Методы параллельной цифровой обработки информации в трехмерных оптических интегральных схемах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.17, кандидат технических наук Григорьев, Виталий Робертович

• Григорьев, Виталий Робертович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Григорьев, Виталий Робертович

ВВЕДЕНИЕ.

1 РАЗРАБОТКА АЛГОТРОННОГО ПОДХОДА К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ОЦВМ НА ОСНОВЕ ТРЕХМЕРНЫХ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ СХЕМ.

1.1. Систематизация прикладных задач по размерности индексного пространства реализации графа потока вычислений.

1.1.1. Алготронный подход к пространственно-временному осуществлению вычислений в трехмерных матричных 19 процессорах.

1.1.2. Особенности отображения параллельных алгоритмов на высокопроизводительные вычислительные системы с массовым параллелизмом.

1.2. Анализ подходов к реализации трехмерных вычислительных СБИС-структур.

1.2.1. Анализ текущего состояния технологий изготовления СБИС.

1.2.2. Анализ состояния разработок и перспектив развития требуемых для изготовления ТМОИС микроэлектронных, оптоэлектронных и оптических технологий.

1.2.3. Физические, схемотехнические и алгоритмические ограничения реализаций СБИС.

1.2.4. Классификация трехмерных СБИС (ТМИС).

1.2.5. Функциональные возможности ТМИС и их влияние на архитектуру вычислительной системы.

Выводы по разделу.

2 ОТОБРАЖЕНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ АЛГОРИТМОВ В МАТРИЧНЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ТРЁХМЕРНЫХ СБИС

2.1. Определение нижних и верхних пространственно-временных границ двумерных СБИС.

2.1.1 Определение нижних пространственно-временных границ сложности вычислений на двумерных СБИС.

2.1.2. Нахождение оценок сложности вычислений для двумерных планарных) СБИС.

2.2. Вложимость произвольного графа с п вершинами в трёхмерную область вычислений объёмных ТМИС.

2.2.1. Реализация логических сетей в трёхмерном пространстве.

2.2.2. Обобщения оценок пространственно-временных границ сложности вычислений для трёхмерных СБИС.

2.2.3. Отображение вычислительных графов на ТМИС.

2.3. Размещение схем из объёмных функциональных элементов в трёхмерном пространстве.

2.4. Исследование графов, применяемых при проектировании цифровых трёхмерных оптических матричных вычислительных структур с массовым параллелизмом.

2.4.1. Вложение графов в трёхмерное операционное пространство ТМИС.

2.4.2. N-куб и связанные с ним задачи, возникающие при проектировании цифровых трёхмерных оптических вычислительных 103 структур.

2.4.3. Синтез характеристик архитектуры проектируемой схемы, соответствующей оптимальному распараллеливанию данного алгоритма.

2.5. Нижние границы сложности вычислений в d-размерной систолической структуре.

2.6. Оценка аппаратурной и временной сложности проектирования программируемых логических матриц на основе электрооптических ТМОИС.

Выводы по разделу.

3 ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ В ССОК НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ.

3.1. Принципы построения и особенности разработки аппаратных средств на основе ТМОИС для реализации базисных операций компьютерной алгебры.

3.2. Синтез вычислительных устройств на основе использования трехмерных оптических интегральных схем для выполнения групповых арифметических операций в системе счисления в остаточных классах.

3.2.1. Оптический трехмерный вычислитель быстрой арифметики в остаточных классах на основе ТМОИС для решения прикладных 133 задач.

3.2.2. Функциональные устройства непозиционного процессора для выполнения немодульных операций на основе ТМОИС.

3.2.3. Реализация на основе ТМОИС операции вычисления полиномов в ССОК.

3.2.4. Оценка производительности ТМОИС для выполнения логических операций в ССОК.

Выводы по разделу.

4 СИНТЕЗ ТРЕХМЕРНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТОЛИЧЕСКИХ

ВЫЧИСЛИТЕЛЕЙ ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ. 155 4.1. Трехмерный систолический вычислитель дискретного преобразования Фурье на основе кронекеровского произведения матриц с использованием арифметики в остаточных классах.

4.2. Алгоритмы свертки и умножения полиномов на основе использования ТМОИС.

