Персональная гибридная вычислительная система на базе графических процессоров

МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ надежности вычислительной системы,значительном уменьшение потребляемой энергии и габаритов при упрощении ее конструкции и повышении эффективности использования. Предложена персональная гибридная вычислительная система на базе графических процессоров,включающая центральные процессоры, оперативную память, стандартные универсальные шины , управление памятью,блок управления и синхронизации, при этом каждый центральный микропроцессор соединен соответствующим входом/выходом с оперативной памятью, подключенной к устройству управления памяти, а вторым входом/выходом - с входами блока управления и синхронизации, а также графические процессоры,соединенные с центральными процессорами посредством входов/выходов универсальных шин -,кроме того, для защиты внутренних компонентов от внешних воздействий вычислительная система размещена в корпусе, выполненном в форм-факторе, габариты и структура которого позволяют разместить в нем необходимое количество графических процессоров и обеспечить достаточный уровень охлаждения.(72) Абдолдина Фарида Наурузбаевна Ахмедов Даулет Шафигуллович Бопеев Тимур Маратович Данаев Наргозы Турсынбаевич Елубаев Сулеймен Актлеуович Жунусов Талгат Турлыбекович Муратов Даулет Муратович(73) Дочернее Товарищество с ограниченной ответственностью Институт космической техники и технологий Республиканское общественное объединение Национальная инженерная академия Республики Казахстан(54) ПЕРСОНАЛЬНАЯ ГИБРИДНАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА НА БАЗЕ ГРАФИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОРОВ(57) Полезная модель относится к области вычислительной техники,в частности,к параллельным вычислительным системам и может быть использована для решения ресурсоемких научных задач на базе технологии параллельных вычислений, требующих высокопроизводительных вычислительных ресурсов. Технический результат заключается в существенном повышении функциональности и Полезная модель относится к области вычислительной техники,в частности,к параллельным вычислительным системам и может быть использована для решения ресурсоемких научных задач на базе технологии параллельных вычислений, требующих высокопроизводительных вычислительных ресурсов. Из уровня техники известна параллельная процессорная система (Патент , 2084953, кл. 06 15/16, 1997), которая содержитпроцессорных устройств, причем входы-выходы Адрес-данные всех процессорных устройств соединены через шину Адрес-данные, входывыходы Управление всех процессорных устройств соединены через шину Управление, каждое процессорное устройство содержит локальную память, процессорный элемент, три регистра,причем первый вход-выход локальной памяти соединен через шину Адрес-данные с входомвыходом Адрес-данные системы, управляющие входы-выходы которой соединены через шину Управление с управляющими входами первого регистра, выход которого соединен с первым входом-выходом процессорного элемента, второй вход-выход которого соединен с первым входом второго регистра, выход которого соединен с входом третьего регистра, выход которого соединен с третьим входом-выходом процессорного элемента,с первым входом первого регистра, с вторым входом-выходом локальной памяти, выход которой соединен с вторым входом первого регистра, второй вход второго регистра соединен через шину Адресданные с входом-выходом Адрес-данные системы. При этом шина Адрес-данные выполнена в виде шины широковещательной рассылки адресов-данных, шина Управление выполнена в виде двунаправленной шины, каждое процессорное устройство содержит регистр командсостояния, входвыход которого соединен с четвертым входомвыходом процессорного элемента, процессорный элемент имеет ширину, по меньшей мере равную 8 бит, а емкость локальной памяти составляет по меньшей мере 328 килобит. Недостаток известной параллельной процессорной системы заключается в том, что в таких системах увеличение производительности за счет количества процессоров приводит к непропорционально большому росту габаритов,энергопотребления, сложности системы, в конечном счете, стоимости самой системы, в отличие от персональных гибридных вычислительных систем на базе графических процессоров. Другим недостатком известной параллельной процессорной системы является то, что она не является автономной и требует для своей работы наличие управляющей рабочей станции. Известна также параллельная вычислительная система с программируемой архитектурой (Патент, 2202123, кл. 06 15/16, 2003), включающая параллельный процессор, который содержит матрицу процессорных элементов, ОЗУ, одну или более коммуникационных сред ипараллельных процессоров, каждый из которых дополнительно 2 содержит управляющий процессор, системную шину, служебное ОЗУ, буферное