Разработка и исследование программируемого коммутационного устройства

Во Введении обосновывается актуальность работы, формулируется ее цель, показывается научная новизна и практическая значимость результатов, приводится краткое содержание работы по главам.
В первой главе приводится обзор и анализ современного уровня и основных трендов развития ЭКБ и ЭС. В проведенном анализе отмечается, что основным источником образования технологических и алгоритмических проблем в ЭКБ является существующая парадигма создания ЭКБ с совместноым расположением чипов и межчиповых электрических проводников на «жесткой, не программируемой конструктивной среде» – на плоскостной 2D или пространственной 3D-базовой конструкции в микросхеме или на печатной плате.
В проведенном анализе отмечается, что в основе трех архитектур процессоров с конфигурируемым аппаратным обеспечением лежат программно-конфигурируемые аппаратные среды, в которых элементарные ячейки разного исполнения и уровня интеграции соединены в плоскостную регулярную структуру. В ПЛИС-процессоре элементарная ячейка выполнена в виде конфигурируемого логического блока (CLB), содержащего триггер, логические элементы И, ИЛИ и др. В бит-потоковом субпроцессоре элементарными ячейками являются микросхемы Н1841 ВФ1. В процессоре CSA элементарными ячейками являются сетки вычислительных и запоминающих устройств (СВЗУ), содержащие элементарные процессоры (PE, processing elements), запоминающие устройства и систему коммутации. Программированием структуры элементарных ячеек и электрических соединений между ячейками осуществляется настройка программно- конфигурируемой аппаратной среды на реализацию конкретного алгоритма

вычислительной задачи. Отмечается, что во всех известных архитектурах процессоров с конфигурируемым аппаратным обеспечением применена концепция построения ПКУ, используемая в ПЛИС-технологии и FPIC- технологии. Все известные архитектуры процессоров с конфигурируемым аппаратным обеспечением обладают высокой аппаратной «избыточностью».
Отмечается, что главные недостатки существующих и новых вариантов реализации процессоров и ЭС с программно-конфигурируемым аппаратным обеспечением предопределены недостатками ПКУ ПЛИС-технологии FPIC- технологии, вызванными необходимостью трассировки электрических соединений через макроячейки на плоскостной регулярной структуре. Отмечается также, что существенным недостатком этих систем коммутации является сложность задачи программирования соединений, которая относится к NP-задачам, не имеющих точного решения и осуществляется на САПР высокого уровня.
В качестве вывода утверждается, что для разработки ЭС с техническими характеристиками и свойствами, востребованными в современных технических комплексах, необходима разработка ПКУ, имеющего единый механизм реализации разных целей реконфигурации, обладающего уменьшенной аппаратной избыточностью, бесконфликтностью, малыми габаритами и низким энергопотреблением. В частности, позволяющей создать 3D-базовые конструкции ЭКБ с раздельным размещением чипов и межчиповых соединений.
Во второй главе изложены основные принципы создания новой концепции построения трехмерного ПКУ, позволяющего создать чип бесконфликтного, отказоустойчивого и компактного ПКУ. Новая концепция построения трехмерного ПКУ заключается в использовании двух групп матричных коммутаторов уменьшенной размерности, в которых i-е горизонтальные шины (ГШ) верхней группы матричных коммутаторов соединяются с соответствующими вертикальными шинами (ВШ) i-го матричного коммутатора нижней группы, что позволяет обеспечить выполнение любых электрических соединений по принципу «вывод- вывод(и)» на множестве внешних выводов.
Пример структуры предлагаемого трехмерного ПКУ, содержащего 16 внешних выводов, приведен на рис.2. Внешние выводы трехмерного ПКУ представлены группами ВШ первой группы матричных коммутаторов К1.1, К1.2, К1.3 и К1.4. Основным отличием новой концепции построения трехмерного ПКУ от прототипа является перенос выполнения процедуры

