что заголовок пакета должен попасть в новый

узел коммутации в то время, как тело пакета еще проходит через

предыдущие узлы коммутации. В

действительности, в сетях сред-

него размера, заголовок пакета может вообще не появиться от пе-

редающего абонента полностью, он достигнет пункта назначения

еще до того, как абонент завершит его передачу. В результате, от-

крывается сквозной канал от передающего абонента к принимаю-

щему, пока данные передаются непрерывно, и который закрыва-

ется, как

только конец пакета "протянется" через канал. Аналогия

с червячным каналом была выбрана из наблюдения за червяком,

прокладывающим канал в песке, который закрывается снова за его

хвостом.

В каждый момент времени, через промежуточный узел

маршрутизации червячного канала может проходить только один

пакет, поэтому любые другие пакеты, которым требуется этот

узел, будут ожидать

, пока узел не очистится. Итак, давая хорошую

стратегию маршрутизации, червячный канал относится к каналам

с очень малым временем ожидания, и он подразумевает, что чипу

С104 нужен только 1-2 байтовый буфер для заголовков вместо бу-

фера под целый пакет.

Червячный канал маршрутизации в общем невидим для со-

общений посылающих и принимающих абонентов,

поскольку он

создается на аппаратном уровне ниже механизма синхронизации

посылки/подтверждения.

Полная маршрутная стратегия требует решения алгоритма

маршрутизации пакета, опираясь на адрес, содержащийся в его за-

головке, т.е. какой канал будет открыт для передачи пакета. Алго-

ритмы маршрутизации являются хорошо изученной областью бла-

годаря их колоссальной важности для индустрии передачи

сооб-

щений. Хороший алгоритм маршрутизации должен быть завер-

шенным (т.е. он должен гарантировать, что каждый переданный

пакет в результате достигнет абонента), не содержать в себе взаи-

моблокировок (dead-lock), должен быть оптимальным (т.е. пакеты

212

должны следовать по кратчайшим маршрутам) и малоизбыточ-

ным (т.е. пакетыдолжны иметь короткие заголовки).

Он также должен быть масштабируемым (т.е. хорошим для

сетей любого размера) и многосторонним (т.е. хорошим для любой

топологии сети). Вдобавок, если он предназначен для работы на

недорогом, быстром оборудовании, хороший алгоритм маршрути-

зации должен быть

простым. Простота вдвойне важна, когда вы

используете быстрый маршрутизатор червячного канала, во избе-

жание ухудшения времени ожидания сети. Не существует алго-

ритмов, полностью удовлетворяющих всем этим требованиям.

Одним стандартным решением является таблица маршрути-

зации, которая включает в себя в виде списка все узлы сети и все

их соединения, подобно телефонному

справочнику; этот алгоритм

является завершенным, оптимальным и многосторонним, но не

дешевым, быстрым или масштабируемым. Другим общим реше-

нием является побитное разрушение, в котором каждый узел сети,

которого достигает сообщение, "глотает" один бит из заголовка

сообщения; этот алгоритм является завершенным, дешевым, быст-

рым и оптимальным, но не многосторонним или масштабируемым,

поэтому он

предназначается для структуры типа двоичное дерево

фиксированного размера.

INMOS избрал сравнительно новый алгоритм, называемый

интервальной маршрутизацией (рис.50), который является завер-

шенным, свободным от взаимоблокировок, недорогим, быстрым и

масштабируемым, могущим быть близким к оптимальному или

многосторонним, в зависимости от того, как он используется. Ка-

ждый транспьютер (или другой узел назначения, такой, как

межсе-

тевой шлюз или переферийный чип) маркируется номером, так

сеть из N транспьютеров будет маркирована 0,1,2... N-1. Этот но-

мер используется как адрес назначения в заголовках пакетов.

В каждом переключателе маршрута каждый физический

коммуникационный канал маркируется интервалом возможных

величин заголовка, и пакеты передаются через тот канал, интервал

которого попадают величины их заголовков.

Описание

интервала (0,3) должно интерпретироваться как

указание на то, что величина заголовка пакета должна больше или

равна 0 и меньше 3, для того, чтобы лежать в этом интервале. Ин-

213

тервалы не перекрываются и пронумерованы так, что каждый

заголовок попадает только в один интервал.

