ЖУРНАЛ СТА 3/2013

70 СТА 3/2013 РАЗРАБОТКИ БЕЗОПАСНОСТЬ www.cta.ru В ВЕДЕНИЕ Задача построения суперкомпьютеров с каждым днём приобретает всё боль- шую актуальность и становится приори- тетной в передовых разработках науки и техники, что вызвано растущим спро- сом на высокопроизводительные вы- числения со стороны коммерческих, го- сударственных и научных организаций. Ключевой тенденцией в решении важнейших научно-технических задач становится непрерывное увеличение производительности вычислительных комплексов. Производительность од- нопроцессорных компьютеров практи- чески достигла предела. Возможности дальнейшего роста производительности с помощью уменьшения технологиче- ских норм практически исчерпаны. Кроме того, при увеличении плотности размещения транзисторов на кристалле значительно возрастает сложность про- цессоров, поэтому прирост производи- тельности не пропорционален затрачи- ваемым аппаратным ресурсам и энер- гии. Не помогает дальнейшее наращи- вание объёмов кэш-памяти микропро- цессоров, а также числа одновременно выполняемых команд. Заявленные про- изводителями пиковые характеристики процессоров практически недостижи- мы без низкоуровневого программиро- вания. Большинство трудоёмких вы- числительных задач выполняется на массовых микропроцессорах с низкой эффективностью, составляющей не бо- лее 10–20% [1]. Если десять лет назад компьютерному сообществу казалось, что вычислительная техника может не- ограниченно развиваться, совершен- ствуя микропроцессорные схемотехни- ческие и технологические решения, то сейчас ясно, что без кардинальной пе- рестройки архитектуры вычислитель- ной техники сохранить темп роста её производительности невозможно. Одним из способов повышения про- изводительности вычислительных си- стем является распараллеливание вы- числительных процессов. В то же время реальная производительность много- процессорных вычислительных систем, которые ориентированы на традицион- ные методы организации параллельных вычислений и представляют собой ме- ханически соединённые традиционные микропроцессоры, зачастую не превы- шает 10–15% от заявленной пиковой производительности вследствие не- обходимости реализации множества процедур межпроцессорного обмена, а также синхронизации последователь- ных процессов, выполняемых в процес- сорах системы [2]. Основная причина этого – несоответствие между жёсткой архитектурой вычислительной системы (ВС) и информационной структурой решаемых задач, из-за чего существую- щие суперкомпьютеры и работают столь неэффективно. Данный недоста- ток позволяет устранить способ по- строения ВС с гибкой, динамически пе- рестраиваемой (программируемой) ар- хитектурой [3], подстраиваемой под ин- формационную структуру конкретной задачи. Практическое внедрение дан- ной концепции сдерживалось отсут- ствием необходимой для её реализации реконфигурируемой элементной базы. В последние годы такая элементная ба- за на рынке появилась – это програм- мируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) высокой степени интег- рации. На основе ПЛИС возможно без привлечения больших финансовых за- трат создавать высокопроизводитель- ные вычислительные системы с про- граммируемой архитектурой, суще- ственно опережающие существующие аналоги по многим ключевым характе- ристикам. ПЛИС – ОСНОВНОЙ ЭЛЕМЕНТ СУПЕРКОМПЬЮТЕРА По этому пути уже идут ведущие ми- ровые производители. В то же время за- падные и отечественные производители используют ПЛИС, как правило, толь- ко в качестве сопроцессоров к стандарт- ным вычислительным узлам – универ- сальным микропроцессорам. Концеп- ция же построения ВС с программируе- мой архитектурой предполагает исполь- зовать ПЛИС в качестве базы для созда- ния реконфигурируемых вычислитель- ных систем, адаптируемых к структуре решаемой задачи. В качестве основного вычислительного элемента используют- Высокопроизводительные вычислительные системы c реконфигурируемой архитектурой, построенной на ПЛИС Артём Коновальчик В статье рассмотрены особенности построения высокопроизводительных систем на основе ПЛИС последнего поколения. Подробно раскрыты вопросы организации архитектуры комплекса, позволяющей заметно превосходить отечественные и зарубежные аналоги, а также существенно расширить спектр решаемых задач. © СТА-ПРЕСС