Исторический вклад ИТМи. ВТ в разработку высокопроизводительных вычислительных комплексов Современные работы Сергей Калин, Директор ИТМи. ВТ
План доклада § История ИТМи. ВТ § Стратегия на 2005 - 2014 гг. § ИТМи. ВТ сегодня
История § § § Институт основан в 1948 г. Создано более 20 типов вычислительных комплексов для стратегических оборонных систем (ПРО, СПРН, СККП), ЗРК С-300, для управления космическими полетами и проведения научных исследований Основные разработки Института – серия универсальных машин БЭСМ, специальные вычислители М-20, М-40, 5 Э 92 Б, 5 Э 65, 5 Э 67, 5 Э 261— 5 Э 265, многомашинные вычислительные комплексы «Эльбрус 1, 2» Более 70 человек удостоены различных премий - Ленинской, Государственной, Совета Министров. Получено 700 авторских свидетельств, оформлено 60 патентов, опубликовано более 1500 научных работ Мобильный ЗРК ПВО С-300 под управлением ЭВМ 5 Э 261/2
БЭСМ АН СССР § § Главный конструктор - академик С. А. Лебедев Принята Государственной комиссией в 1953 г. Самая быстродействующая ЭВМ в Европе - средняя производительность составляла 10 тыс. оп/с. Важной особенностью БЭСМ стало введение операций над числами с плавающей запятой. На БЭСМ обеспечивалась высокая точность вычислений (около 10 десятичных знаков)
«Диана 1, 2» § Руководители работ: академик С. А. Лебедев, Д. Ю. Панов, В. И. Рыжов, В. С. Бурцев, Г. Т. Артамонов § Окончание разработки и проведение испытаний в 1955 г. § Особенности: осуществление автоматического съема данных с обзорной радиолокационной станции с селекцией объекта от шумов, одновременное сопровождение нескольких целей с построением траектории их движения и наведение самолета на цель (указанные функции осуществлены впервые в мире); преобразование интервалов времени и угловых положений в числовые величины (оцифровка данных)
М-20, быстродействие 20 тыс. оп/с § § Главный конструктор академик С. А. Лебедев. Введена в действие в 1958 г. Выпускалась серийно. Особенности: впервые в отечественной практике применена автоматическая модификация адреса; совмещение работы арифметического устройства АУ и выборки команд из памяти; введение буферной памяти для массивов, выдаваемых на печать; совмещение печати со счетом; использование накопителя на магнитных лентах НМЛ с быстрым пуском и остановом; Для М-20 разработана одна из первых систем программного обеспечения ИС-2. (Институт прикладной математики АН СССР)
БЭСМ-4, быстродействие 20 тыс. оп/с § § § Научный руководитель разработки — академик С. А. Лебедев. Главный конструктор БЭСМ-4 — О. П. Васильев. БЭСМ-4 являлась фактически модернизацией ЭВМ М-20 с использованием полупроводниковых элементов и несколько расширенной системой команд Введена в строй в 1962 г. Выпускалась серийно Применялась для решения различных задач в вычислительных центрах, научных лабораториях, для автоматизации физического эксперимента и др. Принципиальные особенности: использованы полупроводниковые элементы; машина программно совместима с ЭВМ М-20; работа с удаленными объектами по каналам связи. Четыре входа с телефонных и 32 входа с телеграфных линий связи с соответствующими скоростями — 1200 и 50 бод
ЭВМ М-40, быстродействие 40 тыс. оп/с § § Главный конструктор: академик С. А. Лебедев, зам. главного конструктора — ответственный исполнитель: В. С. Бурцев На основе М-40 были разработаны принципы построения вычислительных средств ПРО и создан высокопроизводительный вычислительный комплекс для решения задач высококачественного автоматического управления сложными, разнесенными в пространстве объектами, работающими в реальном масштабе времени Начала выполнять боевые задачи в 1957 г. Особенности: плавающий цикл управления операциями, позволяющий совместить во времени работу арифметического устройства, ОЗУ и процессора ввода вывода; асинхронная работа с 8 дуплексными радиорелейными линиями связи с общей пропускной способностью 1 млн бит/с без снижения производительности вычислительной системы; впервые использовано совмещение выполнения операций с обменом; мультиплексный канал обмена; работа с удаленными объектами по радиорелейным дуплексным линиям связи
