Автономный вычислительный модуль с субмодулями

Изобретение относится к автономному вычислительному модулю с субмодулями. Технический результат заключается в увеличении вычислительной мощности. Модуль содержит внешний порт консольного управления, группу из N внешних сетевых портов, блок индикации состояния, внешний порт контроля и управления вычислительными ПЛИС, внешний порт мониторинга и управления, блок управления питанием, консоль ручного управления, внешний порт контроля и управления СБИС, блок консольного управления, и группу из N субмодулей, каждый из которых содержит вычислительную ПЛИС, группу из K вычислительных СБИС, процессорное ядро, блок контроля и управления питанием вычислительных СБИС, память конфигураций вычислительной ПЛИС, оперативную память процессорного ядра, оперативную память, блок мониторинга, блок индивидуальной настройки рабочих частот вычислительных СБИС, Flash память, блок оперативной реконфигурации вычислительной ПЛИС и память стартовой программы процессорного ядра. 1 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области вычислительной техники, в частности к вычислительным устройствам с перестраиваемой архитектурой, использующим программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) и заказные СБИС.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен многофункциональный вычислительный модуль (RU №150420 U1, МПК G06F 17/00, заявл. 17.09.2014, опубл. 20.02.2015, БИ №5), содержащий два внешних порта для обмена информацией, коммутатор PCI-Express, интерфейсную и N вычислительных ПЛИС, объединенных кольцевым высокоскоростным последовательным каналом обмена информацией, блок оперативного конфигурирования ПЛИС, память стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС, сетевой порт контроля и управления Ethernet, буферную память управления, блок контроля и управления питанием, блок мониторинга, порт контроля и управления JTAG, память стартовой конфигурации интерфейсной ПЛИС, блок управления ROOT, порт объединения устройств по контролю и управлению, память стартовой настройки коммутатора PCI-Express и группу из N высокоскоростных индивидуальных последовательных каналов обмена информацией между интерфейсной и вычислительными ПЛИС.

Недостатком данного многофункционального вычислительного модуля является невысокая вычислительная мощность при относительно высокой мощности потребления при реализации трудоемких вычислительных алгоритмов.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является то, что при реализации трудоемких вычислительных алгоритмов на вычислительных ПЛИС имеет место большой процент накладных расходов, что уменьшает эффективность использования вычислительных ресурсов, а также невысокие рабочие частоты выполнения операций, что связано со спецификой внутренней структуры ПЛИС.

Известен вычислительный модуль (RU №2686004 С1, МПК G06F 15/16, заявл. 26.07.2018, опубл. 23.04.2019, Бюл. №12), содержащий коммутатор PCI-Express, интерфейсную ПЛИС, группу из N вычислительных ПЛИС, внешний порт PCI-Express, группу из N вычислительных СБИС, внешний порт контроля и управления модуля JTAG, блок оперативного конфигурирования интерфейсной ПЛИС, память конфигурации интерфейсной ПЛИС, блок оперативного реконфигурирования памятей стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС, группу из N памятей стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС, группу из N блоков индивидуального контроля и управления питанием вычислительных СБИС, блок мониторинга модуля, группу из N блоков индивидуальной настройки рабочих частот вычислительных СБИС, группу из N индивидуальных блоков мониторинга, сетевой коммутатор Ethernet, группу из N оперативных памятей, блок контроля и управления питанием модуля, блок сопряжения модуля с системой контроля и управления питанием, блок сопряжения модуля с системой мониторинга, внешний сетевой порт модуля, внешний порт мониторинга модуля, внешний порт контроля и управления питанием модуля.

Недостатками данного вычислительного модуля являются ограниченные возможности его применения, невысокая вычислительная мощность, ограниченность классов эффективно решаемых вычислительно сложных задач и ограниченные возможности подключения дополнительных аналогичных вычислительных модулей к системе для увеличения ее мощности.

Причиной, препятствующей достижению технического результат является отсутствие возможности самостоятельной работы вычислительного модуля, минимальное соотношение высокопроизводительных СБИС к остальным его компонентам и способность его к работе только в адресном пространстве управляющих вычислительных машин, и под их непосредственным управлением.

