Введение к работе
Актуальность темы. Быстрое развитие электронных технологий, переход на высокочастотные элементы и, как следствие этого, увеличение производительности ЭВМ расширяют возможности применения вычислительной техники для высокопроизводительных приложений, требующих компьютерных архитектур с пиковыми на сегодняшний день техническими характеристиками и вызванных наиболее значимыми фундаментальными научными или инженерными задачами. Эффективное решение крупномасштабных задач численного моделирования и проведение вычислительного эксперимента в фундаментальных и прикладных научных исследованиях возможно только с использованием мощных высокопроизводительных вычислительных ресурсов, рост вычислительных возможностей которых во многом определяется интенсивным развитием средств параллельной работы в аппаратуре ЭВМ. Параллельный подход приводит к самым разнообразным вариантам архитектуры. В качестве параллельных вычислителей широко используются открытые системы массового параллелизма, состоящие из стандартных компонентов, в том числе массовых серийных микропроцессоров. Для создания подобных кластерных компьютеров сформировался как рынок аппаратных средств, так и требуемый для распределенной обработки набор программных компонентов, состоящий из некоммерческого свободно распространяемого программного обеспечения. Естественной проблемой является то, как наилучшим способом использовать имеющиеся аппаратные средства для конкретной вычислительной задачи.
Перспективной областью применения ЭВМ с массовым параллелизмом является решение задачи оптимального синтеза технических устройств и систем с учетом стохастических закономерностей вариаций их параметров и требуемой надежности. Эта задача, которую можно отнести к классу так называемых «Grand Challenges», требует колоссальных вычислительных ресурсов ЭВМ.
Как показывает отечественный и зарубежный опыт исследования и эксплуатации технических систем, значительную часть их отказов составляют постепенные (или параметрические) отказы. При этом задача учета отклонений значений параметров от расчетных в заданном временном интервале функционирования признается одной из наиболее сложных и трудоемких на этапе разработки изделий. Качество и надежность технических объектов в наибольшей степени зависят от качества проектирования. Испортить изделие плохим изготовлением просто. Значительно сложнее исправить неудачную разработку хорошим изготовлением или эксплуатацией.
Проектирование технических устройств и систем с учетом случайных процессов изменения их параметров и требований надежности связано с необходимостью решения целого ряда сложных и трудоемких задач. К их числу относится и задача параметрической оптимизации (параметрическо-
f t>U НАЦИОНАЛЬНА* , БИБЛИОТЕКА {
3 І тврЦ
го синтеза), основные трудности решения которой обусловлены вероятностным характером критерия оптимальности и дефицитом информации о закономерностях случайных процессов изменения параметров проектируемых систем.
Для решения проблемы проектирования технических устройств и систем с учетом производственных (технологических) и эксплуатационных отклонений параметров от номинальных (расчетных) значений в данной работе привлекается функционально-параметрический подход, основу которого составляют вычислительный эксперимент на функциональных моделях (математическое моделирование процессов функционирования исследуемых устройств и закономерностей вариаций их параметров на ЭВМ) и оптимальный параметрический синтез по критериям надежности. Функционально-параметрический подход, наряду с несомненными достоинствами, не свободен от недостатков, самым существенным из которых является его высокая трудоемкость, связанная со сложностью функциональных моделей и использованием статистических методов.
Высокая вычислительная трудоемкость оптимизации по стохастическим критериям заставляет принимать различные меры для получения результатов за приемлемое время. Известными приемами уменьшения вычислительных затрат в задаче параметрического синтеза являются замена исходного стохастического критерия более «легким» детерминированным, уменьшение объема вычислений за счет сокращения числа итераций при статистическом анализе и оптимизации и другие. Применение таких приемов и методов позволяет в 3-5 раз уменьшить вычислительную трудоемкость задачи.
Использование параллельных вычислений и специального программного обеспечения для решения задач параметрического синтеза по критериям надежности в рамках данного подхода может позволить получить решение в приемлемое время без потери точности, не сокращая общее количество вычислений. Поскольку не существует средств автоматического распаралелливания, необходимо в каждом конкретном случае проводить декомпозицию общего алгоритма решения задачи с учетом архитектуры параллельного вычислителя. Реализация данной задачи подразумевает отображение всей вычислительной схемы, включая методы многовариантного детерминированного и статистического анализа, а также оптимизацию по стохастическим критериям на параллельную архитектуру ЭВМ, учитывая топологию межпроцессорных связей и обеспечивая правильность взаимодействия множества параллельно вьшолняющихся независимо друг от друга процессов.
Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка параллельных методов и алгоритмов решения задач параметрического синтеза радиоэлектронной аппаратуры
по критериям надежности, ориентированных на вычислительные комплексы с массивно-параллельной архитектурой.
В соответствии с данной целью необходимо было рассмотреть и решить следующие задачи.
Провести совместный анализ архитектуры суперкомпьютера массивно-параллельного класса на примере МВС-1000/16 и моделей параметрического синтеза (ПС). Разработать концепцию построения параллельных алгоритмов моделей ПС.