ЭВМ 5 Э 92 б, быстродействие 500 тыс. оп/с § § § Главный конструктор: академик С. А. Лебедев, зам. главного конструктора: В. С. Бурцев Машина применялась в вычислительных и управляющих информационных комплексах системы ПРО, комплексах управления космическими объектами, центрах контроля космического пространства и др. Год окончания разработки — 1961 г. В этой ЭВМ впервые был реализован принцип многопроцессорности, внедрены новые методы управления внешними запоминающими устройствами, позволяющие осуществить одновременную работу нескольких машин на единую внешнюю память. Комплекс мог включать в зависимости от решаемых задач 1, 2, 4 или 8 ЭВМ. Особенности: одна из первых полностью полупроводниковых ЭВМ; двухпроцессорный комплекс с общим полем оперативной памяти; полный аппаратный контроль; возможность создания многомашинных систем с общим полем внешних запоминающих устройств; возможность автоматического скользящего резервирования машин в системе; развитая система прерываний с аппаратным и программным приоритетом; работа с удаленными объектами по дуплексным телефонным и телеграфным линиям
БЭСМ-6, быстродействие 1 млн оп/с § § § Главный конструктор: академик С. А. Лебедев; заместители главного конструктора: В. А. Мельников, Л. Н. Королев, Л. А. Теплицкий Выпускалась серийно с 1967 г. в течение 17 лет и использовались в крупных вычислительных центрах многих отраслей народного хозяйства, в научных институтах, учебных заведениях, в системах управления сложными техническими объектами Первая в СССР ЭВМ, имеющая быстродействие 1 млн оп/с. Стала одной из лучших в мире среди суперкомпьютеров второго поколения
БЭСМ-6, особенности § § § § Система элементов с широкими логическими возможностями и парафазной синхронизацией Глубокое совмещение выполнения команд на основе асинхронной конвейерной структуры Использование ассоциативной сверхбыстродействующей буферной памяти Первое использование виртуальной памяти в отечественных машинах Использование стекового ( «магазинного» ) способа обращения к памяти Совмещенный со счетом параллельный обмен массивами данных по шести каналам с магнитными барабанами, магнитными дисками и магнитными лентами; Операционная система с многопрограммным режимом работы Высокие показатели машины получены при сравнительно небольшом количестве полупроводниковых приборов (около 60 тыс. триодов и 180 тыс. диодов), что показывает рациональность принятых схемных решений
ЭВМ 5 Э 65, быстродействие 200 тыс. оп/с § Главный конструктор: академик С. А. Лебедев, заместитель главного конструктора: И. К. Хайлов § Год окончания разработки: 1968. Год начала выпуска: 1969. § 5 Э 65 — перевозимый высокопроизводительный вычислительный комплекс специального применения — в системах противоракетной (ПРО) и противосамолетной обороны (ПСО), обеспечивающий при слежении за объектами в реальном масштабе времени в полевых условиях прием и обработку данных с высокой степенью достоверности за счет применения памяти с неразрушающим считыванием, полного аппаратного контроля, средств устранения последствий сбоев
ЭВМ 5 Э 67, быстродействие 600 тыс. оп/с § Перевозимый многомашинный высокопроизводительный комплекс на базе модифицированной 5 Э 65 с общим полем внешней памяти, аппаратно-программными средствами реконфигурации на уровне машин § Комплекс обеспечивает работу в жестких климатических условиях § На базе 5 Э 67 был создан комплекс радионаблюдения в атмосфере и космосе в реальном масштабе времени.