Наиболее близким устройством того же назначения, к заявленному изобретению, по совокупности признаков является принятый за прототип автономный вычислительный модуль (RU №2720556 С1, МПК G06F 15/16, G06F 17/00, заявл. 06.12.2019, опубл. 12.05.2020, Бюл. №14), содержащий коммутатор 1 высокоскоростных последовательных каналов, интерфейсную ПЛИС 2, группу из N вычислительных ПЛИС 3₁, …, 3_N, внешний высокоскоростной последовательный порт 4, K групп по N вычислительных СБИС 5₁₁…5_N1, …, 5_1K…5_NК, внешний порт 6 контроля и управления ПЛИС, процессорное ядро 7, память 8 конфигурации интерфейсной ПЛИС, блок 9 оперативного реконфигурирования памятей стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС, группу из N памятей 10₁, …, 10_N стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС, группу из N блоков 11₁, …, 11_N индивидуального контроля и управления питанием вычислительных СБИС, группу из N блоков 12₁, …, 12_N индивидуальной настройки рабочих частот вычислительных СБИС, группу из N индивидуальных блоков 13₁, …, 13_N мониторинга, блок 14 автономного контроля и управления питанием модуля, блок 15 сопряжения модуля с централизованной системой контроля и управления питанием, внешний порт 16 контроля и управления питанием модуля, блок 17 автономного мониторинга модуля, блок 18 сопряжения модуля с централизованной системой мониторинга, внешний порт 19 мониторинга модуля, группу из N оперативных памятей 20₁, …, 20_N вычислительных СБИС, группу из N Flash памятей 21₁, …, 21_N вычислительных СБИС, внешний сетевой порт 22 модуля, оперативную память 23 процессорного ядра, память 24 стартовой программы процессорного ядра, внешний порт 26 консольного управления, блок 27 индикации состояния модуля и внешний порт 36 контроля и управления СБИС, а также группы общих и индивидуальных шин.

Недостатками данного вычислительного модуля являются ограниченные возможности его применения в многозадачных и многопользовательских системах, невысокая скорость обмена данными и результатами обработки, ограниченность классов эффективно решаемых вычислительно сложных задач.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является наличие только одного входного порта обмена данными и результатами обработки, доступного для распределения только одному пользователю или одной задаче, что ограничивает скорость обмена и может приводить к не полному использованию вычислительных ресурсов модуля.

ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании простого в эксплуатации высокопроизводительного вычислительного модуля широкого применения для эффективного решения различных вычислительно сложных задач, как в составе вычислительных систем, так и автономно.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение вычислительной мощности, увеличение скорости обмена данными и результатами обработки, расширение классов эффективно решаемых вычислительно сложных задач и упрощение его эксплуатации в многозадачных и многопользовательских системах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что автономный вычислительный модуль с субмодулями, содержит внешний порт 6 контроля и управления вычислительными ПЛИС, внешний порт 20 контроля и управления СБИС, блок 29 консольного управления, внешний порт 2 консольного управления, внешний порт 8 мониторинга и управления, блок 4 индикации состояния, группу из N внешних сетевых портов 3₁, …, 3_N, блок 15 управления питанием, консоль 16 ручного управления и группу из N субмодулей 22₁, …, 22_N, каждый из которых содержит вычислительную ПЛИС 1, группу из K вычислительных СБИС 5₁, …, 5_K, память 10 конфигураций вычислительной ПЛИС, блок 9 контроля и управления питанием вычислительных СБИС, блок 14 индивидуальной настройки рабочих частот вычислительных СБИС, блок 13 мониторинга, оперативную память 12, Flash память 19, процессорное ядро 7, оперативную память И процессорного ядра, блок 27 оперативной реконфигурации вычислительной ПЛИС и память 28 стартовой программы процессорного ядра, причем в вычислительном модуле внешний порт 2 консольного управления соединен с блоком 29 консольного управления, который соединен индивидуальными шинами 30₁…30_N консольного управления с процессорными ядрами 7 субмодулей 22₁, …, 22_N, внешний порт 20 контроля и управления СБИС соединен общей шиной 34 контроля и управления вычислительными СБИС субмодулей с вычислительными СБИС 5₁…5_K субмодулей 22₁, …, 22_N, внешний порт 8 мониторинга и управления общей шиной 24 мониторинга соединен с блоками 9 контроля и управления питанием вычислительных СБИС и блоками 13 мониторинга субмодулей 22₁, …, 22_N, блок 4 индикации состояния соединен шиной 26 аварийного состояния с блоком 15 управления питанием и с блоками 13 мониторинга субмодулей 22₁, …, 22_N, консоль 16 ручного управления соединена с блоком 4 индикации, блоком 29 консольного управления и блоком 15 управления питанием, который индивидуальными шинами 33₁…33_N контроля и управления питанием вычислительных СБИС соединен с блоками 9 контроля и управления питанием вычислительных СБИС субмодулей 22₁, …, 22_N, кроме того процессорные ядра 7 субмодулей 22₁, …, 22_N соединены с соответствующими одноименными внешними сетевыми портами 3₁, …, 3_N, а вычислительные ПЛИС 1 субмодулей 22₁, …, 22_N соединены общий шинной 31 контроля и управления вычислительными ПЛИС субмодулей с внешним портом 6 контроля и управления вычислительными ПЛИС и индивидуальными шинами 32₁…32_N индикации субмодулей соединены с блоком 4 индикации состояния, кроме того, в субмодулях 22₁, …, 22_N процессорные ядра 7 соединены с памятями 28 стартовых программ процессорных ядер, оперативными памятями 11 процессорных ядер и вычислительными ПЛИС 1, которые соединены с блоками 9 контроля и управления питанием вычислительных СБИС, с Flash памятями 19, с оперативными памятями 12, с памятями 10 конфигураций вычислительных ПЛИС шинами 17 оперативной записи памятей конфигураций и шинами 18 реконфигурации вычислительных ПЛИС, шинами 35 мониторинга и управления с блоками 13 мониторинга, шинами 21 настройки рабочих частот с блоками 14 индивидуальной настройки рабочих частот вычислительных СБИС, а также вычислительные ПЛИС 1 соединены индивидуальными высокоскоростными последовательными интерфейсами 23₁…23_K с группой из K вычислительных СБИС 5₁…5_K, которые соединены соответствующими индивидуальными шинами 25₁…25_K синхронизации с блоками 14 индивидуальной настройки рабочих частот вычислительных СБИС, кроме того, вычислительные ПЛИС 1 соединены с блоками 27 оперативной реконфигурации вычислительных ПЛИС, которые соединены с памятями 10 конфигураций вычислительных ПЛИС.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 приведена функциональная схема автономного вычислительного модуля с субмодулями.

На фиг. 1 и в тексте приняты следующие сокращения и обозначения:

N - количество субмодулей автономного вычислительного модуля;

K - количество вычислительных СБИС субмодуля;

1 - вычислительная ПЛИС субмодуля;

2 - внешний порт консольного управления;

3₁, …, 3_N - группа из N внешних сетевых портов;

4 - блок индикации состояния;

5₁…5_K - группа из K вычислительных СБИС субмодуля;

6 - внешний порт контроля и управления вычислительными ПЛИС субмодулей;

7 - процессорное ядро субмодуля;

8 - внешний порт мониторинга и управления;

9 - блок контроля и управления питанием вычислительных СБИС субмодуля;

10 - память конфигураций вычислительной ПЛИС субмодуля;

11 - оперативная память процессорного ядра субмодуля;

12 - оперативная память субмодуля;

13 - блок мониторинга субмодуля;

14 - блок индивидуальной настройки рабочих частот вычислительных СБИС субмодуля;

15 - блок управления питанием;

16 - консоль ручного управления;

17 - шина оперативной записи памяти конфигурации вычислительной ПЛИС субмодуля;

18 - шина реконфигурации вычислительной ПЛИС субмодуля;

19 - Flash память субмодуля;

20 - внешний порт контроля и управления вычислительных СБИС субмодулей;

21 - шина настройки рабочих частот вычислительных СБИС субмодуля;

22₁, …, 22_N - группа из N субмодулей вычислительного модуля;

23₁…23_K - K индивидуальных высокоскоростных последовательных интерфейсов вычислительных СБИС субмодуля;

24 - общая шина мониторинга и управления;

25₁…25_K - K индивидуальных шин синхронизации вычислительных СБИС субмодуля;

26 - шина аварийного состояния;

27 - блок оперативной реконфигурации вычислительной ПЛИС субмодуля;

28 - память стартовой программы процессорного ядра субмодуля;

29 - блок консольного управления;

30₁…30_N - N индивидуальных шин консольного управления процессорных ядер субмодулей;

31 - общая шина контроля и управления вычислительными ПЛИС субмодулей;