трассировки электрических соединений в трехмерное пространство, с использованием двух групп матричных коммутаторов.
Рис. 2. Трехмерная ПКУ на 16 внешних выводов
Если соединяемые выводы принадлежат одному матричному коммутатору первой группы К1.1, К1.2, К1.3 и К1.4, то электрическое соединение выполняется внутри этого матричного коммутатора с количеством последовательно соединенных ключей равном 2 (рис. 3).
Рис. 3. Пример соединения внешних выводов
Если соединяемые выводы принадлежат разным матричным коммутаторам первой группы К1.1, К1.2, К1.3 и К1.4, то электрическое соединение выполняется с использованием матричного коммутатора второй группы. При этом количество последовательно соединенных ключей равно 4. При равных задержках электрических сигналов в одном ключе, в предлагаемом трехмерном ПКУ обеспечиваются меньшие задержки

электрических сигналов по сравнению с ПЛИС системами, т.е., достигаются значительно лучшие частотные и другие электрические характеристики реализуемых электрических цепей.
Бесконфликтность трехмерного ПКУ. На множестве из N внешних
выводов трехмерного ПКУ могут быть всегда выполнены 2 любых
электрических цепей, содержащих по 2 вывода. Для примера исследуем ПКУ на 16 выводов (рис.4). Т.е. рассматривается вариант со 100% использованием ресурсов трехмерного ПКУ по количеству реализуемых цепей.
Рис. 4. Пример бесконфликтности соединения 8 электрических цепей
Для доказательства бесконфликтности трехмерной ПКУ выделены два утверждения:
Утверждение 1: Предлагаемый способ коммутации является бесконфликтным.
Доказательство: Рассмотрим худший случай, когда требуется соединить пары из N выводов, где: соединяемые выводы принадлежат разным коммутаторам первой группы, а N четное число.
Множества рассматриваемых пар выводов попарно не пересекаются. Таких множеств N/2. Для реализации соединения всех пар выводов требуется N/2 горизонтальных шин второй группы матричных коммутаторов. Cтолько же горизонтальных шин имеется в коммутаторах второй группы. Выполняем соединение первой пары, занимая одну из горизонтальных шин первого матричного коммутатора второй группы. После соединения первой пары,
одна горизонтальная шина оказывается занятой, а 2 1 свободными.
Выполняем соединение следующей пары, занимая среди свободных горизонтальных шин очередную свободную шину и т.д., пока не будут

выполнены все соединения. При таком алгоритме всегда обеспечивается выполнение всех N/2 пар соединений.
Утверждение 2: В предлагаемом способе коммутации количество разных путей между двумя любыми выводами равно N/2.
Доказательство: Рассмотрим худший случай, когда требуется соединить пары из N выводов, где соединяемые выводы принадлежат разным коммутаторам первой группы, а N четное число.
Соединение между любой парой выводов может быть осуществлено на любом (одном) матричном коммутаторе второй группы, количество которых равно N/2.
Компактность трехмерного ПКУ. Взаимно ортогональное размещение двух групп матричных коммутаторов (рис. 5) сводит выполнение всех электрических соединений между ГШ 1-й группы матричных коммутаторов и ВШ 2-й группы матричных коммутаторов к выполнению соединений по принципу «вывод-вывод» при минимальных затратах полезной площади кристалла. В предложенной конструкции, ВШ матричных коммутаторов первой группы, образующие внешние соединительные выводы ПКУ, естественным образом приобретают сотовое расположение выводов,
которое позволяет уменьшить размеры периметра кристалла в √ раз по
сравнению со способом расположения выводов по периметру кристалла.
Рис. 5. Пространственное расположение двух групп матричных коммутаторов
Важно отметить следующее: Впервые достигнута возможность создания базовых конструкций ЭКБ 3D-интеграции с сотовым расположением внешних выводов.
Повышение компактности трехмерной ПКУ также обеспечивается многократным сокращением аппаратной избыточности: количества ключей и
схем управления ключами и позволяет уменьшить избыточность ключей в √

