CC BY
28
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Панов, В.В. Некоторые аспекты проблемы создания СВЧ-средств функционального поражения [Текст]/В.В. Панов, А.П. Саркисьян // Зарубежная радиоэлектроника.-1995.-№ 10, 11, 12.-С. 15-19.
2. Козлов, А.Н. Экспериментальное исследование проникновения СВЧ излучения в экранированные объемы через открытые штепсельные разъемы [Текст]/ А.Н. Козлов, Н.Н. Коротаев, Б.В. Илькевич [и др.]// Вестник Пермск. гос. ун-та. Сер. Физика. -1996. -Вып. 6. -С. 125-132.
3. Kozlov, А. Penetration of microwaves into nonuniformly screened spaces [Текст]/А. Kozlov, A. Rybacov, V. Pashkevich //Latvian journal of physics and technical sciences. -2000.-№ 4.-С. 31-38.
4. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток [Текст]/Под ред. Д.И. Воскресенского.-М.: Радио и связь, 1989.-465 с.
5. Сазонов, Д.М. Антенны и устройства СВЧ [Текст]/Д.М. Сазонов. -М.: Высш. шк., 1988.-432 с.
УДК 004.272.2
А.Г. Басыров
концептуальная модель
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОцЕССОВ
в специализированных вычислительных системах
Энергопотребление вычислительных систем (ВС) - важный фактор, определяющий выбор аппаратно-программной платформы для решения требуемых задач.
Ведущие производители вычислительной техники активно работают над решением проблемы энергоэффективности. Эффективное энергопотребление продукции - одно из ее главных конкурентных преимуществ. Производители компьютерного оборудования увеличивают инвестиции в энергосберегающие технологии, понимая, что пользователей интересует производительность, отнесенная к энергозатратам.
Известно, например, что в расходах на эксплуатацию центров обработки данных доля затрат на электроэнергию составляет около 40 %. Еще актуальнее проблема энергоэффективности в специализированных вычислительных системах, функционирующих в условиях ограниченного энергопотребления. От таких систем, выполняющих задачи в реальном времени, требуются высокие показатели производительности и надежности при существенных ограничениях на потребляемый энергоресурс автономных источников питания.
Современные технологии энергосбережения (программно-аппаратные средства управления пи-
танием, виртуализация серверов, ВМе-системы, системы кондиционирования и охлаждения), применяемые в высокопроизводительных вычислительных системах, в основном направлены на обеспечение функционирования вычислительных систем, слабо затрагивая организацию самих вычислений. Вместе с тем, при оптимизации вычислительных процессов, как правило, удается значительно сократить энергопотребление вычислительных систем.
Концепция энергосберегающих вычислительных процессов
Основным подходом к удовлетворению высоких требований по производительности и надежности современных ВС является внедрение методов параллельной обработки информации [1]. Будем считать, что в постановке рассматриваемой проблемы на показатели надежности и производительности функционирования ВС накладываются соответствующие ограничения, а целевой функцией является энергоемкость ВС, которую необходимо минимизировать.
Энергоемкость вычислительного процесса в общем виде можно определить как
Е = Т • М • Б, где Т - время (длительность) вычислительного
процесса; М — количество вычислительных модулей (ВМ), реализующих вычислительный процесс; £ — потребляемая мощность каждого ВМ.
Отсюда следует, что управление вычислительными процессами с целью энергосбережения ВС возможно, путем воздействия на эти составляющие потребляемой энергии.
Рассмотрим уровни применения энергосберегающих технологий при организации вычислительных процессов в специализированных вычислительных системах и факторы, влияющие на энергоэффективность ВС (рис. 1). Будем полагать, что в таких системах жестко определены требования по надежности и производительности
Рис. 1. Концепция энергосберегающих вычислительных процессов
вычислительных процессов, а также априори известен круг решаемых задач.
Управление энергопотреблением рассматривается на логическом и физическом (аппаратном) уровне. Хронологически это управление разнесено на этапы проектирования и эксплуатации ВС.
Логический уровень организации вычислительных процессов формирует модель вычислений и включает:
выбор или проектирование ВС, разработку математического и программного обеспечения (этап проектирования);
конфигурирование ВС и планирование параллельной обработки информации (этап эксплуатации).
Физический уровень подразумевает реализацию вычислительного процесса, в ходе которого происходит расход энергоресурса.
Взаимосвязь логического и физического уровней показана на рис. 2.
Концептуально снижение энергопотребления ВС достигается при организации вычислительных процессов за счет сокращения общего времени работы вычислительных модулей путем:
выбора на этапе проектирования ВС алгоритмов решения целевых задач и архитектур ВС, обеспечивающих максимальную загрузку вычислительных модулей;
конфигурирования ВС и планирования параллельных вычислительных процессов (ПВП) при решении заданных целевых задач в заданных ограничениях на этапе эксплуатации ВС.
Значительный потенциал повышения оперативности вычислительных процессов, а, следовательно, и энергосбережения ВС, кроется в математических методах и алгоритмах решения целевых задач. Выбор методов решения целевых задач определяется, с одной стороны, требовани-
ями к результатам вычислений, а с другой, трудоемкостью вычислительных операций.
Алгоритм решения целевой задачи в параллельных ВС по возможности должен быть адаптивным к различным конфигурациям ВС, т. е. обеспечивать соответствующее ускорение вычислений при различном количестве используемых вычислительных модулей.
