Диссертация (Исследование, методы разработки и создание многопроцессорных модулей доверенных вычислительных комплексов), страница 10

Этимикросхемысодержатнаборыконтроллеровдляраспространенныхинтерфейсов. Применение таких микросхем и интерфейсных разъемов всоставемногопроцессорногомодуляпридаетемуфункциональностькомпьютера на плате (on-board computer), что экономически целесообразнопри создании современных вычислительных комплексов.1.3.2 Результаты исследования завершенных разработокИсследование ставило целью проанализировать достоинства и недостаткиконструкций, в которых выпускаются основные классы многопроцессорныхвычислительных комплексов: стоечные системы (Rackmount Servers), системытипа «Евромеханика» (Eurocard slot-based systems) и системы лезвий (Bladeservers). В качестве представителей определенного класса были выбраны,соответственно, изделия МВ4С-СРВ разработки ПАО «ИНЭУМ им. И.С.Брука», БВ631 разработки АО «МЦСТ» и Лезвие-БНК разработки АО «ТПлатформы».Многопроцессорный модуль МВ4С–СРВ в стандартном корпусе дляустановки в стойку (Rackmount Server), представлен на рисунке 1.3.1.50Рис.

1.3.1 Вычислительный комплекс MB4C-СРВ (справа) и модуль (слева) наоснове четырех процессоров «Эльбрус-4С».Данный модуль позволяет конструировать на его основе многопроцессорныевычислительные комплексы высотой от 1U для обеспечения возможности ихкомпактного размещения в стойке. Тем не менее, с целью использования всехпериферийных разъёмов был выбран стандартный корпус высотой 3U.Представленный четырёхпроцессорный модуль форм-фактора SWTX имеет двапериферийных разъема PCI 2.3 32 бита, 33/66 МГц и два разъёмами PCIExpress 1.0 x8, один из которых позволяет устанавливать платы расширенияформ-фактора до x16. На том же рисунке представлен одноименный блоквычислительного комплекса.Важным достоинством модуля и вычислительного комплекса МВ4С-СРВявляется низкая себестоимость за счет применения коммерческих компонентов,в том числе корпуса с резервируемыми блоками питания.

Вычислительныекомплексы на основе таких модулей могут включать популярные на рынкепериферийные устройства и иметь при этом различные назначения в составекластера или автоматизированной системы. Недостатком такой конструкцииявляется необходимость ее доработки для специальных применений собеспечением работоспособности в условиях внешних факторов, включаявыпадение осадков, вибрацию, механические воздействия и так далее Учитываявсе варианты применения многопроцессорного модуля показатель N s (число51реализаций многопроцессорных вычислительных комплексов на основемодуля) равен трем. Количество вычислительных комплексов этого классатакже равно трем.

В этих комплексах применены различные версии модуляМВ4С-СРВ.Конструкция блока многопроцессорного вычислительного комплексаБВ631 в корпусе типа «Евромеханика» высотой 6U на основе соединительнойпанели, модуля с двумя многоядерными процессорами и возможностьюувеличения периферийных устройств представлена на рисунке 1.3.2. Модулиэтой конструкции являются взаимозаменяемым в случае соответствияодинаковомустандартукрейтовойсистемы.Представленныймногопроцессорный модуль соответствует стандарту PICMG 2.30 CompactPCIPlusIO, который не оказался популярным на рынке.Рис. 1.3.2. Вычислительный комплекс БВ631 (справа) и модуль (слева) наоснове двух процессоров «Эльбрус-2С+».Основными достоинствами этой конструкции является стойкость кмеханическим воздействиям, установка вычислительного комплекса в стойку содносторонним обслуживанием, удобство замены или модернизации модуля,возможность увеличения периферийных устройств.

Основным недостаткомследует считать невозможность исполнения модуля для кондуктивного типаохлаждения с теплоотводом на корпус. Существенными недостатками такжеявляютсяотсутствиегоризонтального52масштабированияпоколичествумногоядерных процессоров и двойное место для установки модуля (8 HP) спринудительным охлаждением воздушным потоком. Учитывая все вариантыприменений такого многопроцессорного модуля, показатель N s равен 1.Количество вычислительных комплексов такого класса значительно превышаетэтот показатель и равно пяти. В этих комплексах применены пять различныхмодулей.Оригинальная конструкция вычислительного комплекса «Лезвие-БНК» вкорпусе высотой 5U, на основе соединительной панели, модулей с четырьмямногоядерными процессорами и разъемами периферийных интерфейсовпредставлена на рисунке 1.3.3.

