Кибернетическая картина мира

	ЦВМ 90 601ХХ
		Интерфейс	Интерфейс
		ГОСТ	ГОСТ
		18977 79	26765 87
			Системная
		Процессор	шина
		МП1890ВМ2
		(RISC)
		ПЗУ 8К
		ОЗУ 4К
Бортовая
сеть	ВИП	RS 232

	ЦВМ 90 613ХХ
			Интерфейс	Интерфейс
			ГОСТ	ГОСТ
			18977 79	26765 87
				Системная
		Процессор		шина
		МП1890ВМ2
		(RISC)
		ПЗУ 8К
		ОЗУ 4К
Бортовая			Интерфейс	Интерфейс
сеть	ВИП	RS 232
			код аналог	аналог код

361

	ЦВМ 90 604ХХ
		Интерфейс	Интерфейс	Интерфейс
		ГОСТ	ГОСТ
				код аналог
		18977 79	26765 87
	Процессор
	МП1890ВМ2
	(RISC)
	ПЗУ 8К			Системная
	ОЗУ 4К
				шина №1
Бортовая	ВИП
сеть
		Интерфейс	Интерфейс	ЭЗУ
		ГОСТ	ГОСТ
				256Кбайт
	Процессор	18977 79	26765 87
	МП1890ВМ2
	(RISC)
	ПЗУ 8К			Системная
	ОЗУ 4К
				шина №2

Следует добавить, что практика проектирования и применения сложных человекомашинных систем подтвердила предполагаемый вывод о том, что роль человека-оператора может возрастать с совершенствование аппаратной части таких систем и неизбежным ее усложнением, особенно если это усложнение не сопровождается должным повышением уровня интеллектуальности аппаратнопрограммной части системы.

Сказанное в полной мере может быть применено к авиации, для которой вполне естественно попытаться использовать наиболее интеллектуальные системы и компоненты управления.

В конечном счете все сказанное неизбежно приводит к дальнейшему развитию комплексирования [2], появлению принципиально новых задач и, как следствие, новых требований к бортовым комплексам и их БЦВМ как центральным комплексирующим и вычислительным средствам [3, 4].

При этом новые задачи и их совокупность в ряде случаев влияют на архитектуру комплексов, заставляя вводить в арсенал разработчиков новые решения, например, сетевую архитектуру с новым уровнем обмена информацией, требуя появления в составе БЦВМ пользовательских интерфейсов совершенно новых видов по структуре и характеристикам (например, локальных высокоскоростных

362

для принятия потоков информации в натуральном масштабе времени).

Вероятнее всего, что в ближайшее время будут созданы и уже создаются необходимые протоколы, будет определена физическая среда передачи информации, разработан приборный базис для практической реализации нового информационного обмена.

При подходе к бортовым вычислительным средствам пятого поколения следует остановиться еще на одном важном вопросе. БЦВМ функционируют на борту ЛА в составе сложных антропоцентрических систем, содержащих в своем составе кроме бортовых управляющих комплексов, содержащих наряду с многими другими важными частями бортовые алгоритмы, реализованные на этих БЦВМ (м.б. нескольких). Еще одной важной частью этих систем являются алгоритмы деятельности экипажа, материализованных в инструкциях для него по применению системы, в семантических элементах ИУП, в навыках и концептуальных моделях деятельности членов экипажа (полученных ими в процессе обучения) [5].

Совокупность бортовых алгоритмов для БЦВМ и алгоритмов деятельности экипажа нередко называют «Бортовым интеллектом».

Одна из основных задач комплексирования для ЛА пятого поколения заключается в перенесении возможно большего количества алгоритмов деятельности экипажа в состав алгоритмов БЦВМ, т. е. в повышении «интеллектуального уровня» бортового комплекса с целью максимального уменьшения влияния на надежность выполнения полетных заданий отказов бортовой аппаратуры или недопустимых погрешностей в их работе и человеческого фактора при управлении ЛА и работе наземных служб управления воздушным движением [6, 7].

Поскольку при этом затрагиваются задачи верхнего и среднего уровней управления, то обеспечение этих новых решений потребует вычислительные ресурсы, требования к которым значительно превышают достигнутые:

– верхний уровень управления: целеполагание, – средний уровень управления: поиск способа достижения по-

ставленной цели, – нижний уровень управления: реализация выбранного способа.

