Методы параллельной цифровой обработки информации в трехмерных оптических интегральных схемах

• Автор: Григорьев, Виталий Робертович
• Шифр специальности: 05.13.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 231 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
РАЗРАБОТКА АЛГОТРОННОГО ПОДХОДА К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ОЦВМ НА ОСНОВЕ ТРЕХМЕРНЫХ ИНТЕГРАЛЬНООПТИЧЕСКИХ СХЕМ.
Систематизация прикладных задач по размерности индексного пространства реализации графа потока вычислений.
1.1.1. Алготронный подход к пространственновременному осуществлению вычислений в трехмерных матричных процессорах.
1.1.2. Особенности отображения параллельных алгоритмов на высокопроизводительные вычислительные системы с массовым параллелизмом.

Анализ подходов к реализации трехмерных вычислительных СБИСструктур.

1.2.1. Анализ текущего состояния технологий изготовления СБИС

1.2.2. Анализ состояния разработок и перспектив развития требуемых для изготовления ТМОИС микроэлектронных, оптоэлектронных и оптических технологий.

1.2.3. Физические, схемотехнические и алгоритмические ограничения реализаций СБИС.

1.2.4. Классификация трехмерных СБИС ТМИС.

1.2.5. Функциональные возможности ТМИС и их влияние на архитектуру вычислительной системы
Выводы но разделу.
ОТОБРАЖЕНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ АЛГОРИТМОВ В МАТРИЧНЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ТРХМЕРНЫХ СБИС Определение нижних и верхних пространственновременных
границ двумерных СБИС.
2.1.1 Определение нижних пространственновременных границ
сложности вычислений на двумерных СБИС
2.1.2. Нахождение оценок сложности вычислений для двумерных
планарных СБИС
Вложимость произвольного графа с п вершинами в трхмерную область вычислений объмных ТМИС
2.2.1. Реализация логических сетей в трхмерном пространстве
2.2.2. Обобщения опенок пространственновреме1Шых границ сложности вычислений для трхмерных СБИС
2.2.3. Отображение вычислительных графов на ТМИС
2.3. Размещение схем из объмных функциональных элемептов в
трхмерном пространстве.
2.4. Исследование графов, применяемых при проектировании
цифровых трхмерных оптических матричных вычислительных структу р с .массовым параллелизмом.
2.4.1. Вложение графов в трхмерное операционное пространство ТМИС
2.4.2. куб и связанные с ним задачи, возникающие при проектировании цифровых трхмерных оптических вычислительных 3 структур.
2.4.3. Синтез характеристик архитектуры проектируемой схемы, соответствующей оптимальному распараллеливанию данного алгоритма
2.5. Нижние границы сложности вычислений в размерной
систолической структуре
2.6. Оценка аппаратурной и временной сложности проектирования программируемых логических матриц на основе электро
оптических ТМОИС.
Выводы но разделу
3 ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ
ВЫЧИСЛЕНИЙ В ССОК НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
3.1. Принципы построения и особенности разработки аппаратных
средств на основе ТМОИС для реализации базисных операций компьютерной алгебры.
3.2. Синтез вычислительных устройств на основе использования
трехмерных оптических интегральных схем для выполнения групповых арифметических операций в системе счисления в остаточных классах.
3.2.1. Оптический трехмерный вычислитель быстрой арифметики в остаточных классах на основе ТМОИС для решения прикладных
3.2.2. Функциональные устройства непозиционного процессора для выполнения немодульных операций на основе ТМОИС
3.2.3. Реализация на основе ТМОИС операции вычисления полиномов
в ССОК.
3.2.4. Оценка производительности ТМОИС для выполнения логических операций в ССОК.
Выводы по разделу
4 СИНТЕЗ ТРЕХМЕРНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТОЛИЧЕСКИХ ВЫЧИСЛИТЕЛЕЙ ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ.
4.1. Трехмерный систолический вычислитель дискретного преобразования Фурье на основе кронекеровского произведения матриц с использованием арифметики в остаточных классах
4.2. Алгоритмы свертки и умножения полиномов на основе использования ТМОИС
4.3. Оценка физических параметров для технической реализации цифровых сигнальных процессоров на основе использования
оитоэлектронных трехмерных устройств
Выводы по раздел.
5 ТРЕХМЕРНЫЙ СИСТОЛИЧЕСКИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ БЫСТРОГО ОБРАЩЕНИЯ МАТРИЦЫ В ПОЛЕ 2
5.1. Конвейерная структура для умножения в 2.
5.2. Распараллеливание алгоритма умножения в 2 в пространстве
систолических функций
5.3. Конвейерная структу ра для быстрого обращения в поле 2.
5.4. Синтез элсктрооптического умножителя в поле 2
5.4.1. Сумматор с последовательным переносом
5.4.2. Функциональная схема ЛЛУ
5.4.3. Схема оптических связей сумматора.
5.4.4. Алгоритм сложения двух чисел с последовательным переносом
5.4.5. Элсктрооптический динамический регистр сдвига.
.Выводы по раздел у.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