4.3. Оценка физических параметров для технической реализации цифровых сигнальных процессоров на основе использования оптоэлектронных трехмерных устройств.

Выводы по разделу.

5 ТРЕХМЕРНЫЙ СИСТОЛИЧЕСКИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ

БЫСТРОГО ОБРАЩЕНИЯ МАТРИЦЫ В ПОЛЕ GF(2m).

5.1. Конвейерная структура для умножения в GF(2pi).

5.2. Распараллеливание алгоритма умножения в GF(2m) в пространстве 188 систолических функций.

5.3. Конвейерная структура для быстрого обращения в поле GF(2m).

5.4. Синтез электрооптического умножителя в поле GF(2m).

5.4.1. Сумматор с последовательным переносом.

5.4.2. Функциональная схема АЛУ.

5.4.3. Схема оптических связей сумматора.

5.4.4. Алгоритм сложения двух чисел с последовательным переносом.

5.4.5. Электрооптический динамический регистр сдвига.

-Выводьгпо разделу.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы параллельной цифровой обработки информации в трехмерных оптических интегральных схемах»

Резкое возрастание информационных потоков, циркулирующих в интегрированных распределённых информационно-телекоммуникационных системах, необходимость высокоскоростной обработки данных и сигналов в реальном масштабе времени, тенденции перехода к широкополосным волоконно-оптическим каналам передачи информации, широкое внедрение систем искусственного интеллекта во все составляющие организации информационного процесса ставят на повестку дня создание петафлопных (1015 оп/с) и петабайтных (1015 байт) вычислительных систем (ВС) нового поколения [1-13]. Для обеспечения такой производительности требуется наличие высокопараллельных процессоров, непосредственно реализующих в аппаратуре базовые операции линейной алгебры, цифровой обработки сигналов, анализа графов, трехмерной графики, сжатия изображений и др. При этом широкий спектр приложений, реализующих данные операции, определяет высокие требования к гибкости архитектуры ВС при цифровой обработке данных. Это требование традиционно обеспечивалось, благодаря использованию в структуре систем программируемых процессоров. Основой физико-технологической базы современных ЭВМ являются микропроцессоры, которые на сегодня характеризуется тактовой частотой порядка 1 ГГц, несколькими десятками млн. транзисторов (в чипе) и технологическими нормами - 0,2 мкм, т.е. меньше длины волны видимого света [14,15]. Производительность современных цифровых электронных однокристальных процессоров достигает 100 — 2000 млн. оп/с (Pentium III/1 ГТп, Pentium IV Хеоп/2,4 ГГц, Itanium/1,6 ГГц, IBM SP Power 3/375 МГц, Alpha 21164/667 МГц, и др.), а ВС на их основе - 1000 - 70000 млрд. оп/с [16].

Однако применительно к задачам цифровой обработки сигналов (ЦОС) применение более сложных сигналов вызывают необходимость повышения скорости обработки в 100-1000 раз. Решить эту задачу невозможно лишь за счёт совершенствования электронных аппаратных средств и приборов, так как создание сверхпроизводительных процессоров с традиционной программируемой архитектурой наталкивается на принципиальные ограничения, связанные с необходимостью обеспечения высокого уровня интеграции [17-19]; Так, микроэлектронная элементная база приближается к предельным возможностям: её слабым звеном являются соединения, с одной стороны, ограничивающие тактовые частоты работы логических устройств, а с другой -сужающие функциональные возможности ВС по эффективной параллельной реализации процессов решения практически важных задач [20-24]. В связи с этим эволюционное развитие и смена поколений ЭВМ подходит к своим пределам по производительности при переходе к рабочим частотам отдельных вентилей в субнаносекундном диапазоне. Эти пределы возникают на технологическом, физическом, алгоритмическом, архитектурном и системном уровнях [18-24].

В качестве альтернативного подхода к достижению сверхпроизводительности

ВС выступает подход, основанный на использовании оптоэлектронных систем. При этом оптическая часть ВС обеспечивает передачу информации при организации различных коммутирующих схем и выполнение ряда вычислительных операций со скоростью света, а электронная часть обеспечивает требуемую гибкость при организации вычислений [25,26].

