Всеволод Сергеевич Бурцев Параллелизм вычислительных процессов и развитие архитектуры суперэвм м, 1997

лазера попадает в устройство статической коммутации и затем в фотоприемник выбранного канала линейки фотоприемников.

Устройство статической коммутации в данном случае выполняет функции объединения излучений одноименных лазеров всех N передающих направлений. Это устройство в зависимости от конкретных требований может быть выполнено как на базе средств геометрической оптики, так и с помощью объемных или плоских голограмм.

Рис.17. Одноканальный статический коммутатор.

Возможно, более простым решением будет использование оптоволоконных и оптических шайб. Если на передающей стороне иметь матрицу, состоящую из m линеек лазеров, а на приемной стороне соответствующую матрицу фотоприемников, то можно за один цикл работы коммутатора передавать m- разрядное

96

В.С.Бурцев. Использование оптических средств обработки информации в архитектуре суперЭВМ

слово. В этом случае матрица лазеров, наряду с управлением по столбцам от дешифратора каналов, должна управляться по строкам от разрядов регистра передаваемого данного. Схема одноканального m-разрядного коммутатора приведена на Рис.17.

Схема коммутации, представленная на Рис.18, базируется на управляемом по частоте и по запуску лазере.

Рис.18. Коммутатор, использующий частотное разделение каналов.

Предполагается, что лазер запускается оптическим сигналом, выходящим из оптоволокна входного канала. Необходимая коммутация входного канала задается кодом входного канала, указанным на регистре управления (РУк). В зависимости от сигнала, выходящего со схемы дешифратора ДШ, задается частота генерации лазера.

Выходящие с лазеров импульсные последовательности, "окрашенные" различными частотами, объединяются в одном волокне, либо пучком волокон передаются на одну или N голограмм, которые разделяют информацию по частоте и направляют на соответствующие фотоприемники ФП выходных каналов.

Разработка управляемых по частоте полупроводниковых лазеров в настоящее время ведется в ряде физических институтов РАН.

2.5. Мультиплексоры и демультиплексоры

Описанные выше схемы коммутаторов предполагают предварительное сжатие информации в канале, используя широкополосные возможности оптики. Другими словами, там, где полупроводниковая техника для обеспечения пропускной

способности информации вынуждена работать параллельным кодом, оптика имеет возможность работать последовательным кодом, существенно упрощая проблемы коммутации данных в суперЭВМ.

Мультиплексоры и демультиплексоры работают как на принципе временного уплотнения канала, так и на принципе частотного уплотнения. Пример временного принципа уплотнения канала показан на схеме Рис.19.

Рис.19. Мультиплексор и демультиплексор с временным уплотнением.

Уплотнение сигнала происходит за счет разной временной задержки в оптоволокне на передающей стороне и восстановления этой задержки в обратном порядке на приемной стороне. На передающей стороне, перед выдачей сигнала в оптоволокно, задержка с каждым разрядом увеличивается на т, а на приемной стороне задержка сигнала с каждым разрядом уменьшается на т. При этом задержка сигнала на первом разряде на приемной стороне соответствует задержке на последнем разряде передающей стороны. Синхронизирующие импульсы запускают лазеры, управляемые от кодовых разрядов и те же синхронизирующие импульсы стробируют в фотоприемниках приходящую световую информацию Фактически, лазеры выполняют функцию выходных вентилей, а фотоприемники - входных вентилей на приемном конце. Выдаваемые с каждого выходного лазера световые импульсы объединяются и передаются по оптоволокну на приемный конец, где равномерно разводятся по всем фотоприемникам.

Рис.20. Мультиплексор и демультиплексор с частотным уплотнением.

Работа мультиплексора и демультиплексора на принципе частотного уплотнения (Рис.20) ничем не отличается от работы коммутатора на том же принципе. Разница

98

В.С.Бурцев. Использование оптических средств обработки информации в архитектуре суперЭВМ

состоит в том, что нет необходимости управлять лазером по частоте. Каждый разряд кода управляет лазером, фиксированно настроенного на частоту. Управляющий сигнал открывает лазеры на приемном конце и те из них, триггера которых стоят в положении "1", запускаются. Импульсы со всех разрядов собираются в единую оптоволоконную линию, и на приемной стороне, посредством голограммы, дешифрируются по частоте и выдаются на фотоприемники соответствующих разрядов.