ОЗУ и узел загрузки, первая группа входов-выходов которого соединена с первой коммуникационной средой, при этом вторая группа входов-выходов узла загрузки соединена с группой информационных входоввыходов буферного ОЗУ, группа управляющих входов которого соединена с первой группой управляющих выходов узла загрузки, третья группа входов-выходов которого соединена с группой информационных входов-выходов служебного ОЗУ,группа управляющих входов которого соединена со второй группой управляющих выходов узла загрузки,четвертая группа входов-выходов которого соединена с группой информационных входов-выходов ОЗУ, группа управляющих входов которого соединена с третьей группой управляющих выходов узла загрузки, первая группа выходов которого связана с группой информационных входов матрицы процессорных элементов, группа информационных выходов которой связана с группой входов блока загрузки,группа управляющих выходов которого связана с группой управляющих входов матрицы процессорных элементов, группа управляющих выходов которой связана с группой управляющих входов блока загрузки, пятая группа входов-выходов которого соединена с системной шиной, которая также соединяется с группой входов-выходов управляющего процессора. Кроме того каждый параллельный процессор дополнительно содержит один или более сетевых адаптеров, при этом первая группа входов-выходов каждого сетевого адаптера соединена с системной шиной параллельного процессора, которому принадлежит данный сетевой адаптер, а вторая группа входов-выходов каждого сетевого адаптера соединена с одной из коммуникационных сред. При этом дополнительно введены один или более вычислительных узлов,каждый из которых содержит последовательный процессор, системную шину и один или более сетевых адаптеров, при этом группа входов-выходов последовательного процессора соединена с системной шиной, с которой также соединена первая группа входов-выходов каждого сетевого адаптера, а вторая группа входов-выходов каждого сетевого адаптера соединена с одной из коммуникационных сред. Известная система используется для обработки больших массивов информации, в том числе и в режиме реального времени, но она имеет достаточно сложную конструкцию,влияющую на ее надежность, имеет также большие габариты,высокое энергопотребление, в конечном счете,достаточно высокую стоимость. Наиболее близкой к заявляемой по своей технической сущности и достигаемому результату является мультипроцессорная система (Патентна полезную модель, 9654, кл. 06 15/16, 1999),содержащая центральные или пентиуммикропроцессоры,управление памятью,оперативную память, стандартные универсальные шины РС, устройство мультипроцессирования, 1241 двунаправленные усилители и регистры, схемы И,триггеры,счетчик,быстродействующее запоминающее устройство и блок управления и синхронизации, а каждый пентиум-микропроцессор подсоединен к своему управлению оперативной памяти, которое своим входом/выходом соединено со своей частью оперативной памяти системы, а вторым входом/выходом с первым входом/выходом универсальной шины РС, второй вход/выход которой подсоединен к соответствующей группе входов/выходов устройства мультипроцессирования, каждая группа входов/выходов устройства мультипроцессирования соединена с первыми входами/выходами двунаправленных усилителей и регистров, вторые входы которых поразрядно подсоединены к первым входам/выходам двух буферных двунаправленных регистров, которые поразрядно соединены друг с другом, вторые входы/выходы буферных регистров параллельно соединены с информационными входами/выходами быстродействующего запоминающего устройства, старшие разряды которого одновременно соединены с входами блока управления и синхронизации, адресные входы запоминающего устройства соединены с разрядными выходами счетчика,которые одновременно соединены с блоком управления и синхронизации, а входы управления счетчика соединены с первой группой выходов того же блока,каждая другая группа входов/выходов блока управления и синхронизации соединена соответственно с входами и выходами управления каждой группы двунаправленных усилителей и регистров устройства мультипроцессирования. Данная система предназначена для решения машинно-трудоемких задач и использования в контурах систем управления физическими объектами. К недостаткам этой системы относится то, что она не обеспечивает высокую производительность при ее больших габаритах и высоком энергопотреблении, кроме того, система имеет весьма сложную конструкцию, в частности,устройство мультипроцессирования использует устаревшие на данный момент компоненты, что делает систему несовместимой с современными рабочими станциями и, как следствие, затрудняет ее использование. Задачей, на решение которой направлено настоящая полезная модель, является создание персональной гибридной вычислительной системы на базе графических