32₁…32_N - N индивидуальных шин индикации субмодулей;

33₁…33_N - N индивидуальных шин контроля и управления питанием вычислительных СБИС субмодулей;

34 - общая шина контроля и управления вычислительными СБИС субмодулей;

35 - шина мониторинга и управления субмодуля.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИ

Все субмодули 22₁, …, 22_N могут быть реализованы на плате вычислительного модуля или выполнены на отдельных платах, которые устанавливаются на вычислительный модуль как мезонины. Субмодули 22₁,…, 22_N подключаются к одноименным внешним сетевым портам 3₁, …, 3_N, к общей шине 24 мониторинга и управления, внешним портам 6 контроля и управления вычислительными ПЛИС, блоку 29 консольного управления, внешнему порту 20 контроля и управления вычислительными СБИС, блоку 4 индикации состояния и блоку 15 управления питанием.

Субмодули 22₁, …, 22_N предназначены для непосредственного решения задач пользователей и мониторинга состояния своих вычислительных ПЛИС и СБИС. При этом один из субмодулей 22₁, …, 22_N автономного вычислительного модуля, в программе процессорного ядра которого загружены подпрограммы взаимодействия с централизованной системой мониторинга, управления питанием и вентиляторами охлаждения, является ведущим в автономном вычислительном модуле и осуществляет данные функции при работе, как в автономном режиме, так и в составе вычислительной системы.

Процессорное ядро 7 субмодулей предназначено для организации взаимодействия вычислительной ПЛИС 1 и вычислительных СБИС 5₁…5_K через внешние сетевые порты 3₁…3_N по интерфейсу Ethernet с пользователями при решении трудоемких вычислительных задач и организации мониторинга их состояния.

Оперативная память 11 процессорного ядра 7 предназначена для функционирования операционной системы (например, Linux), исполняемых программ, хранения исходных данных и результатов работы программ, а также хранения информации о текущем состоянии вычислительного модуля.

Внешние сетевые порты 3₁, …, 3_N предназначены для подключения субмодулей 22₁, …, 22_N к сети Ethernet вычислительной системы.

Вычислительная ПЛИС 1 субмодулей предназначена для осуществления высокопроизводительной предварительной обработки поступающих входных данных и последующей дообработки результатов работы вычислительных СБИС. Кроме того, вычислительная ПЛИС 1 осуществляет запись собственной памяти 10 конфигурации, обмен информацией с блоком 13 мониторинга, блоком 14 индивидуальной настройки рабочих частот и блоком 9 контроля и управления питанием, обеспечивая тем самым мониторинг состояния соответствующих СБИС, осуществляя управление их питанием и настройку рабочих частот.

Внешний порт 8 мониторинга и управления предназначен для подключения к централизованной системе мониторинга и управления при работе вычислительного модуля в составе вычислительной системы или к портам управления автономным питанием и автономными вентиляторами охлаждения при автономной работе.

Памяти 10 конфигураций вычислительной ПЛИС 1 предназначены для хранения индивидуальных конфигураций, которые загружаются в вычислительную ПЛИС 1 при включении питания или под управлением блока 27 оперативной реконфигурации вычислительной ПЛИС.

Блок 27 оперативной реконфигурации вычислительной ПЛИС предназначен для управления реконфигурированием вычислительной ПЛИС без выключения питания из памяти 10 конфигураций по индивидуальной команде вычислительной ПЛИС.

Память 28 стартовой программы процессорного ядра предназначена для хранения индивидуальной стартовой и рабочих программ, которые загружаются в процессорное ядро 7 по включению питания или под управлением блока 27 оперативной реконфигурации при реконфигурировании вычислительной ПЛИС в случае реализации процессорного ядра на вычислительных ресурсах вычислительной ПЛИС.

Вычислительные СБИС 5₁…5_K субмодулей 22₁, …, 22_N являются заказными компонентами и предназначены для осуществления как прямой схемотехнической реализации критических участков трудоемких фрагментов вычислительных алгоритмов, так и выполнения программно-аппаратной обработки данных для широких классов вычислительно сложных задач.

Оперативная память 12 субмодулей предназначена для буферизации очередных заданий, обрабатываемых данных и полученных результатов при использовании заказных вычислительных СБИС с прямой схемотехнической реализацией критических участков трудоемких фрагментов вычислительных алгоритмов, и для хранения исполняемых вычислительными СБИС программ и промежуточных результатов при использовании заказных вычислительных СБИС с программной обработкой.