Свое начало исследования в области создания подобных систем получили в работах таких отечественных и зарубежных ученых как Сороко В.М. [27], Василенко Г.И. [28], Микаэлян А.Л. [29], Дж. Гудмен [30,31], К.Престон [32], Г.Старк [33], Д. Кейсесент [34,35] и др. В них была показана возможность реализации систем обработки информации с параллельной обработкой массивов порядка 106 элементов. Такие оптические процессоры работают в специализированных системах, в которых нужна не точность, а высокая производительность. Построение автоматизированных когерентных оптических процессоров для обработки больших массивов требует применения уникальных узлов и учета влияния оптических шумов на точность вычислений.

Необходимость преодоления проблем, с которыми столкнулась аналоговая оптическая вычислительная техника - малая точность вычислений и отсутствие гибкости, присущей электронной технике, - стимулировала интерес к цифровой оптической обработке информации и созданию оптических сверхбыстродействующих вычислительных машин (ОСВМ). Развитие работ в этой области привело к необходимости разрабатывать новые способы представления данных, новые алгоритмы их преобразования и описания вычислительных процессов. Все эти проблемы составляют новое научное направление, которое получило название "Оптические вычисления" (Optical Computing). Физические особенности оптических методов предопределяют основные архитектурные принципы ОСВМ: параллельность работы, представление данных в виде двумерных образов, коммутация в свободном пространстве.

Важный вклад в развитие цифровых оптоэлектронных систем внесли такие отечественные и зарубежные ученые как Басов H.F. [36] и представители его школы [37,38], Лаврищев В.П. и Свидзинский К.К. [39,40], Ярославский Л.П. [41], Бурцев B.C. [42,43], Фёдоров Б.Н. [44], Торчигин В.П. [45,46], Р.Арратун [47], К.Хуан [48], К.М.Вербер [49], С.А.Коллинз [50,51], А.А.Сочук и Т.С.Стренд [52], С.Исихара [53] и другие. В их работах определены подходы к организации дискретной оптической обработки, исследованы модели цифровых оптических вычислителей с нетрадиционной архитектурой, а также механизмы реализации фотонных логических операций. Однако эти подходы, как и аналоговые, существенным образом ориентированы на использование дискретных оптических элементов (призмы, линзы, транспаранты, фотоприемные устройства и т.д.), или планарную оптоэлектронику (волноводные переключатели, дифракционные решетки и т.д.).

Большое разнообразие оптических способов преобразования информации (геометрическая оптика, модуляция, оптоэлектроника и др.) приводит к тому, что поток исследований в области создания ОСВМ разветвляется на множество разработок специализированных архитектур [54-57]. Последние, в свою очередь, опираются на принципы максимального соответствия структуры устройства реализуемому алгоритму, а также на формальный математический аппарат, обеспечивающий достижение этого соответствия.

Важную стимулирующую роль для развития оптических цифровых вычислений играет развитие оптической элементной базы и схемотехнических принципов, адекватных фотонной природе носителя информации. В связи с разработкой и вводом в эксплуатацию волоконно-оптических систем передачи информации (ВОСПИ) получило решающее ускорение развитие интегральных методов производства приемопередающего и коммутационного оборудования. В результате появилось новое направление в создании элементной базы для оптических устройств передачи и обработки данных - «интегральная оптика» [58-61]. Однако с точки зрения создания больших логических систем ОСВМ планарные интегрально-оптические схемы (ОИС), по существу, в принципе не могут обеспечить эксплуатационных параметров, сравнимых с микроэлектроникой, и тем более, с наноэлектроникой (плотность упаковки, быстродействие, гибкость логических функций и т.д.) [62-68].

В настоящее время отмечается необходимость перехода от планарного к трехмерному синтезу в области технологии, которому, в свою очередь, соответствует уровень ультрамикро- и наносхемотехники [69-80], при этом на системном уровне происходит закономерный процесс трансформации эволюционного развития фон-неймановских машин к электронно-квантовым системам [7, 21,25,81-83], и в дальнейшем - к биомолекулярным системам [84-87]. Очевидна необходимость перехода от планарного мышления в сторону трехмерного пространственного, с соответствующей разработкой принципиально новых подходов к проектированию объемных трехмерных микросхем со сверхплотной упаковкой элементов и эффективному использованию третьей координаты в организации вычислительных процессов непосредственно в объеме суперсистем - однокристальных многопроцессорных вычислительных систем [88-92].