Разработчики бортовых цифровых управляющих комплексов, неудовлетворенные существующими характеристиками БЦВМ (и

363

по некоторым другим причинам) стали при необходимости переходить к многомашинным комплексам с реализацией активного межмашинного обмена или без него – только в интересах повышения безопасности полетов. При этом в определенной степени разрешались как вопросы требуемой производительности, так и повышения вероятности выполнения летного задания – за счет появления элементов избыточности. Примером могут служить дублированные навигационные комплексы самолетов Ил-86, Ил-96 и Ту-204 и ряд специальных комплексов.

Следует отметить, что многомашинные комплексы можно рассматривать как сообщества вычислительных средств, реализующих параллельную обработку информации на одном объекте. Со своей стороны параллельная обработка – мощное средство повышения кондиций изделий, ее реализующих.

В настоящее время количество самолетов гражданской авиации увеличилось настолько, что существующие бортовые и наземные средства уже не могут обеспечить прежний уровень безопасности полетов.

Для разрешения этих проблем Международная организация гражданской авиации разработала новую концепцию организации воздушного движения – CNS/ATM (Communications, Navigation and Surveillance/Air Traffic Management – связь, навигация, на-

блюдение/организация воздушного движения).

Конечной целью внедрения указанной системы является возможность эксплуатации самолетов с минимальными ограничениями со стороны служб управления воздушным движением.

Для удовлетворения требований новой концепции эксплуатации самолетов cо стороны БЦВМ, а также обеспечения функционирования прогрессивной технологии создания-поддержки бортового ПО необходимо предоставить в распоряжение разработчиков комплексов новые высокие ресурсы: производительность и объемы ЗУ различного функционального назначения.

Тем не менее, несмотря на определенное многообразие направлений развития, что вполне естественно в связи с масштабами проблемы, центральным вопросом является производительность БЦВМ. Здесь наблюдаются следующие тенденции [8 – 15]:

1. Улучшение технологии производства СБИС, что влечет за собой повышение тактовой частоты и увеличение числа элементов на кристалле. Однако, как показал опыт последнего десятилетия, увеличение числа вентилей на кристалле процессора отнюдь не сопро-

364

вождается пропорциональным повышением производительности. Это вызвано тем, что все большая и большая часть аппаратуры процессора обеспечивает ликвидацию возрастающего разрыва между скоростью процессора и скоростью доступа к данным в памяти.

Существует еще один грозный симптом. Дело в том, что современная электроника, основанная на кремниевой технологии, довольно скоро, не позднее первой четверти XXI в., приблизится к пределу миниатюризации. С неизбежностью предстоит переход из микронного в нанометровый диапазон измерений. Даже самые передовые технологии, используемые при изготовлении кремниевых микросхем, не могут выйти из микронной области, где имеется теоретический предел для ширины печатного проводника, примерно равный 0,07 – 0,1 микрона. Дальше вступают в силу законы квантовой механики, волновая природа электрона и т. д. Здесь заканчивается представление о природе на уровне закона Ома и начинается область нанотехнологий. До указанного предела осталось совсем немного, уже проектируются процессоры, которые будут построены по 0,18 микронной технологии, так что дальше пути линейного развития нет.

2. Усложнение архитектуры процессора, что вызвано стремлением одновременно обрабатывать несколько команд/данных. Это и конвейеризация выполнения как отдельных фаз команды, так и последовательностей команд, супер- и мультискалярная обработка, предсказание выполнения ветвей.

3. Использование параллельной многопроцессорной обработки. 4. Специализация СБИС для решения задач из определенной об-

ласти приложений (ASIC – аррlication specific integrated circuits).

Параллелизм присущ большинству задач и основная цель разработки параллельных программно-аппаратных комплексов – выбор такого способа отображения задачи в аппаратуру, при котором будет получено приемлемое время решения задачи и будет максимальным соотношение производительность/стоимость.

Предлагаемые микропроцессорные архитектуры поддерживают лишь отдельные типы параллелизма. Отсюда следует, что современные процессоры в той или иной степени являются проблемноориентированными, т. е. при решении задач с «чужим видом параллелизма» они показывают производительность значительно ниже пиковой.