Flash память 19 предназначена для хранения выполняемых программ при использовании вычислительных СБИС с программной реализацией трудоемких фрагментов вычислительных алгоритмов.

Внешний порт 6 предназначен для организации контроля и управления вычислительными ПЛИС 1 субмодулей 22₁, …, 22_N средствами САПР на этапе настройки вычислительного модуля, в том числе при начальной записи памяти 10 конфигурации вычислительных ПЛИС 1 и памяти 28 стартовых программ процессорных ядер 7, при реализации последних на ресурсах вычислительной ПЛИС, а также при диагностике неисправностей.

Внешний порт 20 предназначен для организации контроля и управления вычислительными СБИС 5₁…5_K субмодулей 22₁, …, 22_N средствами САПР на этапе настройки вычислительного модуля.

Блок 9 контроля и управления питанием вычислительных СБИС субмодулей 22₁, …, 22_N предназначен для реализации независимого контроля и управления преобразователями питания (на чертеже не показаны) вычислительных СБИС как по внешнему порту 8 мониторинга и управления по общей шине 24 мониторинга и управления, так и от вычислительной ПЛИС 1 в зависимости выполняемой задачи и их температурного состояния.

Блок 13 мониторинга предназначен для контроля температурного режима вычислительной ПЛИС 1 и вычислительных СБИС 5₁…5_K субмодулей 22₁, …, 22_N как по шинам 35 мониторинга и управления субмодулей 22₁, …, 22_N вычислительными ПЛИС с использованием датчиков температуры, встроенных в вычислительные ПЛИС и вычислительные СБИС (датчики температуры на фиг. 1 не показаны), так и по общей шине 24 мониторинга и управления через внешний порт 8 мониторинга и управления.

Блок 14 индивидуальной настройки рабочих частот предназначен для обеспечения требуемыми индивидуальными рабочими частотами вычислительных СБИС, с управлением от вычислительной ПЛИС 1 по шине 21 настройки рабочих частот вычислительных СБИС.

Блок 15 управления питанием предназначен для включения питания вычислительной ПЛИС 1 и выключения питания вычислительной ПЛИС 1 субмодулей 22₁, …, 22_N с предварительным выключением питания вычислительных СБИС 5₁…5_K, как при превышении их температуры критического порога, так и по команде с консоли 16 ручного управления при проведении ремонтно-восстановительных работ, связанных с заменой неисправных субмодулей.

Блок 29 консольного управления, совместно с внешним портом 2 консольного управления, предназначен для организации взаимодействия одного из субмодулей 22₁, …, 22_N вычислительного модуля без подключения его по внешнему сетевому порту к общей сети Ethernet при отладке программ и контроля функционирования его компонент.

Блок 4 индикации состояния предназначен для организации визуального контроля состояния вычислительного модуля с целью оперативного принятия решений оператором при различных ситуациях, как в процессе отладки программ, так и в процессе его эксплуатации.

Консоль 16 ручного управления предназначена для взаимодействия оператора с блоком 29 консольного управления, с блоком 4 индикации и блоком 15 управления питанием для задания номера субмодуля с процессорным ядром которого будет осуществляться связь по внешнему порту 2, состояние которого будет индицироваться и управление питанием которого будет осуществляться при его замене в процессе его обслуживания. Консоль 16 ручного управления представляет собой, в простейшем случае, кнопку без фиксации состояния, при помощи которой оператор может вручную формировать воздействия в виде коротких (менее 1 секунды), средних (более 2, но менее 4 секунд) и длинных (более 5 секунд) импульсов. Причем количество коротких импульсов может служить номером субмодуля с которым будет осуществляться взаимодействие, по импульсу средней длительности будет осуществляться фиксация (запоминание) данного номера в блоках 29, 4 и 15, а по длинному импульсу может выполняться команда включить\выключить питание субмодуля от блока 15. В общем случае консоль 16 ручного управления может представлять собой разъем для подключения внешнего устройства для взаимодействия оператора с вычислительным модулем в автономном режиме.