Однако для реализации сверхбольших электронных твердотельных трехмерных интегральных схем (ТМИС) остаются трудноразрешимыми вопросы, связанные с электромагнитными побочными наводками и перекрёстными помехами между слоями, а также рассеиваемой мощностью на кристалле.

Вместе с тем, как показывает анализ результатов исследований последних десятилетий [25,26,57,84], сверхвысокие требования к производительности ВС могут быть реализованы при переходе от планарной оптоэлекгроники к трёх-мерной, основанной на встраивании оптических связей непосредственно в ТМИС. Принципиальную роль здесь играют непланарность размещения элементов, локальность их взаимодействий, распределенность выполняемых функций и т.д. Широкий спектр предъявляемых к вычислительным системам требований и разнообразие возможной номенклатуры трехмерных интегрально-оптических схем (ТМОИС) обусловливают множество путей в организации параллельных вычислений, отличающихся типами и степенью параллелизма, соответствием топологической структуры системы структуре выполняемых алгоритмов [93-119].

В работах коллектива ученых из ИАиЭ СО РАН и ВЦ СО РАН Косцова Э.Г., Егорова В.М., Твердохлеба П.Е., Пискунова С.В., Бандман O.JL, Ачасовой С.Н., Марковой В.П. [93-107], представлено логическое и физическое описание семейства трехмерных (многослойных) электрооптических матриц с настраиваемой структурой, используя которые можно строить оптические вычислительные устройства, выполняющие алгоритмы параллельных подстановок для массовой обработки информации.

В области цифровой обработки сигналов (ЦОС) большинство алгоритмов сводится к многократно повторяемым элементарным операциям типа скалярного перемножения и суммирования парных произведений, причем требования к скорости реализации алгоритмов и массогабаритным характеристикам вычислительного устройства очень жесткие. Как правило, реализация алгоритмов ЦОС в реальном времени возможна лишь с помощью быстродействующих специализированных процессоров. Наиболее эффективны процессоры ЦОС на основе систолических или однородных вычислительных сред (ОВС), сочетающих матричные и конвейерные методы организации параллельных вычислений [10,120-124]. Кроме того, многие алгоритмы ЦОС по своей природе носят сугубо трехмерный пространственный характер, что требует соответствующего подхода к технической реализации. Возможным вариантом такого решения может быть использование ТМОИС [67,68,108-119].

Появление новых технологий трехмерной интеграции электронных и оптических компонент, исследования в области создания трехмерных автоволновых сред, наноэлектроники и молекулярных биочипов обозначило настоятельную необходимость алгоритмической оснастки новых "многослойных" микро- и нанопроцессоров с точки зрения максимальной эффективности использования множества операционных устройств, совмещения разных форм параллелизма в едином устройстве (параллелизм в пространстве - массовые операции на множестве ПЭ и параллелизм во времени -конвейеризация на уровне отдельных вентилей): систолической-синхронной и волновой-асинхронной обработки, потоковой, использования принципов локальной и глобальной обработки, клеточной обработки, организации пространственной коммутации.

При этом необходимо обеспечивать максимальное согласование алгоритмического базиса организации параллельных вычислений и архитектуры трёхмерных оп-тоэлектронных ВС, которое реализует так называемый алготронный принцип проектирования [125], основанный на соответствии класса алгоритмов и архитектурных принципов, на совместном учете вычислительных схем, электрических, оптических и технологических характеристик цепей ТМОИС.

Полученные результаты ставят на повестку дня вопрос о разработке специализированных ВС на основе ТМОИС для решения специальных задач информационно-логической обработки данных. Их объединяет использование трех принципов - трёхмерности операционного пространства организации вычислительного процесса в объеме СБИС, систолизации алгоритмического базиса решаемых классов задач, многопроцессорности обработки данных в составе однокристальных ТМОИС. Подобная универсальность приводит к возможности проектирования мультипроцессорного кристалла с программируемыми оптическими связями между конвейерами с параметризацией соответствующих внутри- и межслойных связей в ТМОИС.