Достоинство этой конструкции — возможностькомпактного размещения десяти многопроцессорных модулей в корпусевысотой 5U при установке в стойку. Оно обеспечивает эффективноегоризонтальное масштабирование по количеству многопроцессорных модулейвкластересуперкомпьютера.Другимдостоинствомявляетсянизкаясебестоимость готового изделия за счет единой системы питания, охлаждения иуправления десятью вычислительными модулями.Рис. 1.3.3.

Многопроцессорный вычислительный комплекс «Лезвие-БНК»(сверху) и модуль (снизу) на основе четырех процессоров «Эльбрус-2С+».Основным недостатком такой конструкции является необходимость еедоработки для специальных применений, включая использование шасси с53обеспечением работоспособности в условиях внешних воздействий. Другиминедостатками являются небольшое количество разъемов периферийныхинтерфейсовприотсутствиивозможностидобавленияболееодногопериферийного устройства (карты или модуля), а также - небольшоеколичество слотов оперативной памяти при четырех процессорах на модуле.Учитывая все варианты применений вычислительного модуля, показатель N sравен 1. Количество вычислительных комплексов этого класса также равно 1.1.3.3 Основные проблемы проектированияПо результатам анализа завершенных разработок были определенытребования,направленныенасокращениеотставанияотимпортнойвычислительной техники: Определена необходимость улучшения следующиххарактеристик многопроцессорных модулей: пиковая производительность; пропускная способность каналов обмена с оперативной памятью; пропускная способность каналов межпроцессорного обмена; масштабируемость по количеству микросхем процессоров, оперативнойпамяти и периферийных интерфейсов; уровень унификации модулей.Масштабирование по количеству многоядерных процессоров и оперативнойпамяти особенно важно для востребованных вычислительных комплексов вкорпусах типа «Евромеханика».

При этом добавление процессоров иоперативнойпамятинеозначаетпропорциональноеувеличениепроизводительности, которое в отношении ряда пользовательских задач либоневозможно, либо возможно только при изменении кода программ на языкевысокого уровня [21]. Улучшение представленных технических характеристиксопряженос решением основных проблем сквозной конструкторско-технологической разработки модулей.54Одной из основных проблем проектирования многопроцессорных модулейявляется обеспечение стабильности напряжений в сетях питания микросхемыпроцессора при повышении ее общей производительности.

Добавления новыхядер и повышение тактовой частоты процессора увеличивает динамическуюмощность потребления, которая для отдельного логического элемента ипроводного соединения кристалла процессора определяются следующимиформулами:xyn 1n 1PE   ( Ein  f in )   (Con  Vdd2  0,5  f on ) ,(1)12   C  Vdd  F ,(2)2где x – число входных выводов элемента, E in – связанная с каждым n-ымPw входным выводом энергия, fin – частота изменения состояния n-го входноговывода, y – число выходных выводов элемента, Con– внешняя емкостьнагрузки n-го выходного вывода, V dd – напряжение питания, f on – частотаизменения состояния n-го выходного вывода,  - активность переключения, С– общая емкость сегментов соединения, F – частота синхронизации.Увеличениединамическойтехнологическоммощностиограничениипотреблениявысокочастотноймикросхемыемкостиприкристаллапроцессора способно привести к сбою функционирования из-за критическогоизменения напряжения питания.Другой проблемой проектирования является обеспечение целостностисигналов каналов обмена с оперативной памятью и каналов межпроцессорногообмена при повышении их пропускной способности.

Повышение пропускнойспособности приводит к увеличению количества выводов и потерям полезныхсигналов (дБ) в интерфейсных соединениях микросхемы процессора, которыеопределяются следующими формулами:NI / Os  0,82 G0,45 ,(3)55Att  20 loge  a1  f  a2  f  a3  f 2 ,(4)где G – показатель степени интеграции правила Рента, пропорциональныйколичеству логических элементов кристалла, f – частота передачи, a1 , a2 , a3 –коэффициенты, характеризующие соединения.

Одновременное переключениесигналовнавыводахтехнологическомиихограничениивзаимныеназазорыперекрестныемеждутрасс,наводкиприколичествоиподключение высокочастотных конденсаторов развязки способны привести ксбою функционирования. Ограничение частоты передачи данных во многомобусловлено индуктивностью подключения шин земли и питания микросхемыпроцессора.

С целью уменьшения этой индуктивности подключения длямикросхем процессоров отмечается уменьшение отношения сигнальныхвыводов к выводам земли и питания, причем у современных микросхем этоотношение N s N P ,G  1 3 .Ещеоднойпроблемойремонтопригодностиипроектированиянадежностиявляетсямногопроцессорногообеспечениемодуляприувеличении количества микросхем процессоров, оперативной памяти ипериферийных интерфейсов.