Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0006

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0006
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет"
Название доклада
Разработка и исследование технологии создания ресурсонезависимого прикладного программного обеспечения высокопроизводительных вычислительных систем гибридного типа
Докладчик
Каляев Игорь Анатольевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка и исследование новых методов, технологических приемов и средств программирования многопроцессорных вычислительных систем гибридного типа, содержащих микропроцессорные и реконфигурируемые вычислительные узлы, обеспечивающих высокую эффективность для различных конфигураций вычислительной системы.
Задачами исследования являются:
- анализ существующих подходов к программированию вычислительных систем гибридного типа;
- разработка методов описания задач в единой параллельно-конвейерной форме для разных узлов вычислительной системы гибридного типа;
- разработка методов определения эффективного варианта реализации и преобразования прикладной программы для текущей конфигурации вычислительной системы гибридного типа;
- разработка методов трансляции и синтеза решений прикладных задач для вычислительной системы гибридного типа;
- разработка экспериментального образца программного комплекса средств разработки прикладных программ для вычислительной системы гибридного типа;
- апробация разработанных методов и программных средств при решении прикладных задач цифровой обработки сигналов, символьной обработки и мониторинга компьютерных сетей на вычислительной системе гибридного типа.
Актуальность и новизна исследования
Большинство практических содержат последовательные, так и параллельные вычислительные фрагменты, для выполнения которых необходимы различные по своей архитектуре вычислительные устройства в едином вычислительном контуре. Решением этой проблемы являются вычислительные системы гибридного типа с различными вычислительными узлами для реализации как структурных, так и процедурных вычислений. Симбиоз реконфигурируемых вычислительных узлов и узлов универсальных микропроцессоров, графических процессоров или ускорителей Intel Xeon Phi в рамках единой вычислительной системы позволит повысить реальную производительность вычислительной системы за счет эффективной реализации как структурных, так и процедурных фрагментов вычислений. Программирование разнородных вычислительных узлов и осуществляется на различных языках программирования в разных средах программирования, поэтому фактически вычислительная система используется как многомашинный комплекс, обмен между различными подсистемами которой осуществляется через передачу сообщений или обмен файлами, что, в свою очередь, существенно уменьшает реальную производительность системы и сильно усложняет модернизацию и, тем более, масштабирование программы при изменении доступного вычислительного ресурса. Поэтому разработка и исследование новых методов и средств программирования многопроцессорных вычислительных систем гибридного типа, обеспечивающих выполнение прикладных программ на различных конфигурациях вычислительной системы с высокой эффективностью, объединенных в единую технологию ресурсонезависимого программирования вычислительных систем гибридного типа, является актуальным.
Описание исследования

Разработана новая технология ресурсонезависимого программирования вычислительных систем гибридного типа (ВСГТ), базирующаяся на следующих принципах:

- адаптация программы под текущую конфигурацию ВСГТ выполняется специальной программой - препроцессором в автоматизированном режиме на основе рассчитанных параметров масштабирования программы;

- определение эффективных для текущей конфигурации ВСГТ параметров масштабирования программы (индукции или редукции)  выполняется автоматически средствами программирования без участия пользователя;

- для автоматизированного преобразования под текущую конфигурацию ВСГТ прикладная программа должна быть представлена в единой параллельно-конвейерной (канонической) форме.

Под параллельно-конвейерной формой (ПКФ) представления переменных и массивов понимается описание данных на языке программирования высокого уровня COLAMO, обладающее одновременно как параллельным, так и последовательным типами доступа, которые задаются с помощью ключевых слов Vector/Stream для элементов массивов данных и BitVector/BitStream для битов в скалярных значениях. Такая форма представления программы позволяет автоматизированно менять основные параметры параллельной программы на языке COLAMO (число одновременно реализуемых подграфов вычислений с помощью типов доступа Vector/Stream, разрядность обрабатываемых данных с помощью типов доступа BitVector/BitStream, число операций и др.). Приведение исходной программы к ПКФ выполняется в два этапа: на первом этапе выполняется преобразование переменных и их разрядности, а на втором этапе – преобразование конструкций программы к параллельно-конвейерной обработке.

После преобразования исходной параллельной программы в ПКФ модуль анализа препроцессора языка COLAMO подсчитывает необходимый для ее реализации аппаратный ресурс и сопоставляет его с текущей конфигурацией ВСГТ для определения максимальной степени и типов необходимых преобразований. Если текущего аппаратного ресурса ВСГТ достаточно для выполнения программы, то синтезируются загрузочные модули для задействованных узлов ВСГТ, в противном случае выполняются специальные редукционные преобразования, сбалансированно сокращающие производительность программы и задействованный аппаратный ресурс ВСГТ.

Редукция производительности выполняется в следующем порядке: редукция по одновременно выполняемым подграфам программы, редукция по разрядности, редукция по командам (устройствам), редукция по скважности (частоте). Сокращение занимаемого аппаратного ресурса для каждого вида редукции с учетом ее теоретически допустимой степени выполняет модуль анализа препроцессора, который определяет наиболее рациональный вариант использования редукции для обеспечения максимально возможной производительности программы для текущей конфигурации ВСГТ. Полученный в автоматизированном режиме после препроцессора текст редуцированной параллельной программы передается транслятору языка программирования COLAMO, который создает развернутый информационный граф прикладной задачи. Информационный граф прикладной задачи, содержащий фрагменты, реализуемые структурно на реконфигурируемых вычислительных узлах и процедурно на микропроцессорных вычислительных узлах, передается программе-синтезатору для автоматического распределения фрагментов задачи по доступным в текущей конфигурации ВСГТ реконфигурируемым и микропроцессорным вычислительным узлам. Согласование потоков данных между различными по типам организации вычислений узлам ВСГТ осуществляется на основе файла описания конфигурации ВСГТ, содержащего данные о типах синхронизируемых вычислительных узлов, разрядности шины данных, частоте их работы, скважности подачи данных и др. После установки необходимых интерфейсов и элементов синхронизации программа-синтезатор создает загрузочные конфигурационные файлы *.bit для реконфигурируемых вычислительных узлов и загрузочные файлы *.exe для микропроцессорных узлов ВСГТ и единую для всех вычислительных модулей ВСГТ управляющую вычислительным процессом программу.