ЭВМ 5 Э 26, быстродействие 1, 5 млн оп/с § § § Главные конструкторы — С. А. Лебедев, В. С. Бурцев Заместители главных конструкторов: Е. А. Кривошеев, В. Н. Лаут, А. А. Новиков, Ю. Д. Острецов, М. И. Одесский, Д. Б. Подшивалов, Г. С. Марченко Год окончания разработки и начала выпуска: 1978. Выпущено — 1, 5 тыс. машин Первая ЭВМ в СССР, построенная на отечественных интегральных схемах. ЭВМ 5 Э 26 является мобильной управляющей многопроцессорной высокопроизводительной вычислительной системой, построенной по модульному принципу. ЭВМ 5 Э 26 всех модификаций, благодаря правильности принятых на начальном этапе их разработки решений и высокой надежности, обеспечиваемой отказоустойчивой архитектурой, эксплуатируются до сих пор (на протяжении более чем 25 лет). Особенности: мобильная многопроцессорная высокопроизводительная структура, построенная по модульному принципу, легко адаптируемая к различным требованиям по производительности и памяти в системах управления; машина с автоматическим резервированием на уровне модулей, обеспечивающая восстановление вычислительного процесса при сбоях и отказах аппаратуры в системах управления, работающая в реальном времени; машина может быть использована как универсальная ЭВМ, снабженная развитым математическим обеспечением, эффективной системой автоматизации программирования и возможностью работы с языками высокого уровня; энергонезависимая память команд на микробиаксах с возможностью электрической перезаписи информации с внешних носителей.
ЭВМ 40 У 6, быстродействие 3, 5 млн оп/с • • • Главный конструктор: Е. А. Кривошеев Заместители главного конструктора: Л. А. Козлов, Е. Ф. Бережной, Ю. С. Рябцев, Д. Б. Подшивалов, П. В. Борисов, Б. А. Вайсбурд Год окончания разработки и начала выпуска: 1988, применяется по настоящий момент ЭВМ 40 У 6 является модернизацией ЭВМ 5 Э 26 и имеет следующие технические характеристики: для повышения производительности увеличено число процессоров с 3 до 5.
МВК «Эльбрус-1» , «Эльбрус-2» , 15 – 120 млн оп/с § § Главный конструктор: В. С. Бурцев. Зам. главного конструктора: В. И. Рыжов, В. Ф. Артюхов, Б. А. Бабаян, В. В. Бардиж, В. А. Катков, В. Н. Лаут, Ю. В. Никитин, А. А. Новиков, И. И. Наумов, Ю. С. Рябцев, Ю. Х. Сахин, М. В. Тяпкин, В. С. Чунаев, И. К. Хайлов, Э. Р. Фильцев Год окончания разработки: МВК Эльбрус-1 — 1979, МВК Эльбрус-2 — 1984 Типовые комплектации: однопроцессорная, двухпроцессорная, четырехпроцессорная и десятипроцессорная Создаваемые на базе МВК «Эльбрус-2» вычислительные комплексы имеют высокие показатели надежности и достоверности выдаваемой информации за счет модульного принципа построения и наличия системы реконфигурации, которая при возникновении сигнала неисправности от системы аппаратного контроля модуля автоматически исключает его из состава комплекса и восстанавливает прерванный вычислительный процесс
Специальная вычислительная система СВС, быстродействие 2 – 3 млн оп/с • СВС – это процессор , полностью воспроизводящий систему команд ЭВМ БЭСМ-6 • Прошел испытания в 1980 г. • Выпускалась серийно с 1980 по 1988 г. Было выпущено около 50 экземпляров • Процессор СВС увеличивал скорость прохождения программ БЭСМ-6 в 2 3 раза и давал возможность использовать все стандартные внешние устройства ЕС ЭВМ и внешнюю память на магнитных барабанах
ВК «Эльбрус 1 -КБ» § Процессор «Эльбрус 1 -КБ» является модернизацией СВС. § Отличительной особенностью 1 -КБ от СВС является введение двух дополнительных режимов работы наряду с режимом полной совместимости с БЭСМ-6 (реализованной в СВС). Первый из них расширяет виртуальное адресное пространство до 27 разрядов. Второй дополнительный режим позволяет кроме увеличения адреса увеличить разрядность слова до 64 разрядов. § Год окончания разработки и начала серийного выпуска: 1988 § Было выпущено более 60 машин