При этом на методы проектирования специализированных процессоров и проблемно ориентированных ЭВМ возлагается задача перехода от математического описания алгоритма к алгоритмическому описанию устройства, реализующего этот алгоритм. Таблица 1. Операции обработки Порядок задачи Примеры операций Тип связей Т рсбусмая производительность, млн. Линейные операции скалярные ООО скалярное произведение пространственная фильт рация БИХфильтрация свертка обнаружение конту ров. Операции второго порядка векторные 0Ю линейные преобразования корреляция одномерная свертка умножение матрицы на вектор ДПФ локальнорекурсивные преобразования сортировка медианная фильтрация классификация ближайшего соседа. М1о2 М ортогональные преобразования БПФ, БПХ сортировка выбором транзитивное замыкание косинуспреобразоваиие декодирование Витерби. Операции более высоких порядков матричные ООО умножение матрицы на матрицу обращение матриц решение проблемы собственных значений решение систем ЛАУ Шразложение ЬЬразложение Холецкого спектральные вычисления адаптивные операции двумерное БПФ двумерная свертка распознавание образов, речи анализ сцен и машинное зрение. Для достижения такого компромисса необходимы формальные процедуры изменения степени параллельности вычислений или эквивалентные пространственновременные отображения алгоритма в структуру заданной размерности. Подход, изложенный в данной работе, основан на естественном природном соответствии класса многомерных алгоритмов и адекватных по размерности пространства вычислений архитектурных принципов, на совместном учете вычислительных схем, элекгрических, оптических и технологических характеристик цепей ТМ СБИС в литературе принято также обозначение СБИС , . Этот подход известен в литературе как алготронный одновременное рассмотрение характеристик алгоритмов и реализующих их электронных СБИС 5. Междисциплинарный подход к проектированию однокристального вычислителя включает три основные области исследований задачи обработки данных, разработку алгоритмического базиса и проектирование трехмерных оптических интегральных схем ТМОИС, исходя из физической природы оптического носителя информации фотона рис. Рис. Следует отметить, что данный подход, прежде всего, распространяегся на проектирование структурах схем систолических процессоров СП заданной размерности независимо от размерности регулярного алгоритма. В настоящее время затраты на проектирование вычислительных систем ВС постоянно растут, в частности на разработку СБИС они удваиваются каждые года. Эти факторы и необходимость практического применения средств вычислительной техники ВТ для обработки в реальном времени многомерных и высокочастотных сигналов обусловили появление архитектурной концепции нового типа систолических процессоров СП или массивов, которая призвана наиболее полно использовать возможности и учесть особенности технологии СБИС. Систолические процессоры представляют собой простейшие управляемые данными системы, в которых фиксированная конфигурация процессорных элементов ПЭ с локальными связями и ограниченным набором команд, объединенных обычно в одно или двумерный массив в идеале, в трехмерный массив, синхронно обрабатывает проходящий через систему регулярный поток данных. Архитектура СП обеспечивает высокую степень распараллеливания вычислений и конвейерную организацию пересылок операндов при малой ширине канала вводавывода, так как подкачка исходных данных и выдача результатов проводятся на фоне вычислений только через граничные ПЭ. В соответствии с методом формализованного синтеза СП , исходный безусловный алгоритм 1 представляется в виде направленного решетчатого орграфа в линейном целочисленном пространстве , причем множество вершин Пэафа соответствует множеству функциональных операторов ФО алгоритма. В свою очередь, структурную схему СП представляют в виде тройки С , Т, Ф, где орграф структуры, заданный в пространстве 7,Т синхронизирующая функция Ф набор операций, выполняемых ПЭ. Как показано в 9, в п мерный нараллелипед можно максимально плотно вложить два или более графов исходного алгоритма или граф исходного алгоритма привести к паралленипеду путем его декомпозиции и объединения вершин.