Исторический вклад ИТМиВТ в разработку высокопроизводительных вычислительных комплексов Современные работы Сергей Калин, Директор ИТМиВТ. - презентация

1 Исторический вклад ИТМиВТ в разработку высокопроизводительных вычислительных комплексов Современные работы Сергей Калин, Директор ИТМиВТ

2 План доклада История ИТМиВТ Стратегия на гг. ИТМиВТ сегодня

3 История Институт основан в 1948 г. Создано более 20 типов вычислительных комплексов для стратегических оборонных систем (ПРО, СПРН, СККП), ЗРК С-300, для управления космическими полетами и проведения научных исследований Основные разработки Института – серия универсальных машин БЭСМ, специальные вычислители М-20, М-40, 5Э92Б, 5Э65, 5Э67, 5Э2615Э265, многомашинные вычислительные комплексы «Эльбрус 1, 2» Более 70 человек удостоены различных премий - Ленинской, Государственной, Совета Министров. Получено 700 авторских свидетельств, оформлено 60 патентов, опубликовано более 1500 научных работ Мобильный ЗРК ПВО С-300 под под управлением ЭВМ 5Э261/2

4 БЭСМ АН СССР Главный конструктор - академик С.А. Лебедев Принята Государственной комиссией в 1953 г. Самая быстродействующая ЭВМ в Европе - средняя производительность составляла 10 тыс. оп/с. Важной особенностью БЭСМ стало введение операций над числами с плавающей запятой. На БЭСМ обеспечивалась высокая точность вычислений (около 10 десятичных знаков)

5 «Диана 1, 2» Руководители работ: академик С.А. Лебедев, Д.Ю. Панов, В.И. Рыжов, В.С. Бурцев, Г.Т. Артамонов Окончание разработки и проведение испытаний в 1955 г. Особенности: осуществление автоматического съема данных с обзорной радиолокационной станции с селекцией объекта от шумов, одновременное сопровождение нескольких целей с построением траектории их движения и наведение самолета на цель (указанные функции осуществлены впервые в мире); преобразование интервалов времени и угловых положений в числовые величины (оцифровка данных)

6 М-20, быстродействие 20 тыс. оп/с Главный конструктор академик С.А. Лебедев. Введена в действие в 1958 г. Выпускалась серийно. Особенности: впервые в отечественной практике применена автоматическая модификация адреса; совмещение работы арифметического устройства АУ и выборки команд из памяти; введение буферной памяти для массивов, выдаваемых на печать; совмещение печати со счетом; использование накопителя на магнитных лентах НМЛ с быстрым пуском и остановом; Для М-20 разработана одна из первых систем программного обеспечения ИС-2. (Институт прикладной математики АН СССР)

7 БЭСМ-4, быстродействие 20 тыс. оп/с Научный руководитель разработки академик С.А. Лебедев. Главный конструктор БЭСМ-4 О.П. Васильев. БЭСМ-4 являлась фактически модернизацией ЭВМ М-20 с использованием полупроводниковых элементов и несколько расширенной системой команд Введена в строй в 1962 г. Выпускалась серийно Применялась для решения различных задач в вычислительных центрах, научных лабораториях, для автоматизации физического эксперимента и др. Принципиальные особенности: использованы полупроводниковые элементы; машина программно совместима с ЭВМ М-20; работа с удаленными объектами по каналам связи. Четыре входа с телефонных и 32 входа с телеграфных линий связи с соответству- ющими скоростями 1200 и 50 бод

8 ЭВМ М-40, быстродействие 40 тыс. оп/с Главный конструктор: академик С.А. Лебедев, зам. главного конструктора ответственный исполнитель: В. С. Бурцев На основе М-40 были разработаны принципы построения вычислительных средств ПРО и создан высокопроизводительный вычислительный комплекс для решения задач высококачественного автоматического управления сложными, разнесенными в пространстве объектами, работающими в реальном масштабе времени Начала выполнять боевые задачи в 1957 г. Особенности: плавающий цикл управления операциями, позволяющий совместить во времени работу арифметического устройства, ОЗУ и процессора ввода вывода; асинхронная работа с 8 дуплексными радиорелейными линиями связи с общей пропускной способностью 1 млн бит/с без снижения производительности вычислительной системы; впервые использовано совмещение выполнения операций с обменом; мультиплексный канал обмена; работа с удаленными объектами по радиорелейным дуплексным линиям связи