Работы по созданию уплотненных каналов передачи данных можно считать наиболее продвинутыми в настоящее время.

2.6. Тасователи

Тасователь является распределительным устройством, предназначенным для перестановки элементов вектора в соответствии с вектором индексов (вектором, каждый элемент которого содержит новый индекс соответствующего элемента обрабатываемого вектора).

В оперативной памяти векторного исполнительного устройства (памяти векторов) расположены вектора размером от 1 до 128 страниц каждый (размер страницы - 128 слов). Возможно не полное заполнение страниц элементами. Тасователь может выполнять операции как над отдельными страницами, так и над векторами в целом. Операция распределения над вектором выполняется постранично.

Индекс элемента вектора состоит из номера страницы и номера элемента в странице. Номер элемента в странице определяет физический номер модуля оперативной памяти; номер страницы в векторе определяет физический адрес внутри модуля оперативной памяти. Программно-аппаратными средствами обеспечивается постраничный вызов данных из оперативной памяти в соответствии с их виртуальными номерами.

Таким образом, на вход тасователя каждый такт подается страница элементов упорядочиваемого вектора вместе со страницей соответствующих индексов, определяющих новое место каждого элемента в странице (i_HОB) или векторе (i_HОB j_НОВ). Отсутствие индекса соответствует блокировке данного элемента (маскирование).

Возможны следующие операции:

• 
  переставить местами элементы страницы вектора в соответствии со страницей новых индексов;
  
• 
  переставить местами элементы страницы вектора в соответствии с новыми индексами другого вектора;
  
• 
  наложить маску на элементы вектора;
  
• 
  совмещение этих операций;
  
• 
  наложить одну страницу на другую с преобладанием поля одной из страниц.
  

Прежде всего необходимо реализовать устройство, на котором можно было бы достаточно легко выполнить наиболее типовую операцию над матрицей: операцию транспонирования матрицы (то есть преобразования вектора, представляющего

Простейшим способом эта перестановка может быть выполнена на относительно небольшой многопортовой регистровой памяти. Для матрицы размерностью n х n такая память может состоять их n параллельно работающих кристаллов, содержащих по n регистров каждый. В каждый кристалл осуществляется последовательная поразрядная запись одновременно n чисел, считанных из векторной оперативной памяти и принадлежащих к одной строке вектора (далее предполагается, что страница вектора совпадает со строкой матрицы).

Считывание информации с этого кристалла производится пословно в соответствии с адресом слова. За n тактов работы векторной оперативной памяти могут быть последовательно заполнены n таких кристаллов с 1-го по n-й. Считывание со всех n кристаллов производится одновременно пословно параллельным кодом и получившаяся строка записывается обратно в оперативную память таким образом, что слово, считанное из первого кристалла, пишется в оперативную память первого элемента.

Если страницы вектора, представляющие строки старой матрицы, считать из оперативной памяти последовательно в соответствии с виртуальным номером страницы и записывать последовательно в кристаллы с 1-го по n-й, то считанный с кристаллов в оперативную память вектор будет представлять собой матрицу, у которой строки поменяются местами со столбцами.

Поэтому, как основное звено устройства распределения вектора, должен функционировать вышеописанный регистровый куб памяти с соответствующим

100

у В.С.Бурцев. Использование оптических средств обработки информации в архитектуре суперЭВМ

правлением (Рис.22). В этом кубе фактически формируется результирующий вектор, который затем считывается в оперативную память.

Рис.22. Регистровый куб памяти.

Решая задачу перестановки элементов вектора в общем виде, мы должны иметь возможность переместить каждый элемент исходного вектора на некоторую новую позицию в соответствии с вектором индексов. Имея в виду постраничное хранение элементов вектора в оперативной памяти, попытаемся выполнить эту задачу постранично и поэтапно с использованием регистрового куба памяти. Для этого произведем следующую последовательность действий:

• 
  считаем из оперативной памяти страницу исходного вектора и соответствующую ей страницу вектора новых индексов;
  
• 
  посредством коммутатора К_2i направим каждый элемент страницы в соответствующий регистр куба памяти по индексу i;
  
• 
  после записи всех страниц регистра в регистровый куб, передаем каждую i-ю страницу с регистрового куба на коммутатор K_2j и упорядочиваем все ее элементы в соответствии с новым значением j. После этого через коммутатор К_2i записываем страницу в регистровый куб;
  
• 
  после того, как обработаны все страницы вектора, производим постраничную запись их из регистрового куба параллельным кодом в оперативную память.
  

