Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И.И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем (2005) (1186253), страница 54
Текст из файла (страница 54)
В состав ЭГВК ПС-2000 входит собственно мультипроцессор, мониторная подсистема (МПС) и от одной до четырехподсистем внешней памяти (СВП). Мониторная подсистема на баземалой ЭВМ СМ-2М взяла на себя функции операционной системы,а также трансляцию, редактирование текстов, счет по вспомогательным программам, управление СВП и средствами отображения. Приработе с физическими объектами в реальном времени возможноподключение потоков информации к мультипроцессору как черезСВП, так и через специальные высокоскоростные каналы.Мультипроцессор ПС-2000 ориентирован на высокопроизводительную обработку больших массивов информации по хорошо распараллеливаемым регулярным алгоритмам. Он обеспечивает однозадачный режим работы с одним потоком команд и многими потоками данных (SIMD-архитектура).
Особенностью SIMD-архитектурыПС-2000 является наличие значительных объемов регистровой памяти, в которой протекают массовые вычисления и межпроцессорные обмены, а также выполняется адресация распределенной оперативной памяти.Мультипроцессор ПС-2000 (рис. 3.27) состоит из структурированной совокупности однотипных ПЭ и общего устройства управления. Конструктивно восемь ПЭ объединяются в УО. Каждый ПЭсодержит арифметико-логическое устройство с набором регистровобщего назначения S, память М, устройство локальной адреснойарифметики L, устройство активации ПЭ — Т, фрагменты регулярного В и магистрального каналов.
ОУУ содержит арифметико-логическое устройство с набором регистров общего назначения W, память данных Н, адресную арифметику HL, память микрокоманд G.3.4. Перспективные типы процессоров ЭВМ275Общеуправляющие сигналыJIРис. 3.27. Структура мультипроцессора ПС-2000Устройство S за 0,32 мкс выполняет операции с фиксированнойзапятой над 24-разрядными регистровыми операндами, в нем такжеимеется аппаратная поддержка, обеспечивающая выполнение операций с плавающей запятой (сложение/вычитание за 0,96 мкс, умножение за 1,6 мкс). Объем памяти М и Я — 16 384 24-разрядныхслова каждая, операции считывания или записи выполняются за0,96 мкс. Объем памяти G — 16 384 64-разрядных слова.
Время выдачи микрокоманды — 0,32 мкс, время выполнения команды ветвления от 1,28 до 1,92 мкс.Все это позволяет мультипроцессору ПС-2000 с 64 ПЭ работатьс эффективной производительностью 200 млн операций в секундупри выполнении расчетов с фиксированной запятой и 50 млн операций в секунду при выполнении одновременно нескольких вычислительных задач, содержащих операции с плавающей запятой.
Таким образом, 64-процессорный ПС-2000, имея тактовую частоту3 МГц, для пользователя работал с частотой 200 МГц.Модульное конструктивное построение, неприхотливая элементная база, не требующая специальных условий охлаждения, исистема программирования с гибкой системой настроек, позволяющая писать программы, не зависящие от числа ПЭ в ЭГВК276Глава 3. Вычислительные системыПС-2000, обеспечили высокую живучесть и ремонтопригодностьмультипроцессора ПС-2000, что позволило в условиях экспедицийобеспечить работу ЭГВК ПС-2000 более 20 ч в сутки.Областью широкого использования ЭГВК ПС-2000 стала геофизика, которая объективно нуждалась в компьютерах такого класса.
Для обработки данных сейсмической разведки месторожденийнефти и газа во ВНИИ геофизики (Москва) при участии ИПУ РАНбыла создана система промышленной обработки геофизической информации. В отрасли успешно эксплуатировалось около 90 экспедиционных геофизических вычислительных комплексов ЭГВКПС-2000, обеспечивающих углубленную обработку значительнойчасти данных сейсморазведки нефти и газа.На базе нескольких комплексов ПС-2000 были созданы высокопроизводительные (до 1 млрд операций в секунду) системы обработки гидроакустической и телеметрической информации в реальном масштабе времени.Телеметрический вычислительный комплекс центра управлениякосмическими полетами (ЦУП) использовал с 1986 г. вплоть до1997 г. систему предварительной обработки телеметрической информации на базе ЭГВК ПС-2000, связанную в единый комплекс сцентральной системой обработки на базе многопроцессорного вычислительного комплекса «Эльбрус-2».
Высокий параллелизм обработки информации в ПС-2000 позволил реализовать новые алгоритмы обработки телеметрической информации. Первые комплексыПС-2000 поступили в ЦУП в 1982 г., последние — в 1988 г. Всегобыло задействовано восемь 32-процессорных комплексов.Клеточные и ДНК-процессорыВ настоящее время в поисках реальной альтернативы полупроводниковым технологиям создания новых вычислительных системученые обращают все большее внимание на биотехнологии, или биокомпьютинг, который представляет собой гибрид информационных имолекулярных технологий.