Еще один фактор повышения производительности вычислительных систем – использование специализированных СБИС. Это

365

особенно ярко видно хотя бы из того, что в любом современном компьютере наряду с микропроцессором общего назначения обязательно используются несколько спецпроцессоров: в видеокарте, аудиокарте, сетевой карте, модеме и т. д. При одной и той же технологии производства СБИС наиболее быстрое решение алгоритма можно получить используя «заказные» СБИС, ориентированные на решение определенного алгоритма. Однако это очевидное преимущество является и самым крупным недостатком – узкая специализация означает ограниченную область применения, увеличение времени разработки(еслиразработкаСБИСвходитв конструкторскийцикл) и высокую стоимость конечных изделий (если СБИС выпускаются в небольшом количестве и стоимость разработки и выпуска входит в стоимость конечных изделий). Вследствие этого возник интерес к реконфигурируемым архитектурам. Реконфигурируемые вычислительные системы (РВС), в английском варианте – reConfigurable Computing Machine (СCM), – это системы, состоящие из большого количества одновременно работающих процессорных элементов (ПЭ), объединенных перенастраиваемыми связями, архитектура которых может подстраиваться под структуру выполняемого алгоритма. РВС заполняют промежуток между микропроцессорами и специализированными СБИС.

Не следует рассматривать РВС как универсальную альтернативу микропроцессорам и спецпроцессорам. Скорее о них можно говорить как о более гибких, программно-перенастраиваемых спецпроцессорах, рассчитанных на решение достаточно широкого круга задач. Проектирование РВС предполагает определение некоторого набора функций ПЭ и системы связей между ними и с внешними устройствами. Как правило, РВС работает под управлением хостпроцессора, который занимается размещением задачи на РВС, обменом с внешними устройствами, а также может выполнять свою часть задачи.

На текущий момент в зарубежных фирмах и университетах и на нескольких российских предприятиях разрабатывается несколько десятков систем, использующих принципы РВС. Часть из них доступна на рынке и обычно выполнена в виде PCI-карты. Разработки по РВС активно поддержаны DARPA (военное научное агентство в США, координирующее большинство авангардных проектов). В 2001 г. на сайте DARPA (сейчас, к сожалению, доступ к нему закрыт) было около 50 проектов, направленных на развитие этого направления.

366

Большой интерес представляет японский проект создания ЦВМ пятого поколения [16]. Проект несет в себе ярко выраженный национальный колорит, Япония переживает процесс формирования специфического информационно-ориентированного общества, для которого адекватная обработка и использование информации становятся одним из важнейших направлений деятельности. Эти обстоятельства побудили создать в 1979 г. Комитет научных исследований в области ЭВМ пятого поколения, который возглавил Тору Мото-ока. Проект направлен на создание наземных вычислительных средств, однако, ряд его положений вполне может быть использован для бортовой мобильной техники. Проект имеет ряд спорных аспектов, особенно в области социальных и экономических последствий своей реализации. Тем не менее, не следует преуменьшать его большого значения по ширине охвата проблем вычислительной техники и многочисленности направлений проектирования.

Для дальнейшего подтверждения вектора развития БЦВМ японский проект важен утверждением главенствующей роли параллельных вычислений при решении проблемы повышения производительности вычислительных машин. Кроме того, авторы проекта видят вычислительные средства пятого поколения в виде тесно взаимодействующей совокупности ЭВМ различной структуры, предназначенных и ориентированных для решения своей группы задач.

Следует отметить еще одну тенденцию развития БЦВМ военного применении, заслуживающую большого внимания разработчиков.

За последнее десятилетие подходы к разработке бортовых вычислительных машин подверглись существенным изменениям. Реализация требований со стороны разработчиков авиационных комплексов по вычислительной мощности и скорости информационного обмена потребовала необходимости разработки новых технических решений. Реализация этих решений в свою очередь требует больших капитальных вложений и увеличивает сроки разработки. Для сокращения затрат и сроков разработок была выдвинута концепция применения коммерческих технологий – COTS-технология

(COmmercial of-The-Shelf).

Основные цели этой концепции: – значительное снижение затрат; – сокращение сроков разработки;

367

– обеспечение сопровождения (прежде всего электронными компонентами) в течении всего срока службы;

– качественное повышение характеристик (быстродействия, объемов памяти и т.д.).