Охлаждение вычислительного модуля осуществляется воздушным потоком, формируемым блоком вентиляторов (на чертеже не показан), проходящим через радиаторы их компонент (на чертеже не показаны). Скорость вращения вентиляторов регулируется в зависимости от текущей температуры вычислительных ПЛИС и СБИС блоками 13 мониторинга субмодулей 22₁, …, 22_N при автономном режиме, или централизованной системой мониторинга по информации, получаемой с внешнего порта 8 мониторинга и управления.

Предлагаемый вычислительный модуль поддерживает двухпороговую систему температурной защиты. По первому, предупреждающему порогу скорость вращения вентиляторов системы охлаждения устанавливается в максимальное значение, а при снижении температуры скорость вращения вентиляторов начинает снижаться до рабочей, которая определяется при среднем потреблении вычислительных компонент. По второму - критическому порогу осуществляется отключение питания от соответствующих вычислительных СБИС 5₁…5_K при достижении значений их температуры заданного порога, и отключение питания от вычислительной ПЛИС 1 при достижении значений ее температуры заданного порога, с предварительным выключением питания от соответствующих вычислительных СБИС 5₁…5_K, что осуществляется блоком 15 управления питанием вычислительного модуля на основании анализа состояния данных, передаваемых по шине 26 аварийного состояния, и формируемых блоками 13 мониторинга и блоками 9 контроля и управления питанием вычислительных СБИС 5₁…5_K.

Предлагаемый вычислительный модуль работает в двух режимах:

1. В составе вычислительной системы - в адресном пространстве процессорных ядер 7 субмодулей 22₁, …, 22_N, с единым питанием и охлаждением вычислительной системы, подключенным к общей сети Ethernet вычислительной системы через внешние сетевые порты 3₁, …, 3_N и к централизованной системе мониторинга через внешний порт 8 мониторинга и управления.

2. В автономном режиме - в адресном пространстве процессорных ядер 7 субмодулей 22₁, …, 22_N, с независимыми (собственными) системами питания и охлаждения, подключенными к пользовательской сети Ethernet через внешние сетевые порты 3₁, …, 3_N.

В предлагаемом вычислительный модуле, в отличие от прототипа, отсутствует возможность его непосредственного подключения к управляющей вычислительной машине для работы в ее адресном пространстве. Вычислительные ПЛИС 1, совместно с вычислительными СБИС 5₁…5_K взаимодействуют с управляющей вычислительной машиной только как агенты сети Ethernet через внешние сетевые порты 3₁, …, 3_N.

После подключения автономного вычислительного модуля с установленными субмодулями 22₁, …, 22_N к источникам питания (на чертеже не показаны), общей или пользовательской сети Ethernet через внешние сетевые порты 3₁, …, 3_N, централизованной системе мониторинга или портам управления автономными источниками питания и вентиляторами охлаждения через внешний порт 8 мониторинга и управления и подачей первичного питания прежде всего осуществляется загрузка конфигураций в вычислительные ПЛИС 1 из памятей 10 конфигураций и стартовых программ в процессорные ядра 7 из памятей 28 стартовых программ субмодулей 22₁, … 22_N. Стартовые программы инициируют сетевое взаимодействие процессорных ядер 7 субмодулей 22₁, …, 22_N с ведущими серверами внешней сети, под управлением которых осуществляется загрузка операционных систем (например, Linux) и служебных программ мониторинга состояния и управления питанием и вентиляторами системы охлаждения. Служебные программы осуществляют настройку порогов срабатывания температурной защиты вычислительных ПЛИС 1 и СБИС 5₁…5_K, а также запускаются (инициируются) программы взаимодействия по внешнему порту 8 мониторинга и управления в ведущем субмодуле. После этого осуществляется распределение процессорных ядер 7, вычислительных ПЛИС 1 и СБИС 5₁…5_K субмодулей 22₁, …, 22_N между исполняемыми программами пользователей.

Перед запуском исполняемых программ пользователей выполняется, прежде всего, обновление конфигураций вычислительных ПЛИС 1 субмодулей 22₁, …, 22_N программами, соответствующими выполняемым задачам, путем предварительной записи соответствующих конфигураций в памяти 10 конфигураций. В связи с этим рабочие конфигурации вычислительных ПЛИС 1 пользователей должны содержать в своем составе помимо рабочих также и служебные модули. Обязательный набор служебных модулей должен обеспечивать выполнение, как минимум, функции записи памяти 10 конфигураций, взаимодействия с блоком 9 контроля и управления питанием вычислительных СБИС, блоком 13 мониторинга, блоком 14 индивидуальной настройки рабочих частот вычислительных СБИС и блоком 27 оперативной реконфигурации вычислительной ПЛИС.