Биокомпьютинг позволяет решать сложные вычислительные задачи, пользуясь методами, принятыми в биохимии и молекулярной биологии, организуя вычисления с помощьюживых тканей, клеток, вирусов и биомолекул. Наибольшее распространение получил подход, где в качестве основного элемента (процессора) используются молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты.Центральное место в этом подходе занимает так называемыйДНК-процессор. Кроме ДНК в качестве биопроцессора могут бытьиспользованы также белковые молекулы и биологические мембраны.3.4. Перспективные типы процессоров ЭВМ277ДНК-процессоры.
Так же, как и любой другой процессор,ДНК-процессор характеризуется структурой и набором команд.В данном случае структура процессора — это структура молекулыДНК, а набор команд — это перечень биохимических операций надмолекулами. Принцип устройства компьютерной ДНК-памяти основан на последовательном соединении четырех нуклеотидов (основных кирпичиков ДНК-цепи). Три нуклеотида, соединяясь в любой последовательности, образуют элементарную ячейку памяти —кодон.
Кодоны затем формируют цепь ДНК. Основная трудность вразработке ДНК-компьютеров связана с проведением избирательных однокодонных реакций (взаимодействий) внутри цепи ДНК. Однако прогресс есть уже и в этом направлении. Уже существует экспериментальное оборудование, позволяющее работать с одним из1020 кодонов или молекул ДНК. Другой проблемой является самосборка ДНК, приводящая к потере информации.
Ее преодолеваютвведением в клетку специальных ингибиторов — веществ, предотвращающих химическую реакцию самосборки.Теоретическое обоснование подобной возможности было сделано еще в 50-х годах прошлого века (Р. П. Фейманом). В деталях теория была проработана в 70-х годах Ч. Бенеттом и в 80-х М. Конрадом. Первый компьютер на базе ДНК был создан в 1994 г. американским ученым Л. Адлеманом.
Он смешал в пробирке молекулу ДНК,в которой были закодированы исходные данные и специальным образом подобранные ферменты. В результате химической реакцииструктура ДНК изменилась таким образом, что в ней в закодированном виде был представлен ответ задачи. Поскольку вычисления проводились в ходе химической реакции с участием ферментов, на нихбыло затрачено очень мало времени.Вслед за работой Адлемана последовали другие. Л.
Смит изУниверситета Висконсин решил с помощью ДНК задачу доставкичетырех сортов пиццы по четырем адресам, которая подразумевала16 вариантов ответа. Ученые из Принстонского университета решили комбинаторную шахматную задачу: с помощью РНК нашли правильный ход шахматного коня на доске из девяти клеток (всего их512 вариантов).Р Липтон из Принстона первым показал, как, используя ДНК,кодировать двоичные числа и решать проблему вычисления логического выражения. Суть ее в том, что, имея некоторое логическоевыражение, включающее п логических переменных, нужно найтивсе комбинации значений переменных, делающих выражение истинным Задачу можно решить только перебором 2" комбинаций.Все эти комбинации легко закодировать с помощью ДНК, а дальше278Глава 3.
Вычислительные системыдействовать по методике Адлемана. Липтон предложил также способ взлома шифра DES (американский криптографический), трактуемого как своеобразное логическое выражение.Первую модель биокомпьютера, правда, в виде механизма изпластмассы, в 1999 г. создал И. Шапиро из Вейцмановского института естественных наук. Она имитировала работу «молекулярноймашины» в живой клетке, собирающей белковые молекулы по информации с ДНК, используя РНК в качестве посредника междуДНК и белком.В 2001 г.
Шапиро удалось реализовать вычислительное устройство на основе ДНК, которое может работать почти без вмешательства человека. Система имитирует машину Тьюринга — одну изфундаментальных абстракций вычислительной техники, котораятеоретически может решить любую вычислительную задачу. По своей природе молекулы ДНК работают аналогичным образом, распадаясь и рекомбинируя в соответствии с информацией, закодированной в цепочках химических соединений.
Разработанная установкакодирует входные данные и программы в состоящих из двух цепеймолекулах ДНК и смешивает их с двумя ферментами.Молекулы фермента выполняли роль аппаратного, а молекулыДНК — программного обеспечения. Один фермент расщепляет молекулу ДНК с входными данными на отрезки разной длины в зависимости от содержащегося в ней кода, а другой — рекомбинируетэти отрезки в соответствии с их кодом и кодом молекулы ДНК спрограммой. Процесс продолжается вдоль входной цепи, и, когдадоходит до конца, получается выходная молекула, соответствующаяконечному состоянию системы.Этот механизм может использоваться для решения самых разных задач.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