Данное обстоятельство определяет актуальность создания методов реализации высокоскоростных алгоритмов ЦОС на основе ТМОИС с учетом специфики фотонной обработки информации и особенностей построения высокопроизводительных цифровых оптических вычислительных средств.

Целью работы Целью диссертационной работы является повышение эффективности использования операционного ресурса вычислительных средств на базе многослойных трёхмерных оптических интегральных схем для решения актуальных прикладных задач ЦОС путем развития их методического, алгоритмического и схемотехнического обеспечения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ состояния проблемы разработки элементной базы двумерных и трёхмерных СБИС, а также тенденций создания электронных и оптических цифровых вычислительных машин (ОЦВМ) петафлопной производительности, ориентированных на решение прикладных задач ЦОС;

- разработка принципов выполнения трёхмерной цифровой оптической логики (по трем индексам евклидова пространства) с учетом реализации в высокоинтегриро-ванных трёхмерных интегрально-оптических схемах и системах;

- разработка методов и схемотехнических решений построения трёхмерных интегрально-оптических схем с модуляцией светового потока;

- разработка принципов системной организации вычислительных процессов и построения высокопроизводительных оптоэлектронных аппаратно-программных средств для обработки данных в булевом, многозначном и пороговом базисе, а также методов их реализации.

Решение указанной задачи обусловливает выделение в качестве предмета исследований алготронного подхода к построению цифровых оптических ВС, основанного на соответствии класса алгоритмов и архитектурных принципов, на совместном учете вычислительных схем, электрических, оптических и технологических характеристик трехмерных ОИС и предполагает: разработку теоретических основ выполнения трёхмерной цифровой оптической логической обработки (по трем индексам евклидова пространства) с учетом реализации в высокоинтегрированных объёмных интегральных схемах; разработку принципов системной организации трёхмерных интегрально-оптических коммуникационных систем и трехмерных логических систем обработки на основе элементов трехмерной интегральной оптики; разработку и исследование методов организации вычислительных процессов и построение реализующих их высокопроизводительных аппаратно-программных средств, предназначенных для обработки данных в булевом, многозначном и пороговом базисе; разработку алгоритмических и схемотехнических решений оптоэлектронных проблемно-ориентированных вычислителей в рамках единой идеологии однородных цифровых трехмерных интегрально-оптических схем (ТМОИС); разработку оптических принципов обработки данных на внутричиповом уровне, в том числе с конвейеризацией на максимально низком уровне - отдельных вентилей, позволяющих на уровне единичной ТМОИС реализовать мультипроцессорную архитектуру с "картинной" обработкой информации при использовании алгоритмов клеточных вычислений.

Методы исследования. При решении поставленной в диссертации задачи использовались методы системного анализа, теории графов, теории групп, теории конечных колец и полей, теории кодирования, линейной алгебры, положений вычислительной математики (в том числе, непозиционных систем счисления), теории чисел, теории искусственных нейронных сетей, логических и схемотехнических методов синтеза вычислительных устройств.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. В приложении 1 приведена методологическая структура диссертации. В приложении 2 указаны основные направления диссертационных исследований (заштриховано желтым цветом).

Заключение диссертации по теме «Теоретические основы информатики», Григорьев, Виталий Робертович

Основные результаты диссертации реализованы в НИР и ОКР, проводимых:

ФГУП НИИ «КВАНТ» при разработке высокопроизводительных вычислительных комплексов;

ФГУП НИИ «Восход» при разработке методических положений по созданию технических средств, специального программного и информационного обеспечения автоматизированных комплексов обработки информации;

Академией криптографии Российской Федерации при исследовании возможности создания проблемно-ориентированных высокопроизводи-тельных вычислительных систем и специальных средств защиты информации, а также использованы при организации учебного процесса:

Московским государственным университетом им. М.В. Ломоносова;

Институтом криптографии, связи и информатики Академии ФСБ России;

Московским государственным институтом радиоэлектроники и автоматики (технический университет).

Материалы диссертации опубликованы в 36 печатных работах (из них - 3 книги (курсы лекций), 11 статей, 17 тезисов докладов на конференциях), 7 отчётах о научно - исследовательской работе.