C
6 4 2 0
1 10 100
N
раз по сравнению с матричным коммутатором такой же размерности. Количество ключей в матричном коммутаторе, содержащем внешних выводов равно:
С = = (1)
Количество ключей в предлагаемого трехмерного ПКУ равно:
= ∙ ∙ + ∙ ∙ =1.5∙ = √ (2)
где – количество внешних выводов используемых матричных коммутаторов, – количество внешних выводов, используемых для подключения внешних устройств, которое равно количеству внешних
выводов обычного матричного коммутатора, = √ . Коэффициент уменьшения избыточности:
”
= = ! =√ (3)
Графическая зависимости параметра С от количества внешних выводов N, рассчитанная по формуле (3) представлена на рис.6.
√ ”
Рис. 6. График зависимости параметра С от количества внешних выводов N Из графика (рис. 6) следует, что при увеличении количества внешних
выводов N относительное сокращение объема аппаратуры увеличивается.
В третьей главе приводится описание макетного образца трехмерного ПКУ и учебно-исследовательского комплекса УИК-1 (рис.7). УИК-1 имеет следующие технические характеристики:
Количество внешних выводов – 128, коммутация внешних выводов по принципу, «любой на любой», рабочая частота – 2 Мгц, микроконтроллеры – AVR и MCS51, интерфейсы: RS-232 и RS-485, выход для управления шаговым двигателем. питание – сеть 220 В, 50 Гц.

аб Рис. 7. Учебно-исследовательский комплекс УИК-1, а – электронный блок, б – интерфейс пользователя
Для проведения экспериментальных исследований была выбрана произвольная функция трех переменных: F = %XYZ(, где X% – старшая переменная, Y – средняя переменная, Z – младшая переменная, X – инверсия старшей переменной, Z( – инверсия младшей переменной.
Диаграммы переменных и функции приведены на рис.8.а. На рис.8.б показана электрическая схема, реализующая эту функцию, выполненная в программном интерфейсе. Две функции инверсии выполнили на элементах D4.1 и D4.2. Функция конъюнкции выполнена на элементе D6.1.
аб
Рисунок 8 – График функции трех переменных (а), схемная реализация (б)
Для генерации входных переменных использовались три разряда двоичного счетчика, это обеспечило получение полного набора возможных комбинаций трех переменных. Программирование соединений с помощью коммутационной среды осуществлялось последовательно с контролем количества включенных ключей. Вначале осуществили соединение выход логического элемента DD4.2 и третий вход логического элемента DD6.1 и проверили правильность полученного соединения, открыв матрицу ключей, в которой показаны номера ключей участвующих в формировании соединения.

На рис.9.а показан пример одного соединения и матричные коммутаторы с включенными ключами, обозначенными цифрами 1 и покрашены голубым цветом. Таким образом соединение содержит четыре включенных ключа.
Проверка правильности функционирования полученной схемы заключалась в анализе функции, полученной на выходе схемы. Диаграмма функции на выходе схемы, снятая осциллографом совпала с теоретической.
Исследование динамических параметров схемы показало, что длительность фронта и спада выходной функции увеличилась в два раза по сравнению с аналогичными параметрами входных переменных. Это объясняется наличием сопротивления открытого ключа и распределенной емкости.
а
б
Рисунок 9 – Принципиальная схема первого соединения и матрицы ключей, с замкнутыми ключами (выделены голубым цветом)
В четвертой главе приводятся следующие перспективные направления исследований на базе разработанного трехмерного ПКУ:
1. Создание конкурентной отечественной ЭКБ, не выходя из достигнутого отечественной отраслью уровня технологии. Предложенная структура ПКУ позволяет использовать новую концепцию создания ЭКБ 3D- интеграции с раздельным размещением чипов и межчиповых соединений, включающую:
а) Создание импортонезависимых, унифицированных и упрощенных базовых конструкций и технологий ЭКБ 3D-интеграции;