Модульный конвейерный процессор (МКП) § Главный конструктор: А. А. Соколов, заместители главного конструктора: В. Л. Ли и А. Ю. Бяков § МКП обладал производительностью одного процессора: на совмещенной скалярно-векторной обработке — до 1500 млн оп/с, на скалярных операциях до 100 млн оп/с; § Разработка начата в 1979 г. и завершена в 1989 г. До 1995 г. было изготовлено 4 МКП § МКП обладал (для 1980 -х гг. ) исключительно высокой производительностью, которая достигалась распределением скалярных и векторных операций по разным асинхронно работающим блокам, связанным с локальной памятью большого объема § В МКП были реализованы элементы архитектуры МIМD, то есть выполнялись два независимых потока команд, обрабатывающих несколько потоков данных
План доклада § История ИТМи. ВТ § Стратегия на 2005 - 2014 гг. § ИТМи. ВТ сегодня
Миссия и цели Миссия § воссоздание школы передовых отечественных разработок в области информационно-коммуникационных технологий § сохранение интеллектуального потенциала России, формирование новой научной и инженерной элиты Стратегическая цель § стать крупнейшим российским R&D центром, ведущим научные исследования, собственные и заказные разработки продуктов и решений в области ИКТ
Структура работы ИТМи. ВТ
Общая структура R&D-центра
План доклада § История ИТМи. ВТ § Стратегия на 2005 – 2014 гг. § ИТМи. ВТ сегодня
R&D-центр ИТМи. ВТ
Направления исследований и разработок § § § § § Cуперкомпьютеры, вычислительные центры, спецвычислители Электронно-компонентная база оборонного, специального и промышленного назначения Встраиваемые системы для ответственных применений Навигационные управляющие системы Системы информационной безопасности Беспроводные системы мониторинга Корпоративные информационные системы Оптимизирующие компиляторы Системы автоматизации проектирования Системы с адаптивным управлением
Отраслевые фокусы ИТМи. ВТ § § § Государственные и коммерческие компании по направлениям: Электроника Авиация и космос Топливно-энергетический сектор Транспорт Связь и телекоммуникации Промышленные предприятия Федеральные и региональные органы государственной власти Предприятия и институты оборонно-промышленного комплекса
Проект вычислительной системы нетрадиционной архитектуры § В основе проекта – не фон-неймановская модель вычислений, являющаяся обобщением динамического dataflow § Главное отличие от традиционного dataflow – введение понятия виртуального вычислительного пространства § Каждая программа задает свое собственное единое (вообще говоря, многомерное) адресное пространство, к которому привязаны все вычисления и все данные. § Это свойство модели позволило найти подход к решению следующих основных проблем, существующих на пути построения эффективных dataflow-архитектур: локальность вычислений планирование вычислений языковая проблема (компиляция последовательных программ на потоковый язык)
Проект вычислительной системы нетрадиционной архитектуры Были сформулированы архитектурные принципы реализации модели, ориентированные на создание многоядерного процессора на кристалле § с небольшой ассоциативной памятью в каждом ядре (кэш 1 -го уровня); § с развитой иерархией запоминающих устройств, максимально использующей традиционную память; § с автоматическими аппаратно поддержанными механизмами распределения вычислений по физическому пространству и времени; § с возможностью масштабирования архитектуры без перекомпиляции исходных программ.