Рис. 50

В результате каждый интервал говорит: "В этом направле-

нии лежит часть сети, содержащая все указанные в интервале но-

мера процессоров". Для разработчика аппаратуры привлекатель-

ность метода интервальной маршрутизации заключается в том, что

он может быть применен для маршрутизации пакета с использова-

нием одной единственной операции сравнения. Так логика чипа

С104 состоит чуть больше, чем из пары компараторов и инте-

гральных регистров на каждый физический коммуникационный

канал. Чип С104 может использовать одноили двухбайтовые заго-

ловки, поэтому в одиночной сети может быть маршрутизировано

до 65536 транспьютеров.

214

Хотя схема интервальной маршрутизации может быть

гарантирована от взаимоблокировок, она может стать жертвой го-

рячих точек. Когда слишком много сообщений маршрутизировано

через один узел сети, большинство доставляемых пакетов остано-

вится на непредсказуемый интервал времени, решающим образом

снижая скорость прохождения через узел, такой узел сети называ-

ется горячей точкой. Эта проблема сильно

отличается от взаимо-

блокировки, которая является логической ошибкой и результат ко-

торой бесконечное ожидание сообщения, это скорее свойство то-

пологии сети и алгоритма маршрутизации, чем применения. Для

любой топологии сети, как вы можете догадаться, вероятно най-

дется алгоритм применения, который может порождать горячие

точки.

Можно избежать горячих точек равномерным распределе-

нием сетевого трафика, и можно запрограмировать чип С104 для

выполнения этого распределения. Маршрутизация становится

двухфазным процессом, в первой фазе которого пакет посылается

в случайно выбранный узел сети, а из этого узла сообщение пося-

лается к его пункту конечного назначения - схема называется уни-

версальная маршрутизация.

Очевидно, что универсальная маршрутизация увеличит

время ожидания

в сети и ограничит ее максимальную пропускную

способность, но использование этого алгоритма гарантирует, что

наихудшая производительность сети будет не сильно отличаться

от максимальной. С горячими точками наихудшая производитель-

ность сети может ухудшиться на порядки, и фактор дешевизны се-

ти перестает играть роль вследствие непригодности сети для рабо-

ты. Физически схема

универсальной маршрутизации добавляет

дополнительный случайный заголовок в начале каждого пакета,

который удаляется снова внутри случайного промежуточного узла

сети.

Несмотря на то, что механизм виртуальных каналов вызы-

вает наибольший интерес, процессор содержит ряд других улуч-

шений для облегчения жизни разработчиков операционной систе-

мы и для улучшения поддержки языков, таких как С и АДА.

Подобно существующему Т800, чип будет иметь встроен-

ный сопроцессор плавающей точки (FPU) и четыре физических

215

коммуникационных канала. Ядро процессора будет иметь

встроенное кеширование и контроллер DRAM, который будет

поддерживать адресные режимы статической памяти. Эти воз-

можности в счетании сулучшеной технологией изготовления дают

перспективу достижения пиковой производительности в 100 млн.

операций в секунду и 20 млн. операций с плавающей точкой в се-

кунду. INMOS планирует объединить схему защиты памяти, что

позволит

каждому процессору иметь доступ к четырём областям

памяти. Эти защищённые области могут быть использованы для

программ, данных, стека и динамической области памяти при

применении операционных систем типа UNIX.

8.6.7. МВС – 1000

МВС-1000 — система 3-го поколения, разработанная в Рос-

сии фирмой «Квант». Она основана на использовании микропро-

цессоров Alpha 21164 (разработка фирмы DEC-Compaq; выпуска-

ется также заводами фирм Intel и Samsung) с производительностью

до 1-2 млрд. операций в секунду и присоединенной оперативной

памятью объемом 0,1-2 Гбайт.

Мультипроцессорный массив системы с блоками вторично-

го электросилового питания и вентиляцией располагается в стой

ках размером 550x650x2200 мм3 промышленного стандарта; вес

заполненной стойки — 220 кг, потребляемая мощность до 4 кВт.

Система МВС-1000 с производительностью до 1 TFLOPS состоит

из 8 стоек (512 узлов).

Система реализуется в двух модификациях: на базе «транс-

пьютероподобного» связного микропроцессора TMS320C44 (фир-

ма Texas Instruments), имеющего 4 канала с пропускной способно-

стью каждого — 20 Мбайт/с, либо на базе связного микропроцес-

сора SHARC ADSP 21060 (

фирма Analog Devices), имеющего 6

внешних каналов с пропускной способностью каждого — 40

Мбайт/с.