Технические решения, предложенные в работе, защищены 5 авторскими свидетельствами.

Основные положения диссертации в период с 1982 по 2005 годы доложены и одобрены на международных, Всесоюзных и Всероссийских конференциях, школах-семинарах и совещаниях; ведомственных научно-технических и военно-научных конференциях КГБ СССР, Академии ФСБ России, Академии криптографии РФ, Академии ФАПСИ, НИИ "КВАНТ" и др.

Полученные результаты могут найти применение в научно - исследовательских учреждениях федеральных органов исполнительной власти, организациях промышленности и высших учебных заведениях при решении задач:

• построения алгоритмических, программных и аппаратных средств высокопроизводительных ЭВМ, вычислительных комплексов и систем, ориентированных на решение задач цифровой обработки сигналов, кодирования и защиты информации, связанных с обработкой больших массивов бинарных и многозначных данных;

• создания практических методик и рекомендаций при проектировании специализированных оптоэлектронных процессоров для решения практически важных задач цифровой обработки сигналов на основе использования ТМОИС;

• решения в реальном масштабе времени многомерных задач цифровой обработки сигналов, кодирования и защиты информации на основе перспективной технологии ТМОИС;

• организации учебного процесса по специальностям: «Компьютерная безопасность» (075200), «Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизированных систем» (075500), «Информационная безопасность телекоммуникационных систем» (075600).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе в соответствии с целью исследований научно обосновано и исследовано направление перспективных технических разработок в области создания новой элементной базы на основе трехмерных оптических интегральных схем путем развития их методического, алгоритмического и схемотехнического обеспечения, и определены направления их применения для повышения эффективности использования операционного ресурса создаваемых перспективных оптических высокопроизводительных вычислительных средств при решении актуальных прикладных задач цифровой обработки сигналов, специальных задач кодирования и защиты информации.

В ходе исследований получены следующие новые теоретические и практические результаты.

1. Проведен анализ состояния проблемы разработки элементной базы двумерных и трёхмерных СБИС, а также тенденций создания электронных и оптических цифровых вычислительных машин петафлопной производительности, ориентированных на решение прикладных задач цифровой обработки сигналов и защиты информации. Проанализированы системные физические, технологические, схемотехнические и алгоритмические ограничения реализаций двумерных и трехмерных СБИС. Предложена классификация трехмерных СБИС и основанных на них архитектурных принципов системной организации вычислений в однокристальных многопроцессорных вычислительных системах. Обоснована необходимость создания новой элементной базы для цифровых сигнальных процессоров на основе ТМОИС. Определены требования к физическим характеристикам элементов ТМОИС.

2. Исследованы характерные особенности организации вычислительных процессов с массовым параллелизмом в ТМОИС при решении прикладных задач цифровой обработки сигналов, которые потребовали введения новых пространственно-временных критериев организации обработки информации в трёхмерных оптических интегрированных вычислительных структурах (архитектурных, алгоритмических, структурных, объемно-временных, энергетических, физических и т.д.). Показано, что ТМОИС по сравнению с электронными СБИС имеют качественно более высокую производительность при решении указанного класса задач.

3. Для реализации трехмерной технологии построения оптических интегральных устройств предложена методика получения верхних и нижних оценок пространственно-временных границ размещения произвольного вычислительного графа на п вершинах в трехмерном пространстве. С этой целью сформулирован и доказан ряд теорем. Доказано, что для ряда нерегулярных и регулярных графов более предпочтительной по сравнению с двумерной является трёхмерная реализация, поскольку длина 1 связей графа уменьшается от 0(n/log2n) для плоских схем до 0(п ) для трёхмерных.

Соответственно, граф занимает площадь 0(и2) - для плоских схем, и объём 0(л3/2) - для трёхмерных. На основе сравнения размещения схем на плоскости и в трёхмерном пространстве сделан вывод, что в принципе трёхмерная технология позволит сокра

1 /9 тить линейные размеры схем с Q(n) до 0(п ), а максимальную длину проводников с

1 ГУ

Q(n/loq п) до 0(п ). Разработаны принципы отображения параллельных алгоритмов на трехмерные матричные оптические структуры, обеспечивающие структурно-параметрическую организацию вычислительного процесса. Произведена оценка нижних границ временной сложности вычислений параллельного алгоритма в соразмерной систолической структуре, в том числе, в трёхмерных систолических матрицах с оптическими информационными каналами. С учетом природы оптических каналов передачи и обработки данных предложен метод получения оценок аппаратурной и временной сложности проектирования программируемых логических матриц на основе реализации электрооптических ТМОИС.