Оптимизирующие компиляторы § Разработка инновационной Универсальной технологии оптимизирующей компиляции (УТОК) для построения оптимизирующих компиляторов, включая системы автоматического распараллеливания § Создание программных продуктов - анализатора, автоматического распараллеливателя и оптимизатора § Область применения: для любых систем программирования применяемых как для специализированных (встроенных) вычислителей так и для универсальных аппаратных платформ, включая платформы массового параллелизма
Электронно-компонентная база § Разработка аналоговых СБИС § Разработка СБИС типа «система-на-кристалле» § Разработка «сложных функциональных» блоков: ядра процессоров спецвычислители интерфейсы и драйверы встроенные АЦП/ЦАП § Разработка библиотек стандартных компонентов и компиляторов памяти Типовой маршрут проектирования
Встраиваемые системы для ответственного применения § Авиационные системы Системы автоматического управления ГТД Системы обслуживания и диагностики Разработка и тестирование авиационного ПО Авиационные тренажеры § Промышленные контроллеры и АСУ ТП в энергетике и металлургии Исследовательские и испытательные стенды § Информационные технологии в авиации Управление жизненным циклом изделий Компьютерное моделирование
Беспроводные системы мониторинга § § § Проходят сертификацию системы беспроводного контроля: инженерные системы зданий и сооружений промышленный мониторинг АСУ ТП для контроля добычи нефти система речевой аварийной связи Разработаны собственные версии протоколов сетевого взаимодействия и аппаратуры на основе стандарта Zig. Bee/802. 15. 4 Для применения в сенсорных сетях созданы датчики дыма, температуры, влажности, вибрации, магнитного поля, присутствия, освещенности, а также микрофон и фотокамера.
Навигационные и управляющие системы § Разработка и производство радар-процессоров для радиолокационных станций, выпускаемых ОАО «Горизонт» § Проектирование наземной аппаратуры потребителей глобальных навигационных спутниковых систем (ГЛОНАСС/GPS/Galileo) Разработка систем мониторинга и управления автомобильным, водным, рельсовым транспортом Создание системы управления городским освещением Разработка системы для диагностики машин и механизмов циклического действия § § §
Автоматизация проектирования § Разработка программного обеспечения САПР «Ардон» для: оптимизации энергопотребления в стандартных ячейках; автоматизации этапов создания и оптимизации библиотек стандартных ячеек § Характерными особенностями САПР «Ардон» являются: интеграция нескольких инструментов в единую среду исполнения; одновременная возможность анализа, оптимизации и генерации ячеек; уникальная собственная технология многокритериальной оптимизации по энергопотреблению, времени, площади и выходу годных; гибкие возможности создания параметризованных заказных библиотек стандартных ячеек
Спецвычислитель для расчета РЛИ Высокопроизводительный вычислитель для обработки радиолокационных сигналов в режиме реального времени За 5 сек - вычислить 1728 раз матрицу размерностью 64 х 64 § элемент матрицы - комплексное число, § коэффициенты действительной и мнимой части – числа с плавающей запятой формата single Значение матрицы зависит от выборки из 128 входных комплексных векторов Вычисление программным способом (Core 2 Duo, 2, 66 Ггц, 1 Гбайт) > 43 минут – нужно в 500 раз быстрее!