Исполнение МВС-1000К отличается использованием для

межпроцессорного обмена коммутационной сети MYRINET (фир-

ма Myricom, США) с пропускной способностью канала в дуплекс-

ном режиме 2x160 Мбайт/с. Кроме того, предусмотрено подклю-

216

чение к каждому процессору памяти на жестком диске с объе-

мом 2-9 Гбайт. В стандартной стойке располагается до 64 процес-

соров системы МВС-1000 или 24 процессоров системы МВС-

1000К. Предусмотрены средства системного объединения стоек

для установок с большим числом процессоров.

Процессорные узлы связаны между собой по оригинальной

схеме, сходной с топологией двухмерного тора (

для 4-линковых

узлов). Структурный модуль (рис.51) состоит из 16 вычислитель-

ных модулей (ВМ), образующих матрицу 4x4. При этом четыре

угловых элемента матрицы соединяются через транспьютерные

линки по диагонали попарно. Оставшиеся 12 линков преднзанача-

ются для подсоединения внешних устройств (4 линка угловых

ВМ) и соединений с подобными модулями. Максимальная длина

пути в таком структурном модуле равна

трем (против шести в ис-

ходной матрице 4x4).

Рис.51

Конструктивным образованием МВС-1000 является базо-

вый вычислительный блок, содержащий 32 вычислительных мо-

дуля (рис.52). Максимальная длина пути между любыми между

любыми из 32 вычислительных модулей равна пяти, как в булев-

ском гиперкубе. При этом число свободных линков после ком-

плектации блока составляет 16, что позволяет продолжить проце-

217

дуру объединения. Возможна схема объединения двух базовых

блоков в 64-процессорную систему, которая приведена на рис. 53.

Рис. 52 Рис.53

Для управления массивом процессоров и внешними устрой-

ствами, а также для доступа к системе извне используется так на-

зываемый хост-компьютер (управляющая машина). Обычно это

рабочая станция AlphaStation с процессором Alpha и операционной

системой Digital Unix (Tru64 Unix) или ПК на базе Intel с операци-

онной системой Linux.

Начиная с 1999 года, все вновь выпускаемые МВС-1000

строятся

как кластеры выделенных рабочих станций. Это означает,

что, в отличие от ранних версий МВС-1000, в качестве вычисли-

тельного модуля используются не специализированные ЭВМ,

предназначенные только для применения в качестве деталей су-

перкомпьютерной установки, а обычные, универсальные персо-

нальные компьютеры. Соответственно, и в качестве коммуникаци-

онной аппаратуры используются не специализированные «транс-

пьютероподобные

» процессоры, а обычные сетевые платы и ком-

мутаторы, применяемые для построения офисных локальных се-

тей. Такой подход стал не только возможным, но и единственно

218

оправданным, по мере совершенствования коммуникационной

аппаратуры общего назначения, в первую очередь, с появлением

современных сетевых коммутаторов.

В качестве базовой ОС узла используется Linux, что являет-

ся, фактически, общепринятым мировым стандартом для построе-

ния систем такого класса. Это позволило многократно расширить

и упростить, по сравнению с ранними версиями МВС-1000, адап-

тацию самого разнообразного

программного обеспечения, как сво-

бодно распространяемого, так и коммерческого.

8.6.8. Молекулярные компьютеры.

Ученые из Калифорнийского университета в Лос-

Анджелесе, работающие в составе группы Hewlett-Packard, заяви-

ли о создании молекулярных переключателей, которые способны

функционировать как элементы памяти.

Над созданием систем нового поколения исследователь-

ские группы таких крупных корпораций, как IBM и Hewlett-

Packard, работают

уже давно. Hewlett-Packard специализируется на

создании молекулярных, а IBM - квантовых компьютеров.

Преимущества молекулярных компьютеров состоят в чрез-

вычайно малых размерах и в мизерном количестве потребляемой

энергии. В отличие от обычных компьютеров, в молекулярных,

вместо кремниевых транзисторов, используются молекулы. Ранее

та же группа исследователей смогла заставить молекулы ротаксана

переходить из одного состояния в

другое. Таким образом, можно

было реализовать постоянное запоминающее устройство, вроде

CD-ROM диска.

Использование молекулярных элементов для записи ин-

формации открывает новые физические возможности повышения

эффективности вычислительных систем. Это объясняется сущест-

венным уменьшением потерь энергии на выполнение одной логи-

ческой операции, массовым параллелизмом, высокой плотностью

записи информации вплоть до 1 бита на несколько атомов.