Непосредственным потребителем энергоресурса является ВС, которая должна выполнять целевые задачи с требуемой производительностью и надежностью, обеспечивая при этом максимальную энергоэффективность. На этапе проектирования ВС выбирается или синтезируется ее архитектура, которая:
способна выполнить комплекс целевых задач при максимальной рабочей нагрузке;
содержит в своем составе вычислительные модули, с минимально возможной для данного применения потребляемой мощностью;
позволяет управлять режимами энергопотребления аппаратных средств.
Выбор того или иного метода и алгоритма решения целевой задачи, а также архитектуры ВС выполняется на основе моделирования вычислительных процессов на этапе ее проектирования. Моделирование вычислительных процессов включает:
моделирование алгоритмов целевых задач; требований к показателям качества функционирования БВС;
потока заявок на выполнение целевых задач;
потока отказов ВМ БВС, моделирование процессов конфигурирования БВС и планирования параллельных вычислений. В результате моделирования из множества
Уровень 1. Разработка математического и программного
обеспечения БКУ КА, выбор или проектирование БВС
Уровень 2. Конфигурирование БВС и планирование ПВП
Уровень 3. Реализация вычислительного процесса
Рис. 2. Взаимосвязь уровней организации энергосберегающих вычислительных процессов
возможных алгоритмов решения каждой целевой задачи и вариантов архитектур ВС должны быть выбраны алгоритмы задач и архитектура ВС, обеспечивающие максимальную вероятность того, что энергопотребление ВС не превысит заданное значение при выполнении ограничений на производительность и надежность функционирования ВС.
На этапе эксплуатации ВС для известных моделей алгоритмов целевых задач и модели ВС при поступлении заявок на решение целевых задач необходимо:
определить оптимальную по энергопотреблению конфигурацию ВС, способную выполнить требуемые целевые задачи к заданным директивным срокам с требуемой надежностью;
спланировать вычислительный процесс для заданной конфигурации ВС и реализовать его.
Под конфигурацией понимается подмножество вычислительных модулей, входящих в состав ВС, выделяемых для решения целевой задачи. Конфигурация состоит из некоторого количества основных и резервных вычислительных модулей. Выбор оптимальной конфигурации ВС основан на синтезе планов (расписаний) параллельного вычислительного процесса [2] для каждой допустимой конфигурации и оценивание этих расписаний по времени реализации ПВП. Конфигурация, обеспечивающая выполнение целевых задач с минимальным энергопотреблением и номинальным качеством и соответствующий ей план ПВП берутся за основу для реализации вычислительного процесса.
Рассмотренный двухэтапный подход (проектирование и эксплуатация ВС) к решению проблемы снижения энергопотребления определил концеп-
Рис. 3. Концептуальная модель энергосберегающих вычислительных процессов
туальную модель энергосберегающих вычислительных процессов, представленную на рис. 3.
Обозначения, используемые на рисунке: Е -энергия, потребляемая БВС; X- множество вариантов архитектур ВС; О - множество вариантов алгоритмов целевых задач; 0 - множество требований к показателям качества ВС; X' - применяемая архитектура ВС; О' - используемые алгоритмы целевых задач; Рд - директивная вероятность безотказной работы ВС на заданном интервале функционирования ВС; Тд - директивная производительность ВС на заданном интервале функционирования ВС.
Исходя из приведенных рассуждений, основными задачами организации энергосберегающих вычислительных процессов в бортовых вычислительных системах являются:
1) на этапе проектирования ВС - разработка алгоритмов целевых задач, эффективно решаемых на заданных структурах ВС, и выбор или разработка структур ВС, адекватных алгоритмам и программам целевых задач. Энергозатраты ВС в дальнейшем при реализации вычислений будут определяться показателями времени выполнения программ целевых задач и потребляемой мощностью ВС;
2) на этапе эксплуатации ВС - определение конфигурации ВС для энергосберегающего решения целевых задач на основе планирования параллельной обработки информации и оценивания времени вычислительных процессов. Энергозатраты ВС будут определяться количеством вычислительных модулей, выделенных на решение целевых задач, и временем выполнения программ целевых задач в соответствии с конфигурацией БВС и расписанием ПВП.
Анализ применения высокопроизводительных ВС показал, что кроме достижения экономического эффекта, связанного с высокими ценами на электроэнергию, при решении проблемы энергоэффективности ВС удается решить и смежные технические задачи. Например, повысить надежность функционирования аппаратных средств за счет меньшего тепловыделения, упростить систему охлаждения и кондиционирования и др.
Реализация рассмотренной концепции кроме высоких показателей производительности и надежности, присущих параллельным вычислительным системам, позволит также обеспечить и энергоэффективность при их функционировании.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Воеводин, В.В. Параллельные вычисления. [Текст]/В.В. Воеводин, Вл.В. Воеводин.-СПб.: БХВ-Петербург, 2004.-608 с.
2. Барский, А.Б. Параллельные информационные технологии: учеб. пособ. [Текст]/А.Б. Барский.-М.: Интернет-Университет информационных технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007.-503 с.
УДК 519.1
И.Х. Утакаева, А.А.Кочкаров
К ВОПРОСУ ОБ АЛГОРИТМАХ РАСПОЗНАВАНИЯ ПРЕДФРАКТАЛЬНОГО ГРАФА
Способность «распознавать» считается основным свойством человеческих существ, как, впрочем, и других живых организмов. Образ представляет собой описание объекта. В каждое мгновение нашего бодрствования совершаются акты распознавания. Мы опознаем окружающие нас объекты и в соответствии с этим перемещаем-
ся и совершаем определенные действия: можем заметить в толпе друга и узнать голос знакомого, прочесть рукопись и идентифицировать отпечатки пальцев, отличить улыбку от злобной гримасы. Человеческое существо представляет собой очень сложную информационную систему - в некоторой степени это определяется чрезвычайно