Спецвычислитель для расчета РЛИ Cоздан прототип на базе FPGA Virtex-5 xc 5 vlx 330 Использовано оборудования: § триггера 12 % § логические элементы 53 % Частота 200 МГц Вычисление одной матрицы < 1 мск Производительность ~ 6, 5 млрд операций с плавающей запятой в секунду Полная конвейеризация и использование заказной СБИС отечественного производства с технологией 180 нм ( «Микрон» ) даст увеличение производительности в 5 - 10 раз
Методы адаптивного управления роботами § Основная цель исследований - развитие теории, создание и внедрение нового вида объектов – адаптивных (самообучаемых) программ, машин и приборов (adaptive hard- and software) § Области применения: робототехника машиностроение космонавтика приборостроение Блок-схема методов AAC-Lab Пример робота, двигающегося под управлением методов AAC-Lab
Проекты для российских заказчиков 1 § МИД России, «НИИ Восход» - защищенная информационная система биометрических паспортов нового поколения § МЧС России, Институт «Гипроуглеавтоматизация» - создание системы аварийной связи для горноспасателей § Единая Россия - автоматизированная система учета членов Партии § Гражданские самолеты Сухого: модель силовой установки полноразмерного авиационного тренажера SSJ-100, система обеспечения радиолокационной незаметности перспективного самолета § ОАО «Туполев» - разработка автоматизированной системы обучения для комплексного авиационного тренажера § НПО «Сатурн» - аппаратно-программная платформа встраиваемых распределенных систем управления § ФАП РФ система информационного и навигационного обеспечения движения железнодорожного транспорта, спецстойкое ядро автономного узла сенсорной сети, разработка блоков СВЧ-устройств
Проекты для российских заказчиков 2 § § § § ОАО «НПП «Темп» им. Ф. Короткова» - процессорный модуль системы автоматического управления (САУ) для авиационного двигателя ОАК информационная инфраструктура проекта самолета ИЛ-476 ФГУП ЦИАМ беспроводная система управления авиационного двигателя ООО «СЭПО-ЗЭМ» - разработка бортовых процессорных модулей и испытательных стендов ОАО «КЭМЗ» - разработка интерфейсов, диагностического ПО для авиационного двигателя ОАО «Климов» - проектирование перспективной распределенной системы автоматического управления газотурбинными двигателями; разработка функционального модуля управления интегральной системы бескислородного розжига основной и форсажной камер ГТД Департамент науки и промышленной политики Москвы – разработка комплекса датчиков и беспроводной автоматизированной системы безопасности зданий ОАО «НИИМЭ и завод «Микрон» - разработка быстрой библиотеки стандартных элементов для технологии 0, 18 мкм
Проекты для российских заказчиков 3 § НТЦ «Модуль» - разработка СФ-блока видеоконтроллера высокого разрешения для применения в составе мультимедийных «систем-на-кристалле» для бытовой электроники. § Межведомственный суперкомпьютерный центр РАН – разработка макета суперкомпьютера ТНК BP, Лукойл, Роснефть серия проектов в области разработки прикладного ПО ОАО «АНК «Башнефть» - разработка системы телемеханизации объектов с применением сенсорных сетей § § § ОАО «Горизонт» создание и производство встроенного спецвычислителя для радиолокационных станций МАК «Вымпел» аппаратные ускорители вычислений РНИ КП, ИКИ «Фобос-грунт» система управления сканирующим устройством, вычислительные модули НПП Телда – разработка устройств беспроводной передачи данных для автотранспорта
Кадровый состав ИТМи. ВТ § Общий штат Института составляет 450 человек, в том числе: 12 докторов технических наук 37 кандидатов технических и физико-математических наук 11 руководителей проектов, сертифицированных по PMI 20 аспирантов 35 студентов, участвующих в реальных проектах § Средний возраст сотрудников Института составляет 37 лет § В институте работают специалисты с опытом работы в таких компаниях, как Intel, Nortel, Sun, Cadence, Motorola, Samsung, General Electric, Ericsson, Lucent Technologies, Tower Semiconductor, Mosaic Systems, Virage Logic, Inc, CQG и др.
Спасибо за внимание! Сергей Калин, Директор ИТМи. ВТ svk@ipmce. ru Тел. : (495) 649 -1270 Факс: (495) 649 -1275 ФГУП «Институт точной механики и вычислительной техники им. С. А. Лебедева Российской академии наук» 119991, Москва, Ленинский пр-т, 51 www. ipmce. ru
Скачать презентацию Исторический вклад ИТМи ВТ в разработку высокопроизводительных вычислительных
f0db722c709aefc2544d31fd30ca3e49.ppt