Рис.23. Регистр куба.

101

После того, как информация из К_2i поступает в регистр куба, она передается в спаренный с ним регистр, выдающий информацию на К_2j. В том случае, если спаренный регистр занят, возникает прерывание и запускается работа второго коммутатора по всей этой странице регистрового куба. После работы К_2j , информация записывается через К_2i обратно в ту же строку регистрового куба.

Можно оценить время работы тасователя по основным операциям над матрицами. Так, операция транспонирования матрицы размерностью n займет время, равное t₁ = 2nТ_ОП + nТ_К2i, где Т_ОП - время одного цикла оперативной памяти, а T_К2i - время работы коммутатора К_2i вместе с временем записи данных в регистровый куб.

Перестановка элементов вектора в соответствии с вектором индексов в самом общем случае займет время, равное:

t₂ = 3nТ_ОП + n(T_K2i + T_K2j) + 2X(T_K2i + T_K2j), (3)

где T_K2j - время работы коммутатора K_2j, a X - число конфликтных ситуаций, возникших при перестановке.

Необходимо отметить, что традиционно программно-аппаратными средствами задача перестановки элементов матрицы в соответствии с заданными индексами, займет время более, чем:

3n² ( Т_оп + Т_опер),

где Т_опер - время выполнения короткой операции на процессоре.

Таким образом, тасователь позволяет (при n = 100) на два порядка сократить время выполнения этой операции, широко распространенной при работе с векторами, и значительно снизить количество передач данных между ассоциативной памятью и оперативной памятью векторного исполнительного устройства. Предполагается, что эта векторная операция довольно быстро выполняется на скалярном процессоре с ассоциативной памятью.

Заключение

Суммируя результаты анализа, можно построить таблицу, показывающую использование оптических средств обработки информации в различных устройствах суперЭВМ нового типа.

Таблица

Устройства	В настоящее время	Через 10 - 20 лет
Исполнительные	Полупроводники	Оптика?
устройства
(логические вентили)
Оперативная память	Полупроводники	Оптика?
Ассоциативная память	Полупроводники или оптика	Оптика
Коммутаторы	Оптика или полупроводники	Оптика

102

В.С.Бурцев. Использование оптических средств обработки информации в архитектуре суперЭВМ


На основании проведенного выше анализа построена детальная блок-схема суперЭВМ (Рис.24), позволяющая оценить возможности применения оптических принципов обработки информации в архитектуре суперЭВМ.
Исполнительные устройства

Рис.24. Схема суперЭВМ нового типа.

Как видно из Таблицы и Рис.24 процент оборудования, необходимого для построения суперЭВМ с нетрадиционной архитектурой, выполненного с использованием оптических элементов может достигать 30 - 60%.

1. 
   В.С. Бурцев. Анализ результатов испытаний МВК "Эльбрус-2" и дальнейшие пути его развития. - М., 1988. (Препринт ОВМ АН СССР N 208).
   
2. 
   В.С.Бурцев, Е.А.Кривошеев, В.Д.Асриэли, П.В.Борисов, К.Я.Трегубов. Векторный процессор МВК "Эльбрус-2". СуперЭВМ. 1989. (Сб. научных трудов ОВМ АН СССР).
   
3. 
   В.С.Бурцев. Тенденции развития суперЭВМ. Оптические принципы обработки информации в архитектуре суперЭВМ. М.,1992. (Препринт ВЦКП РАН N 24).
   
4. 
   V.S.Burtsev, V.B.Fyodorov. Associative memory of new generation super-computers based on optical information processing principles. Holography and Optical Information Processing, 1991, V. 1731, p. 201-216.
   
5. 
   Проект ОСВМ. 1993.
   
6. 
   В.С.Бурцев. Тенденции развития суперЭВМ. Вычислительные машины с нетрадиционной архитектурой суперЭВМ. М.: Наука, 1990. Сб. 1. С.3-26.
   
7. 
   V.S.Burtsev, V.B.Fyodorov. Associative memory of new generation Supercomputers based on optical information processing principles. Holography and optical information processing. 1991, vl731, P.201-206.
   
