Введение к работе
Актуальность темы
Использование в архитектуре вычислительных систем различных принципов реализации конвейерно-параллельных вычислений - в настоящее время является одним из наиболее перспективных и активно развивающихся направлений повышения эффективности функционирования вычислительных средств. Но несмотря на впечатляющие достижения в создании микропроцессорной элементной базы, разработчики по-прежнему продолжают уделять большое внимание новым архитектурным решениям, обеспечивающим качественно более существенный рост производительности за счет различных способов организации работы многих процессоров. Поэтому архитектуры вычислительных систем, использующие параллелизм, такие как мультипроцессорные системы с общей памятью (SMP) и мультипроцессорные системы с распределенной памятью (МРР) - сегодня в центре внимания. Мультикомпьютерные системы (МКС), исследование которых выполняется в данной работе, относятся к МРР-системам сетевого типа. Вычислительная архитектура МКС отличается возможностью программируемости структуры взаимодействия образующих систему вычислителей. Важным моментом в развитии МКС является получение знаний об эффективности организации и характере протекающих в них процессов. При выборе или проектировании вычислительной системы для решения прикладных задач необходимо также знать насколько данная система инвариантна к набору решаемых задач в случае его видоизменения или расширения.
Разнообразие аппаратных, системных, программных средств позволяет формировать различные конфигурации мультикомпьютерных систем. Однако добиться архитектурного и конфигурационного соответствия МКС не только заданному типу задач, но и его возможному расширению - достаточно сложная задача. Отсюда возникает проблема прогнозирования качественных характеристик МКС в зависимости от значений многочисленных параметров, характеризующих не только организацию и состав аппаратных средств, но и варьируемый тип решаемых задач. Одним из результатов такого прогнозирования может служить ответ на вопрос: насколько хорошо данная МКС сохраняет свои показатели по производительности при изменении в определенных пределах структуры и параметров решаемых задач? Возможный подход к решению - целенаправленное приобретение эмпирических знаний, необходимых для прогнозирования показателей качества МКС в зависимости от внутренних свойств аппаратно-программных средств при изменении характеристик потока решаемых задач в определенных пределах.
В диссертации разрабатываются методы и инструментальные средства получения и представления эмпирических знаний о вариантах эффективной организации МКС применительно к вычислительным задачам различной
структуры и прогнозирования показателей качества таких систем, что и определяет актуальность темы диссертации.
Цель и задачи диссертации
Цель диссертации — создание методов и инструментальных средств для
выполнения экспертного прогнозирования качества организации
мультикомпыотерных систем, проблемно ориентированных на задачи управления сложными объектами.
Для достижения этой цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
-
Определение способа представления эмпирических знаний о способах организации и эффективного применения мультикомпыотерных систем.
-
Исследование свойства инвариантности архитектуры МКС по отношению к типу задач с конвейерно-параллельной организацией вычислений.
-
Усовершенствование инструментальных средств получения эмпирических знаний посредством индуктивного обобщения фактов за счет введения нелинейных составляющих.
-
Создание средств визуализации искомых знаний о правилах эффективной организации мультикомпыотерных систем и поддержки формирования экспертной оценки качества новых моделей МКС.
-
Разработка и включение в состав инструментальной системы имитационной модели функционирования МКС, позволяющей отображать процессы конвейерно-параллельных вычислений с точностью до механизмов управления.
-
Решение прикладных задач организации МКС, ориентированных на реализацию базовых алгоритмов расчета режимов функционирования сложных технических объектов.
Научная новизна работы
В работе предложены методы прогнозирования качественных характеристик мультикомпыотерных систем. В отличие от ранее известных предлагаемые методы обеспечивают:
возможность оценки степени инвариантности мультикомпыотерных систем, реализующих конвейерно-параллельные вычисления, к потоку решаемых задач в зависимости от степени параллельности последних;
углубленное представление эмпирических знаний, получаемых по результатам имитационного моделирования функционирования МКС за счет учета нелинейных составляющих;
визуализация полученных эмпирических знаний на основе минимизации дерева экспертных оценок путем введения многоальтернативных вопросов.
Степень обоснованности научных положений
Научные положения данной работы основаны на использовании понятий алгебры логики, теории графов, теории принятия решений, исследования операций, теории вычислительных систем и методологии имитационного
моделирования. Результаты работы подтверждены экспериментально сопоставлением результатов имитационного моделирования и макетирования МКС в виде действующей параллельной мультикомпьютерной сети, а также результатами практического применения в учебном процессе и при решении практических задач.
Практическая ценность работы
Реализация программного взаимодействия имитационной модели функционирования МКС с экспертной системой позволяет автоматизировать процесс приобретения эмпирических знаний при вариации требований к пороговым значениям заданных показателей качества и решать задачи аргументированного выбора способа организации и конфигурирования МКС. Визуальное представление правил классификации вариантов организации МКС и проведение их качественной оценки дают возможность ускоренного формирования обоснованных экспертных заключений о применимости данной архитектуры для решения поставленных вычислительных задач.
Реализация и внедрение
Разработанные методы реализованы в виде инструментального комплекса программных средств, работающего в среде Windows'95/98/NT.
С использованием разработанного комплекса выполнены поисковые исследования по организации проблемно-ориентированных МКС, предназначенных для отработки новых принципов управления электроэнергетическими системами (ГНЦ ВЭИ).
На базе разработанного инструментального комплекса поставлены и в течение последних 3-х лет проводятся лабораторные работы по курсу "Поисковое проектирование вычислительных систем" для студентов 5-го курса по специальности 22.01.
Апробация работы
Результаты исследований, составляющих содержание работы, были доложены и обсуждены на международной конференции "Информационные средства и технологии", проводившейся Международной академией информатизации в 1996г., и на ученом совете Республиканского исследовательского научно-консультационного центра экспертизы (РИНКЦЭ), а также отражены в научных отчетах кафедры ВМСС МЭИ за 1994-1998 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 5 работ.