б) Создание УГЭС на реальных чипах с возможностью реконфигурации электрической схемы.
2. Создание суперкомпьютеров с конфигурируемым аппаратным обеспечением и потоковой обработкой данных (прототип – первый эксафлопсный суперкомпьютер Aurora 21 на процессорах CSA компании Intel (2021 г.)).
Перспективность исследований в данном направлении подтверждается анализом и прогнозом на развитие ЭС до 2035 г. Возможность достижения прорывных результатов в этом направлении в сравнении с прототипом, связана с решением двух «ключевых» проблем:
а) Созданием менее «избыточной» аппаратной платформы.
б) Созданием системы коммутации на базе трехмерного ПКУ с реконфигурацией аппаратного обеспечения ЭКБ и ЭС по математической формуле реализуемой вычислительной задачи.
3. Создание кластерных МВС.
Возможность достижения прорывных результатов в этом направлении
связана с решением «ключевой» проблемы – разработки бесконфликтного, отказоустойчивого кросс-бара большой размерности для процессорных узлов и кросс-маршрутизаторов, например до (64х64)…(128х128) и более.
4. Создание инструментальных средств быстрого и бездефектного проектирования ЭКБ и ЭС на базе физического моделирования.
Возможность достижения прорывных результатов в этом направлении связана с созданием на базе УГЭС высокоточных физических моделей с применением реальных микросхем. Это позволит значительно упростить задачи проектирования и диагностики. Возможность прямого доступа к произвольным точкам схемы через ПКУ существенно упрощает процедуры поиска и устранения возникающих неисправностей, особенно в области выявления задержек путей распространения цифровых сигналов, и также задач разработки тестов для широкого (реального) класса неисправностей.
Основные результаты работы
В диссертационной работе были проведены теоретические и экспериментальные исследования по разработке бесконфликтной, отказоустойчивой и компактной трехмерной ПКУ.
1. Разработана новая концепция построения трехмерной ПКУ, позволяющего обеспечить выполнение любых электрических соединений по принципу «вывод-вывод(и)» на множестве N внешних выводов в трехмерном пространстве с количеством последовательно соединенных ключей во всех электрических соединениях равном 2 или 4.
2. На базе новой концепции предложена структура чипа бесконфликтного, отказоустойчивого и компактного трехмерного ПКУ, которая допускает подключение к внешним соединительным выводам различных реальных электронных компонентов и радиоэлементов и обеспечивает бесконфликтное выполнение межчиповых соединений путем программирования ПКУ.
3. Детально исследованы достигаемые электрические характеристики разработанной трехмерной ПКУ, в том числе:
– Возможности обеспечения бесконфликтности выполнения электрических соединений между выводами электронных компонент с количеством последовательно соединенных ключей в электрических соединениях равном 4 или 2;
– Возможности обеспечения компактности ПКУ при интегральном
исполнении за счет уменьшения периметра кристалла более чем в √) раз за
счет взаимно-ортогонального расположения верхней и нижней групп матричных коммутаторов, сотового расположения выводов ПКУ и уменьшения объема аппаратурной «избыточности»;
4. Предложены наиболее перспективные области практического применения разработанного бесконфликтного, отказоустойчивого и компактного трехмерного ПКУ, в которых могут быть получены «прорывные» результаты.
Рекомендации
Предложенная концепция построения программируемого коммутационного устройства может бытьиспользована при проектировании коммутаторов практически любой размерности. При этом чем больше внешних выводов у коммататора, чем меньше аппаратная избыточность и выше компактоность по сравнению с обычным матричным коммутатором. Перспективы дальнейшей разработки темы
Детальное исследование свойств предложенного ПКУ в перспективных областях практического применения, изложенных в четвертой главе.