Эти принципы определенным образом прикладываются к различным составляющим выполняемых проектов – реализациям архитектуры, применению элементной базы, внешним каналам (пользовательским интерфейсам), программному обеспечению и гармонично дополняют концепцию открытой системы.

БЦВМ, разработанные в 90-е гг. XX в., уже перестали отвечать требованиям пе6рспективных проектов и поэтому, начиная с 2000 г., в ОКБ «Электроавтоматика» начались работы по созданию ряда БЦВМ, обеспечивающих реализацию требований авиационных комплексов для самолетов пятого поколения.

Следует отметить широту охвата вопроса, так как работы были организованы одновременно по трем направлениям:

– использование новых высокоскоростных отечественных процессоров,

– создание мультипроцессорных систем, – разработка систем с глубоким параллелизмом вычислений.

К 2006 г. по всем трем направлениям были получены положительные результаты.

По первому направлению разработаны конструктивно-функ- циональные модули с использованием высокоскоростных отечественных процессоров типа «Мульткор» 1892ВМ3 (разработчик ГУП НПЦ «ЭЛВИС») и типа «КОМДИВ»: 1890ВМ2Т и 1890ВМ3Т (разработчик НИИСИ РАН)

По второму направлению создан прототип перспективной мультипроцессорной системы. Система состоит из трех вычислительных модулей объединенных системной шиной PCI, обеспечивающей быстрый обмен данными между вычислительными модулями, в качестве внешнего интерфейса используются сетевые интерфей-

сы типа Ethernet.

Общая производительность такой системы составляет не менее 0,6 млрд оп/с. На рис. 37 приведен прототип этой системы.

По третьему направлению создан прототип матричного параллельного процессора.

В соответствии со всем вышесказанным, а также по результатам выполненных работ в ОКБ «Электроавтоматика» сформулирован облик вычислительной среды пятого поколения.

368

Рис. 37. Прототип мультипроцессорной системы

Предлагаемая вычислительная система является по своему существу открытой, использующей стандартные системные шины и в качестве своей практической реализации обеспечивает пользователя ресурсами многопроцессорной системы, содержащей три уровня производительности.

Первый уровень – высокая производительность до 50 млн оп/с для решения традиционных задач бортового комплексирования и выполнения host-функций.

Второй уровень – более высокая – до 200 млн оп/с для обработки быстроменяющихся сигналов (радиолокационная и подобная ей информация).

Третий уровень – сверхвысокая производительность до 2–3 млрд оп/с для решения задач повышения уровня «Бортового интеллекта».комплексов (см. выше).

Все три уровня могут действовать совместно.

Следует отметить, что первый уровень освоен в ОКБ «Электроавтоматика» в виде ряда действующих опытных образцов, некоторые их них поставлены заказчику.

По второму уровню произведено проектирование стандартного модуля на основе микропроцессора

Третий уровень представлен прототипом быстрого матричного процессора, на котором получена производительность 1,3 109 оп/с. Внешний вид матричного процессора представлен на рис. 38. Он состоит из трех плат: две платы собственно матрицы процессоров и одна плата управления.

369

Рис. 38. Матричный процессор

Подобная вычислительная система с ее архитектурой и характеристиками по быстродействию предлагается впервые.

Процессоры и архитектура третьего уровня быстродействия запатентованы или находятся в стадии патентования [17, 18]. Среди подобных разработок отличается простотой, дешевизной и проработанностью. Архитектура третьего уровня принята в качестве базовой в российско-белорусском проекте СКИФ по производству семейства высокопроизводительных вычислительных систем.

Разработка является системообразующей при решении прикладных задач. Позволяет создавать бортовые и иные вычислительные комплексы, используя отечественные производственные мощности.

Решение поставленных задач позволит образовать обширные научно-технические заделы для решения перспективных задач прикладного значения: создание бортовой центральной супервычислительной системы, позволяющей, используя, в основном, отечественные технологии, создать авионику пятого поколения, одновременно решая задачи управления системами вооружения, картографии в любое время суток, контроля состояния пилота, систем самолета и др. с качеством, не доступным для ЦВМ 4-го поколения

(разработки 1995–2004 гг.).

370