Существует огромное число молекулярных систем, имею-

щих несколько устойчивых состояний (электрических, магнитных,

оптических, химических), в которых можно осуществлять перехо-

219

ды между этими состояниями под действием внешних факторов

(электрическое и магнитное поля, электромагнитное излучение,

химические реакции). Из таких молекул или групп молекул могут

быть сконструированы различные элементарные вычислительные

устройства. Размеры этих элементов составляют 10-50 нм и, сле-

довательно, позволяют создавать устройства с плотностью записи

до 10

бит/см

. При этом, быстродействие молекулярных элемен-

тов определяется временами электронных переходов и может дос-

тигать величин порядка 10

- 10

оп/сек. Энергопотребление внут-

римолекулярных процессов очень мало и составляет 10

-8

- 10

-10

Вт.

Перечисленные теоретически возможные преимущества

молекулярных систем известны давно, однако не было методов

создания упорядоченных молекулярных ансамблей. Одним из пер-

вых методов решения этой задачи была технология пленок Лен-

гмюра-Блоджетт.

Первые двоичные молекулярные элементы были основаны

на изменении состояния молекулярного ансамбля при воздействии

на него электрического сигнала. Одним из

таких элементов, явля-

ется молекулярная цепочка, представляющая собой чередование

потенциальных ям и барьеров. В такой цепочке возможен эффект

резонансного туннелирования. При совпадении энергии входяще-

го в цепочку свободного электрона с одним из уровней в потенци-

альной яме вероятность прохождения электрона через цепочку

равна 1. При подаче потенциала на одну из молекул, соответст

вующих квантовой яме уровни смещаются, условия резонанса на-

рушаются и цепочка становится непроводящей. На основе эффекта

резонансного туннелирования можно реализовать различные ло-

гические элементы. Для создания таких элементов используются

молекулы порфиринов, соединенные углеводородными мостика-

ми.

Для управления состоянием отдельной молекулы приме-

няют зонд туннельного микроскопа, который можно использовать

для исследований

при разработке и создании молекулярного ком-

пьютера.

Архитектура параллельных вычислительных систем, тра-

диционно используемая в разрабатываемой вычислительной тех-

нике, реализуется на основе твердотельной микроэлектронной

220

элементной базы, но совершенно очевидно, что такая архитек-

тура вполне подходит для молекулярных систем. Идея параллель-

ных вычислений открывает путь к решению двух принципиальных

проблем создания молекулярных вычислительных устройств. С

одной стороны решается проблема адресации, т.к. отпадает необ-

ходимость контакта к каждому логическому молекулярному эле-

менту. С другой стороны, многие

типы параллельных вычисли-

тельных систем устойчивы к выходу из строя определенного числа

логических элементов. Это происходит в результате технологиче-

ских дефектов молекулярных слоев, которые не приводят к выходу

из строя всей вычислительной системы, а лишь ослабляют интен-

сивность выходного сигнала.

В качестве вычислительных систем параллельного дейст-

вия представляется перспективным использование

таких природ-

ных биологических объектов, как бактериородопсин, родопсин,

фитохром, ряд ферментов и белков, а также природные нейрост-

руктуры. При использовании молекулярных структур необходимо

решить такую очень важную проблему, как стыковка биологиче-

ских молекулярных объектов с макроскопическими опто- и микро-

электронными устройствами ввода-вывода информации. В качест-

ве основного микроэлектронного объекта стыковки

элементов па-

мяти с устройствами управления можно рассматривать полевой

МДП-транзистор, затвор которого связан с молекулярным фраг-

ментом памяти. Очевидно, что при площади затвора транзистора

1 мкм

будет восприниматься суммарный отклик от большого чис-

ла молекул (10

-10

Проблему по снятию сигнала с такого количества молекул

можно решать различными методами. Одним из таких методов яв-

ляется стыковка обычных МДП полевых транзисторов с фрагмен-

тами пурпурных мембран, которые представляют собой белковые

молекулы бактериородопсина, упакованные в двухслойную ли-

пидную мембрану. Основным свойством молекулы бактериоро-

допсина является перенос протона с одной

стороны мембраны на

другую при поглощении кванта света с длиной волны 570 нм.Акт

переноса протона может быть зарегистрирован с помощью поле-

вого транзистора, в котором на месте затвора расположена пур-

пурная мембрана.