Результаты исследования

Разработаны метод и алгоритм описания алгоритмов прикладных задач для многопроцессорной вычислительной системы гибридного типа в единой параллельно-конвейерной форме, обеспечивающей ресурсонезависимое представление задач для быстрого перехода от параллельного к конвейерному способу организации вычислений и их различных сочетаний;

Разработаны метод и алгоритмы преобразования фрагментов прикладной задачи к параллельной или конвейерной форме, учитывающей особенности организации вычислительных процессов и архитектуры узлов вычислительной системы гибридного типа для обеспечения возможности программирования унифицированных процессорных и реконфигурируемых вычислительных узлов в едином контуре;

Разработаны методика и алгоритм определения эффективного варианта реализации прикладной задачи на множестве узлов вычислительной системы гибридного типа, позволяющую адаптировать программу под текущую конфигурацию вычислительной системы для обеспечения высокой эффективности прикладной программы (не ниже 0,5);

Разработаны метод и алгоритмы трансляции ресурсонезависимых языковых конструкций в структурную и управляющую компоненты прикладной программы для выполнения прикладных задач на различных конфигурациях вычислительной системы гибридного типа.

Разработаны метод и алгоритм синтеза прикладных задач, содержащих параллельные и конвейерные вычислительные фрагменты для создания технологии и средств ресурсонезависимого программирования многопроцессорных вычислительных систем гибридного типа.

Разработан комплект программной документации на экспериментальный образец программного комплекса средств разработки прикладных программ для вычислительных систем гибридного типа.

Проведены отладка элементов и разработаны тестовые задачи цифровой обработки сигналов, символьной обработки и мониторинга компьютерных сетей на макетах вычислительной системы гибридного типа, содержащих процессорные и реконфигурируемые вычислительные узлы на основе ПЛИС Virtex-7 и Kintex-7.

Разработанные методы и методики описания, преобразования и трансляции прикладных задач на основе редукции производительности для многопроцессорной вычислительной системы гибридного типа, а также полученные научно-технические результаты являются новыми и оригинальными.

В отличие от известных технологий программирования (OpenCl, OpenAcc и др.), разработанная технология ресурсонезависимого программирования ВСГТ позволяет описывать различные формы организации вычислений, масштабировать программу как на уровне потоков данных, так и на уровне разрядности обрабатываемых данных, что обеспечивает ресурсонезависимость программирования и возможность адаптации исходного текста программы под любую конфигурацию ВСГТ. Использование автоматизированных средств (препроцессора) для преобразования программы без участия программиста обеспечивает пользователя набором необходимых средств для быстрой разработки эффективных масштабируемых параллельных программ, что снижает сложность программирования ВСГТ, позволяет рационально использовать ресурсы узлов с разной архитектурой и повышает скорость разработки параллельных прикладных программ.

Практическая значимость исследования
Созданный экспериментальный образец программного комплекса разработки прикладных программ предназначен для перспективных вычислительных комплексов, содержащих ПЛИС и традиционные микропроцессоры, потенциальными потребителями которого являются организации, службы и ведомства, решающие вычислительно-трудоемкие задачи на вычислительных системах гибридного типа (ЗАО «Эврика», ФГУП РНИИРС, ФГУП «НИИ «Квант», ОАО «Концерн «РТИ Системы», МЧС РФ, МО РФ и др.) для высокотехнологичных приложений связи, гидро- и радиолокации, прогнозирования последствий техногенных катастроф, оборонной промышленности.
Основные способы использования результатов:
а) обработка данных мониторинга компьютерных сетей, для которой необходимы вычислительные средства, обеспечивающие оперативную обработку больших информационных потоков различных форматов и увеличивающие производительность до 10000 раз по сравнению с существующими решениями;
б) обработка радиолокационной информации в реальном времени для обнаружения космических объектов, требует вычислительных средств с производительностью в 100 раз выше по сравнению с существующими решениями;
в) обработка гидроакустической информации для выделения и классификации сигналов от объектов различных групп в условиях действия изотропных и локальных помех и низком соотношении сигнал/шум в реальном времени, для которой необходимы вычислительные средства в 200 раз более производительные по сравнению с существующими решениями;
г) моделирование радионуклидного переноса в атмосфере в районе функционирования АЭС при возникновении критических ситуаций и аварий для оперативного планирования действий, сил и средств по обеспечении безопасности населения требует производительности не менее, чем в 100 раз выше по сравнению с существующими решениями;
д) моделирование распространения и прогнозирование последствий лесных пожаров с учетом карты ветров и рельефа местности требуют вычислительные средства в 200 раз более производительные по сравнению с существующими решениями;
е) моделирование нефтеносности пластов месторождений для повышения дебита скважин, для которой необходимы вычислительные средства, обладающие в 70 раз более высокой производительностью по сравнению с существующими системами.