8. 
   G.Popadopoulos, D.Culler. Monsoon: an Explicit Token-Store Architecture, Sigarch Computer Architecture News vol.18, no.2, 1990.
   
9. 
   D.Culler. The Explicit Token Store, Journal of Parallel and Distributed Computing, vol.10, 289-308, 1990.
   

B.C.Бурцев, В.Б.Федоров

На Рис.1 представлена блок-схема памяти, разработанная для новой нетрадиционной архитектуры суперЭВМ.

На вход ассоциативной памяти приходит данное с соответствующим ключом. Ключ в виде аргумента поступает на вход ассоциативной памяти ключей (АПК). В случае точного совпадения ключа с одним из ключей ассоциативной памяти из нее выдается физический адрес соответствующего данного в память данных (ПД), по которому считываются необходимые данные и объединяются с данными искомого ключа. Одновременно со считыванием данных происходит их стирание в ПД и стирание соответствующего ключа в АПК. Как правило, физический адрес АПК и ПД едины для одной и той же пары ключа и данных.

В том случае, если искомый ключ отсутствует в АПК, происходит запись этого ключа из входного регистра в АПК и соответствующего ему данного в память ПД по одному и тому же физическому адресу. Типовая реализация этой блок-схемы на оптическом принципе приведена на Рис.2.

Искомый аргумент вместе с соответствующим данным отображается на управляющем транспаранте (УТ). Ассоциативной памяти ключей соответствует оптическое пространство А, а памяти данных оптическое пространство В. В соответствии с этим разбита и регистрирующая среда (PC). Шифратору физического адреса соответствует оптическая адресная система (АС). Фиксация результата ассоциативного поиска ключей производится матрицей фотоприемников (МФП₁), а регистрация считанных данных матрицей фотоприемников (МФП₂).

Рис.2. Ассоциативная память.

Хранимая в памяти информация регистрируется PC в виде прозрачных и непрозрачных участков, соответствующих записи двоичных "1" и "0". Таким же образом отображается информация на УТ.

Для выполнения при ассоциативном поиске логических операций точного совпадения кодов двоичные разряды ключевых слов хранятся в памяти в парафазном коде b_1n b_2n b_2nb_nn...b_nn, а предъявляемый аргумент поиска (ключ) кодируется светоклапанными элементами УТ инверсным парафразным кодом а₁ a₁ a₂ а₂ ... а_n а_n.

Запись информации (признаков и связанных с ними данных) производится путем передачи изображения на определенный участок PC с использованием оптической адресной системы, функции которой может выполнять, например, электрически коммутируемая матрица полупроводниковых лазеров (МПЛ). При ассоциативном поиске АС высвечивает световые пучки, соответствующие всем М физическим адресам ячеек памяти, благодаря чему изображение инверсного парафазного кода аргумента поиска проецируется на все ячейки памяти ключей, и суммарные сигналы результатов оптического сравнения этого кода с парафазными кодами хранящихся признаков фиксируются МФП₁. Если один из ассоциативных признаков совпал с аргументом поиска, то на соответствующем элементе МФП₁ сигнал будет отсутствбвать. Этот сигнал инвертируется и запускает соответствующий лазер АС, который производит считывание данных на МФП₂. В том случае, если искомый ключ не найден (все фотоприемники засвечены), происходит запись информации, находящейся на УТ в поле PC, для чего системой записи включается соответствующий лазер АС.

Из приведенной схемы работы АП видно, что наиболее принципиальной ее частью является операция ассоциативного поиска в памяти ключей (Рис.3). В тоже время именно здесь, в наибольшей степени могут использоваться характерные для оптики свойства широкополосности и широкоформатности передачи информации.

Рис.3. Ассоциативная память ключей. АС - адресная система на матрице полупроводниковых лазеров: УТ- управляемый транспарант; PC - регистрационная среда; МФП - матрица фотоприемников фиксации результата поиска; В - вентиль записи.

Фактически информация кода искомого ключа доставляется к каждому элементу ключевой памяти с сопоставлением всех разрядов каждого ключа в единой точке. Безусловно, в выполнении этих функций ассоциативной памяти оптика будет иметь преимущества перед электронными принципами обработки информации. При выполнении функций записи и считывания информации по физическому адресу, электронные принципы реализации этих функций на полупроводниковой базе в настоящее время имеют определенное преимущество