4. Предложены модели, структурные и архитектурные решения ТМОИС с массовыми параллельными каналами обработки для решения прикладных задач цифровой обработки сигналов и защиты информации, основанные на новом физическом принципе - введении в структуру СБИС оптических каналов связи.

5. Предложена базовая модель трёхмерного оптоэлектронного вычислителя в системе счисления в остаточных классах на основе использования массовых оптических связей между слоями и оптическими (электронными) соединениями в рамках отдельных слоев. Разработано устройство непозиционного процессора для выполнения немодульных операций. Структура непозиционного процессора позволяет уменьшить деградацию при отказе и обеспечить более надежную работу процессора, причем в отличие от традиционных процессоров не потребуется усложнение программы или введения дополнительной аппаратуры, а корректирующие коды в СОК позволяют обнаруживать и исправлять ошибки, возникающие во всех устройствах предложенного вычислителя. Показано, что с помощью одной ТМОИС можно выполнять 4-байтные арифметические операции в СОК с тактом порядка 1 ГГц.

6. Разработаны и защищены авторскими свидетельствами структурные схемы и схемотехнические решения устройств, составляющих основу трёхмерного таблично-алгоритмического электрооптического вычислителя в остаточных классах: сумматора, устройств вычитания, умножения и деления, преобразования числа из позиционной системы счисления в систему остаточных классов и обратно, применяемых для осуществления параллельных вычислений в конечных полях и кольцах на основе использования трёхмерных оптических интегральных схем в качестве аппаратных средств реализации базовых операций компьютерной алгебры в системах цифровой обработки сигналов.

7. Предложены новые методы выполнения базовых операций цифровой обработки сигналов: дискретного преобразования Фурье и свертки на основе аппаратной" реализации операций модульной арифметики в кольце целых чисел на трехмерных бит-слайсовых архитектурах многоканальных ТМОИС. Разработаны эффективные систолические алгоритмы реализации этих операций, являющихся вычислительным ядром для решения широкого класса задач цифровой обработки сигналов, имеющих теоретическое и практическое применение.

8. Предложена архитектура трёхмерного систолического вычислителя дискретного преобразования Фурье и разработан эффективный систолический алгоритм его реализации. В основу подхода положена структура вычислений с использованием схемы индексации Гуда-Томаса для простых делителей, выполнение кронекеровского произведения матриц и реализация прямого метода вычисления циклической свертки для небольшого простого числа входных данных. Показано, что для вычисления ДПФ длины п с использованием предлагаемой комбинации систолического алгоритма и структуры трёхмерного оптического вычислителя необходимо на порядок меньше вычислительных элементов (умножитель + сумматор), чем при систолизации ДПФ в случае использования обычных двумерных электронных СБИС. При этом обработка данных осуществляется фактически в реальном масштабе времени, а время вычисления составляет Т~2п.

9. Предложено несколько типов архитектуры вычислителей свертки полиномов, отличающихся по степени параллелизма N, N2 и N3. Проведено сравнение предложенных вариантов систолических вычислителей свертки по следующим параметрам: временной и емкостной сложности, а также параметру эффективности (ускорения вычислений). Показано, что увеличение размерности обработки в объемных-трехмерных вычислителях со встроенными оптическими связями приводит к существенному росту производительности (на порядок и выше) при меньших аппаратных затратах. Выполнена оценка требований к технической реализации предложенных типов оптических цифровых сигнальных процессоров. Сделан вывод, что современный уровень развития технологий создания элементной базы цифровой оптики позволяет достигнуть на предложенных вычислителях производительности порядка 1015 оп/с.