После записи рабочих конфигураций в память 10 блоком 27 осуществляется оперативная реконфигурация вычислительной ПЛИС 1 программами уже соответствующими выполняемой задаче. После окончания конфигурирования в вычислительной ПЛИС 1 выполняется настройка рабочих частот вычислительных СБИС 5₁…5_K и запускаются служебные модули программ индивидуального мониторинга. После этого субмодули 22₁, …, 22_N переходят в состояние готовности выполнения программ пользователей.

Исполнительные модули программ пользователей запускаются на выполнение в оперативных памятях 11 процессорных ядер 7 субмодулей, и осуществляют, при необходимости в зависимости от задачи, загрузку Flash памяти 19 выполняемых программ при использовании вычислительных СБИС 5₁…5_K с программной реализацией трудоемких фрагментов вычислительных алгоритмов, оперативной памяти 12 исходными данными пользователей, включают питание на вычислительных СБИС 5₁…5_K и запускают задачу на выполнение.

В процессе выполнения задач, осуществляется обмен данными и результатами по внешним сетевым портам 3₁, …, 3_N. Параллельно с выполнением программ пользователей, служебные программы осуществляют контроль состояния компонент субмодулей 22₁, …, 22_N, и, по необходимости, информируют пользователей о текущем температурном состоянии вычислительных компонент, с целью своевременного принятия решения о понижении рабочих частот вычислительных СБИС, отключения от них питания и приостановки обработки данных для охлаждения компонент субмодулей.

После завершения обработки текущих задач пользователей субмодули 22₁, …, 22_N переходят к обработке очередных заданий, при этом возможно не только реконфигурирование вычислительных ПЛИС, но и перезагрузка операционной системы процессорных ядер и исполнительных программ пользователей независимо от состояния, еще работающих субмодулей 22₁, …, 22_N. Однако при перезагрузке операционной системы и вычислительного ПЛИС 1 ведущего субмодуля автономного вычислительного модуля его функции по взаимодействию через внешний порт 8 мониторинга и управления передаются другому субмодулю.

В отличие от прототипа, суммарная скорость взаимодействия в предлагаемом изобретении, а соответственно и объемы обрабатываемых массивов, будут до N раз больше, за счет наличия N внешних портов, что расширяет классы эффективно решаемых задач связанных с обработкой больших объемов информации.

Кроме того возможность гибкого (программного) перераспределения вычислительных ресурсов вычислительного модуля между пользователями и задачами с точностью до одного субмодуля в составе: процессорное ядро 7, вычислительная ПЛИС 1 и K вычислительных СБИС 5₁…5_K, что соответствует одному агенту сети Ethernet, позволяет более полно, в отличие от прототипа, использовать вычислительные ресурсы модуля, фактически увеличивая вычислительную мощность системы в целом.

Наличие в автономном вычислительном модуле блока 15 управления питанием совместно с консолью 16 ручного управления и реализация субмодулей в виде мезонинов, устанавливаемых на вычислительный модуль, упрощает его эксплуатацию (автономную проверку, замену субмодулей) в многозадачных и многопользовательских системах.

ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предлагаемый автономный вычислительный модуль с субмодулями может быть выполнен на следующих элементах:

вычислительная ПЛИС 1 и процессорное ядро 7 субмодулей 22₁, …, 22_N - на микросхеме фирмы Xilinx ZYNQ-7 XC7Z007S-2CLG400E;

память стартовых программ 28 процессорного ядра и память 10 конфигураций вычислительной ПЛИС 1 субмодулей 22₁, …, 22_N - на микросхемах на SPI-памяти N25Q064A11EF640;

оперативная память 11 процессорных ядер 7 субмодулей 22₁, …, 22_N и оперативная память 12 субмодулей 22₁, …, 22_N - на микросхемах MT46H128M16LFDD-48;

порты 6 и 20 контроля и управления ПЛИС и СБИС - с использованием штатных разъемов MOLEX и микросхем CPLD ХС2С64А;

блок 13 мониторинга - на микросхемах TMP461AIRUNT и МАХ1239ЕЕЕ;

блок 14 индивидуальной настройки рабочих частот вычислительных СБИС - на микросхемах 570FCA000133DG.