процессоров, которая могла бы преодолеть указанные выше недостатки существующих аналогов, и обеспечить получение высокой производительности системы при низкой ее стоимости, малых габаритах и малом потреблении электроэнергии. Технический результат заключается в существенном повышении функциональности,надежности и быстродействия вычислительной системы, значительном уменьшении потребляемой энергии и габаритов при упрощении ее конструкции и повышении эффективности использования. Указанный технический результат достигается тем, что в вычислительную систему, включающую центральные процессоры, оперативную память,стандартные универсальные шины , управление памятью, блок управления и синхронизации, при этом каждый центральный микропроцессор подключен соответствующим входом/выходом к оперативной памяти, подключенной к устройству управления памяти, а вторым входом/выходом - с входами блока управления и синхронизации,согласно предлагаемой полезной модели дополнительно введены графические процессоры,соединенные своими входами/выходами с универсальной шиной , которая соединена с входами выходами центральных процессоров. При этом управление работой графических процессоров осуществляется центральными процессорами, которые при необходимости также могут участвовать в процессе вычислений в случаях,когда затруднительно достичь высокого уровня параллелизма при решении определенного класса задач. Кроме того,работа,системы может осуществляться как в режиме обычной рабочей станции, так и в режиме высокопроизводительных вычислений на базе графических процессоров. Для лучшего понимания сущность настоящего изобретения далее поясняется с привлечением графических материалов. Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена структурная схема соединения блоков персональной гибридной вычислительной системы на базе графических процессоров. Персональная гибридная вычислительная система на базе графических процессоров включает корпус 1, с материнской платой 2, на которой размещены центральные процессоры 3-4,соединенные с первыми входами/выходами универсальных шин-,вторые входы/выходы которых связаны с размещенными там же графическими процессорами 5-8,оперативной памятью 9 с подключенным к ней устройством управления памятью 10 и блоком управления и синхронизации 11. Кроме того, в корпусе 1 размещены подключенные к оперативной памяти 9 жесткие диски 12 - 13, блок питания 14,осуществляющий электрическое питание материнской платы 2, нагнетающий вентилятор 15,задний вытяжной вентилятор 16, верхние вытяжные вентиляторы 17 - 20. Система оснащена оптическим приводом 21, клавиатурой 22, мышью 23, а также источником бесперебойного питания 24, связанным с блоком питания 14 и монитором 25. Персональная гибридная вычислительная система на базе графических процессоров состоит из 25-ти основных компонентов Компонент 1 - корпус, выполнен в форм-факторедля защиты внутренних компонентов системы от внешних воздействий. Габариты и структура корпуса позволяют разместить в нем необходимое количество графических процессоров и обеспечить достаточный уровень охлаждения. Компонент 2 - материнская плата, обеспечивает сопряжение и управление другими устройствами,позволяет разместить на ней достаточное количество графических процессоров для достижения высокой производительности системы. Компоненты 3 - 4 - центральные процессоры с тактовой частотой 2.9 ГГц каждый, осуществляют управление всеми компонентами системы, имеют по 40 линий -, что позволяет в наибольшей степени использовать ресурсы графических процессоров. Компоненты 5 - 8 - графические процессоры с пиковой производительностью 0.63/1.03 Тфлопс двойной и одинарной точности соответственно,осуществляют высокопроизводительные вычисления. Компонент 9 - оперативная память объемом 128 Гб, предназначена для временного хранения обрабатываемых данных. Высокий общий объем оперативной памяти позволяет сократить число обращений к жестким дискам, вследствие чего повышается производительность системы. Компонент 10 - устройство управления памятью,отвечает за управление доступом к оперативной памяти. Компонент 11 блок управления и синхронизации, предназначен для обеспечения согласованной работы всех устройств на материнской плате. Компоненты 12 - 13 - жесткие диски объемом 1 Тб каждый, предназначены для долговременного хранения данных. Компонент 14 - блок питания 1500 Вт,обеспечивает электропитание системы,осуществляет регулирование напряжения в некоторых пределах и обеспечивает защиту системы от коротких замыканий и кратковременных бросков питающего напряжения. Компонент 15 - нагнетающий вентилятор диаметром 120 мм, обеспечивает вдув холодных потоков воздуха в корпус к горячим компонентам системы. Компонент 16 - задний вытяжной вентилятор диаметром 120 мм, обеспечивает отвод горячих потоков воздуха от центральных процессоров. Компоненты 17 - 20 - верхние вытяжные вентиляторы диаметром 120 мм, обеспечивают вывод горячего воздуха из корпуса системы. Компонент 21 - оптический привод /,предназначен для ввода пользовательских данных в систему. Компонент 22 - клавиатура, предназначена для ввода пользователем данных. Компонент 23 - мышь, предназначена для ввода пользователем данных. Компонент 24 - источник бесперебойного питания 1980 Вт, обеспечивает бесперебойное электроснабжение системы, даже при полном пропадании электропитания в сети при помощи аккумуляторных батарей, емкость которых позволит корректно завершить работу системы. Компонент 25 - монитор, предназначен для отображения данных. 