Разработать и исследовать параллельный аналог метода статистического моделирования (Монте-Карло) для вычисления оценок вероятности безотказной работы при различных номинальных значениях внутренних параметров. Провести исследования различных модификаций параллельного метода Монте-Карло в зависимости от способов генерации псевдослучайных чисел и межпроцессорных обменов, исследовать различные методы реализации параллельных датчиков случайных чисел, оценить эффективность предложенных параллельных алгоритмов.
Разработать и исследовать параллельный алгоритм многомерного зондирования пространства внутренних параметров, позволяющий осуществить построение области работоспособности в пространстве параметров.
Разработать и исследовать параллельный алгоритм дискретного поиска номинальных значений параметров, доставляющих максимум вероятности безотказной работы.
Разработать соответствующие программные средства и провести вычислительные эксперименты.
Методы исследования. При выполнении диссертации использовались методы математической статистики и теории вероятностей, теории надежности и схемотехнического проектирования, методы параллельного программирования.
Научная новизна результатов работы заключается в создании нового класса эффективных алгоритмических и программных средств многовариантного анализа и оптимизации по стохастическим критериям, ориентированных на решение задач параметрического синтеза с учетом требований надежности на базе современных технологий параллельных и распределенных вычислений.
На защиту выносятся:
1. Эффективный метод и реализующий его параллельный алгоритм
вычисления оценки вероятности безотказной работы в течение заданного
времени для суперкомпьютеров массивно-параллельного типа.
Метод многомерного зондирования пространства внутренних параметров, его параллельное алгоритмическое и программное обеспечение.
Параллельный алгоритм дискретного поиска номинальных значений параметров, доставляющих максимум вероятности безотказной работы в течение заданного времени эксплуатации.
Практическая ценность и реализация результатов.
Полученные в диссертации результаты составляют алгоритмическую и программную основу для создания нового класса систем автоматизированного проектирования радиоэлектронной аппаратуры - параллельных САПР РЭА. Разработанные алгоритмы и программы могут найти применение при решении задач надежностного проектирования и моделирования динамических стохастических систем и процессов, а также быть использованы в качестве стандартного математического обеспечения высокопроизводительных вычислительных систем с массовым параллелизмом.
В диссертации произведено отображение задачи параметрического синтеза на структуру вычислительных комплексов с массовым параллелизмом и кластерных систем. Разработанные параллельные алгоритмы позволяют эффективно задействовать все вычислительные модули с учетом их дальнейшего наращивания и факторов, ограничивающих возможности вычислительной системы.
Разработанные методы, алгоритмы и программное обеспечение рекомендованы к использованию при проектировании аналоговой радиоэлектронной аппаратуры, моделировании динамических стохастических систем, а также в учебном процессе института информационных технологий и технических систем ВГУЭС, базовой кафедры математического моделирования и информатики Дальневосточного Государственного технического университета.
Представленный в работе цикл исследований был выполнен в соответствии с научно-исследовательскими планами ПАПУ ДВО РАН в рамках выполнения разделов следующих программ: Федеральная целевая программа «Интеграция науки и высшего образования России на 2002 - 2006 годы» (государственный контракт № И0103 от 01.07.2002 г.); программа фундаментальных научных исследований Президиума РАН, №17 на 2003-2004 гг. «Параллельные вычисления и многопроцессорные вычислительные системы»; программа фундаментальных исследований Отделения энергетики, механики, машиностроения и процессов управления РАН «Проблемы анализа и синтеза интегрированных технических и социальных систем управления».
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на научных семинарах Института автоматики и процессов управления ДВО РАН в 1998-2004 гг.; на международных конференциях «Вычислительная механика и современные прикладные программные системы», Переславль-Залесский, 1999 г., Владимир, 2003 г.; на международных конференциях по проблемам управления, Москва, 2001, 2003 гг.; на международных конференциях «Параллельные вычисления и задачи управления», Москва, 2001, 2004 гг.; на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем», Пенза, 1997, 1998 гг.; на
международных симпозиумах «Надежность и качество», Пенза, 1999, 2000,
2001, 2002, 2004 гг.; на международных научно-технических конференциях
«Системные проблемы надежности, математического моделирования и
информационных технологий», Сочи, 1999, 2000 гг.; на международном
симпозиуме по автоматизации проектирования систем управления США,
Гавайи, 1999 г.; на Азиатских международных конференциях по пробле
мам управления («Asian Control Conference, ASCC»), Шанхай, 2000 г.,
Сингапур, 2002 г., Мельбурн, 2004 г.; на международной конференции по
параллельным и распределенным методам вычислений («International Con
ference on Parallel and Distributed Processing Techniques and Applications,
PDPTA'2001»), Лас-Вегас, США, 2001 г.; на международной конференции
«The Fourth International Conference. TOOLS FOR MATHEMATICAL
MODELLLING». Санкт-Петербург, 2003 г.; на Дальневосточных матема
тических школах-семинарах им. ак. Е.В. Золотова, Владивосток, 2001,
2002, 2003, 2004 гг.; на научной конференции «Молодежь и научно-
технический прогресс», Владивосток, 1998 г.
Публикации по теме диссертации. По основным результатам, полученным в диссертационной работе, опубликовано 25 работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 117 наименований, и 3-х приложений. Работа содержит 148 страниц, 15 рисунков и 4 таблицы.