Вышеизложенные сведения позволяют сделать вывод, что предлагаемый автономный вычислительный модуль с субмодулями соответствует заявляемому техническому результату - увеличения вычислительной мощности, увеличение скорости обмена данными и результатами обработки, расширение классов эффективно решаемых вычислительно сложных задач, а также упрощение его эксплуатации в многозадачных и многопользовательских системах.

Автономный вычислительный модуль с субмодулями содержит внешний порт 6 контроля и управления вычислительными ПЛИС, внешний порт 20 контроля и управления СБИС, блок 29 консольного управления, внешний порт 2 консольного управления, внешний порт 8 мониторинга и управления, блок 4 индикации состояния, группу из N внешних сетевых портов 3₁, …, 3_N, блок 15 управления питанием, консоль 16 ручного управления и группу из N субмодулей 22₁, …, 22_N, каждый из которых содержит вычислительную ПЛИС 1, группу из K вычислительных СБИС 5₁, …, 5_K, память 10 конфигураций вычислительной ПЛИС, блок 9 контроля и управления питанием вычислительных СБИС, блок 14 индивидуальной настройки рабочих частот вычислительных СБИС, блок 13 мониторинга, оперативную память 12, Flash память 19, процессорное ядро 7, оперативную память 11 процессорного ядра, блок 27 оперативной реконфигурации вычислительной ПЛИС и память 28 стартовой программы процессорного ядра,

причем в вычислительном модуле внешний порт 2 консольного управления соединен с блоком 29 консольного управления, который соединен индивидуальными шинами 30₁…30_N консольного управления с процессорными ядрами 7 субмодулей 22₁, …, 22_N, внешний порт 20 контроля и управления СБИС соединен общей шиной 34 контроля и управления вычислительными СБИС субмодулей с вычислительными СБИС 5₁…5_K субмодулей 22₁, …, 22_N, внешний порт 8 мониторинга и управления общей шиной 24 мониторинга соединен с блоками 9 контроля и управления питанием вычислительных СБИС и блоками 13 мониторинга субмодулей 22₁, …, 22_N, блок 4 индикации состояния соединен шиной 26 аварийного состояния с блоком 15 управления питанием и с блоками 13 мониторинга субмодулей 22₁, …, 22_N, консоль 16 ручного управления соединена с блоком 4 индикации, блоком 29 консольного управления и блоком 15 управления питанием, который индивидуальными шинами 33₁…33_N контроля и управления питанием вычислительных СБИС соединен с блоками 9 контроля и управления питанием вычислительных СБИС субмодулей 22₁, …, 22_N,

кроме того, процессорные ядра 7 субмодулей 22₁, …, 22_N соединены с соответствующими одноименными внешними сетевыми портами 3₁, …, 3_N, а вычислительные ПЛИС 1 субмодулей 22₁, …, 22_N соединены общий шиной 31 контроля и управления вычислительными ПЛИС субмодулей с внешним портом 6 контроля и управления вычислительными ПЛИС и индивидуальными шинами 32₁…32_N индикации субмодулей соединены с блоком 4 индикации состояния,

кроме того, в субмодулях 22₁, …, 22_N процессорные ядра 7 соединены с памятями 28 стартовых программ процессорных ядер, оперативными памятями 11 процессорных ядер и вычислительными ПЛИС 1, которые соединены с блоками 9 контроля и управления питанием вычислительных СБИС, с Flash памятями 19, с оперативными памятями 12, с памятями 10 конфигураций вычислительных ПЛИС шинами 17 оперативной записи памятей конфигураций и шинами 18 реконфигурации вычислительных ПЛИС, шинами 35 мониторинга и управления с блоками 13 мониторинга, шинами 21 настройки рабочих частот с блоками 14 индивидуальной настройки рабочих частот вычислительных СБИС, а также вычислительные ПЛИС 1 соединены индивидуальными высокоскоростными последовательными интерфейсами 23₁…23_K с группой из K вычислительных СБИС 5₁…5_K, которые соединены соответствующими индивидуальными шинами 25₁…25_K синхронизации с блоками 14 индивидуальной настройки рабочих частот вычислительных СБИС, кроме того, вычислительные ПЛИС 1 соединены с блоками 27 оперативной реконфигурации вычислительных ПЛИС, которые соединены с памятями 10 конфигураций вычислительных ПЛИС.