4 Габариты персональной гибридной вычислительной системы сопоставимы с габаритами обычных настольных персональных компьютеров,что позволяет использовать ее непосредственно на рабочем месте пользователя. Предлагаемая персональная гибридная вычислительная система на базе графических процессоров работает следующим образом. Пользователь запускает вычислительную задачу,которая считывает входные данные с жестких дисков 12 - 13 и записывает их в оперативную память 9. Далее задача распараллеливается на множество независимых процессов, которые выполняются на графических процессорах 5-8. Центральные процессоры 3 - 4 управляют работой графических процессоров 5 - 8, предоставляют им новые порции данных для обработки, при этом скорость обработки данных графическими процессорами многократно превосходит скорость их обработки на обычных персональных компьютерах. Результаты работы графических процессоров впоследствии записываются обратно на жесткий диск 12 - 13 и выводятся на монитор 25. Сравнительный анализ показал, что заявленная персональная гибридная вычислительная система на базе графических процессоров отличается от известных систем подобного назначения рядом преимуществ, а именно- высокой производительностью. В частности,при решении прикладных научных задач в сравнении с обычными современными рабочими станциями скорость вычислений персональной гибридной вычислительной системы выше до 170 раз, чего сложно добиться в традиционных многопроцессорных системах при их равной стоимости- способностью одновременного параллельного выполнения большого количества процессов при обработке большого количества данных в единицу времени,по сравнению с обычными вычислительными системами на базе центральных процессоров- малой стоимостью. Использование графических процессоров существенно снижает конечную стоимость системы, вследствие чего предлагаемая вычислительная система является доступной для широкого круга потребителей, в отличие от дорогостоящих многопроцессорных систем- малым энергопотреблением и возможностью бесперебойной работы после аварийного прекращения подачи электроэнергии.- простотой технического обслуживания. Предлагаемая вычислительная система не требует специализированных помещений,больших площадей размещения и строгих правил эксплуатации. Реализация предлагаемой персональной гибридной вычислительной системы на базе графических процессоров не вызывает затруднений,так как все входящие в нее отдельно взятые блоки,узлы и компоненты общеизвестны, широко описаны в технической литературе, выпускаются серийно и могут быть использованы при выполнении предлагаемой системы без дополнительной доработки. В частности, в качестве вычислительных модулей используются современные высокопроизводительные специализированные графические процессоры, имеющие высокую производительность благодаря своей параллельной архитектуре. Использование стандартных комплектующих, кроме того, позволяет обеспечить низкую стоимость и высокую надежность вычислительной системы. Габариты персональной гибридной вычислительной системы сопоставимы с габаритами обычных настольных персональных компьютеров, что позволяет использовать ее непосредственно на рабочем месте пользователя. ФОРМУЛА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ Персональная гибридная вычислительная система на базе графических процессоров,содержащая центральные процессоры, оперативную память, стандартные универсальные шины РС. управление памятью,блок управления и синхронизации, при этом каждый центральный микропроцессор соединен соответствующим входом/выходом универсальной шиныс оперативной памятью, подключенной к устройству управления памяти, а вторым входом/выходом - с входами блока управления и синхронизации,отличающаяся тем, что дополнительно введены графические процессоры,соединенные с центральными процессорами посредством входов/выходов универсальных шин РС-,кроме того, для защиты внутренних компонентов от внешних воздействий вычислительная система размещена в корпусе, выполненном в форм-факторе, габариты и структура которого позволяют разместить в нем необходимое количество графических процессоров и обеспечить достаточный уровень охлаждения.