10. Разработаны методы и схемотехнические решения аппаратных средств реализации компьютерной алгебры в оптоэлектронных систолических процессорах на основе ТМОИС для решения прикладных задач цифровой обработки сигналов, в том числе систолических алгоритмов вычисления обратного элемента в поле GF(2m). Предложена новая последовательная по входу - параллельная по выходу конвейерная архитектура оптического умножителя в GF(2m). Показано, что процедура выполнения быстрой инверсии на предложенном вычислителе требует mx(q+p) временных тактов, при этом вычислительная сложность обращения элемента в GF(2m) составляет 0(mlog2m). Этот результат представляет практический интерес для использования в криптосистемах, где данные сегментируются на длинные блоки, т.е., где m является очень большим для достижения необходимых параметров защиты и желательна высокая производительность.

Диссертация основана на исследованиях, выполненных автором самостоятельно.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Григорьев, Виталий Робертович, 2005 год

1. Левин В.К. Высокопроизводительные мультимикропроцессорные системы// Информационные технологии и вычислительные системы, 1995, № 1, с. 12-20.

2. Левин В.К. Структурно-технические характеристики и направления развития высокопроизводительных вычислительных систем/ Сб. статей ЭВТ. Вып. 2. /Под ред. В.В.Пржиялковского М.: Радио и связь, 1988. - с.4-16.

3. Фортов В.Е., Левин В.К., Савин Г.И., Забродин А.В., Каратанов В.В., Елизаров Г.С., Корнеев В.В., Шабанов Б.М. "Наука и промышленность России". Суперкомпьютер МВС-1000М и перспективы его применения. "Наука и промышленность России" 2001, № 11(55).

4. Корнеев В.В. Будущее высокопроизводительных вычислительных систем// Открытые системы, № 5, 2003.

5. Корнеев В.В. Параллельные вычислительные системы. М.: «Нолидж», 1999.320 с.

6. Митрофанов В., Ларионов К-, Слуцкин Д., Эйсымонт Л. Направления развития отечественных высокопроизводительных вычислительных систем// Открытые системы, № 5, 2003.

7. Бурьянофф Дж. Будущее нановычислений// Открытые системы, № 10, 2003.

8. Бурцев B.C. Тенденции развития супер-ЭВМ.// Вычислительные машины с нетрадиционной архитектурой. Супер-ЭВМ. Сб. науч. тр. ВЦКП АН СССР- М.: Наука, 1990, с. 3-26.

9. Бурцев B.C. О необходимости создания супер-ЭВМ в России.// Информационные технологии и вычислительные системы, 1995, № 1, с.5-11.

10. Кун С. Матричные процессоры на СБИС: Пер. с англ. М.: Мир, 1991. - 672 с.

11. Григорьев В.Р., Колобашкин С.М. Параллельные вычислительные системы с общим управлением. /Курс лекций. Часть I М.: Высшая школа КГБ, 1991г., 260(234).

12. Григорьев В.Р. Применение высокопроизводительных систем для решения спецзадач. Параллельные вычислительные системы с распределенным управлением. Курс лекций. Часть II (в 2-х книгах). Книга 1. М.: Академия безопасности ФСК России, 1996 г., 341 с.

13. Григорьев В.Р. Применение высокопроизводительных систем для решения спецзадач. Параллельные вычислительные системы с распределенным управлением. Курс лекций. Часть II (в 2-х книгах). Книга 2. М.: Академия безопасности ФСК России, 1996 г., 300 с.

14. Шахнов В., Власов А., Кузнецов А. Элементная база параллельных вычислений// Открытые системы, № 5-6, 2001.

15. Корнеев В. В., Киселев А. В. Современные микропроцессоры, 2-е изд. М.: НОЛИДЖ, 2000,315 с.16. hftp://www./ТОР500 List 71-2004.htm

16. Новиков А.А. Состояние и основные направления развития технической базы суперЭВМ //Сб. статей ЭВТ. Вып. 3. /Под ред. В.В.Пржиялковского М.: Радио и связь, 1989. - с.66-89.

17. Самсонов Н.С. Проблемы повышения функциональной производитель-ности и интеграции СБИС. //Сб. статей ЭВТ. Вып. 3. /Под ред. В.В.Пржиялковского -М.: Радио и связь, 1989. с.90-96.19.20,2122,23,2425,2627,28