9 ЭВМ 5Э92б, быстродействие 500 тыс. оп/с Главный конструктор: академик С.А. Лебедев, зам. главного конструктора: В.С. Бурцев Машина применялась в вычислительных и управляющих информационных комплексах системы ПРО, комплексах управления космическими объектами, центрах контроля космического пространства и др. Год окончания разработки 1961 г. В этой ЭВМ впервые был реализован принцип многопроцессорности, внедрены новые методы управления внешними запоминающими устройствами, позволяющие осуществить одновременную работу нескольких машин на единую внешнюю память. Комплекс мог включать в зависимости от решаемых задач 1, 2, 4 или 8 ЭВМ. Особенности: одна из первых полностью полупроводниковых ЭВМ; двухпроцессорный комплекс с общим полем оперативной памяти; полный аппаратный контроль; возможность создания многомашинных систем с общим полем внешних запоминающих устройств; возможность автоматического скользящего резервирования машин в системе; развитая система прерываний с аппаратным и программным приоритетом; работа с удаленными объектами по дуплексным телефонным и телеграфным линиям

10 БЭСМ-6, быстродействие 1 млн оп/с Главный конструктор: академик С.А. Лебедев; заместители главного конструктора: В.А. Мельников, Л.Н. Королев, Л.А. Теплицкий Выпускалась серийно с 1967 г. в течение 17 лет и использовались в крупных вычислительных центрах многих отраслей народного хозяйства, в научных институтах, учебных заведениях, в системах управления сложными техническими объектами Первая в СССР ЭВМ, имеющая быстродействие 1 млн оп/с. Стала одной из лучших в мире среди суперкомпьютеров второго поколения

11 БЭСМ-6, о собенности Система элементов с широкими логическими возможностями и парафазной синхронизацией Глубокое совмещение выполнения команд на основе асинхронной конвейерной структуры Использование ассоциативной сверхбыстродействующей буферной памяти Первое использование виртуальной памяти в отечественных машинах Использование стекового («магазинного») способа обращения к памяти Совмещенный со счетом параллельный обмен массивами данных по шести каналам с магнитными барабанами, магнитными дисками и магнитными лентами; Операционная система с многопрограммным режимом работы Высокие показатели машины получены при сравнительно небольшом количестве полупроводниковых приборов (около 60 тыс. триодов и 180 тыс. диодов), что показывает рациональность принятых схемных решений

12 ЭВМ 5Э65, быстродействие 200 тыс. оп/с Главный конструктор: академик С.А. Лебедев, заместитель главного конструктора: И. К. Хайлов Год окончания разработки: Год начала выпуска: Э65 перевозимый высокопроизводительный вычислительный комплекс специального применения в системах противоракетной (ПРО) и противосамолетной обороны (ПСО), обеспечивающий при слежении за объектами в реальном масштабе времени в полевых условиях прием и обработку данных с высокой степенью достоверности за счет применения памяти с неразрушающим считыванием, полного аппаратного контроля, средств устранения последствий сбоев

13 ЭВМ 5Э67, быстродействие 600 тыс. оп/с Перевозимый многомашинный высокопроизводительный комплекс на базе модифицированной 5Э65 с общим полем внешней памяти, аппаратно-программными средствами реконфигурации на уровне машин Комплекс обеспечивает работу в жестких климатических условиях На базе 5Э67 был создан комплекс радионаблюдения в атмосфере и космосе в реальном масштабе времени.

14 ЭВМ 5Э26, быстродействие 1,5 млн оп/с Главные конструкторы С.А. Лебедев, В.С. Бурцев Заместители главных конструкторов: Е.А. Кривошеев, В.Н. Лаут, А.А. Новиков, Ю.Д. Острецов, М.И. Одесский, Д.Б. Подшивалов, Г.С. Марченко Год окончания разработки и начала выпуска: Выпущено 1,5 тыс. машин Первая ЭВМ в СССР, построенная на отечественных интегральных схемах. ЭВМ 5Э26 является мобильной управляющей многопроцессорной высокопроизводительной вычислительной системой, построенной по модульному принципу. ЭВМ 5Э26 всех модификаций, благодаря правильности принятых на начальном этапе их разработки решений и высокой надежности, обеспечиваемой отказоустойчивой архитектурой, эксплуатируются до сих пор (на протяжении более чем 25 лет). Особенности: мобильная многопроцессорная высокопроизводительная структура, построенная по модульному принципу, легко адаптируемая к различным требованиям по производительности и памяти в системах управления; машина с автоматическим резервированием на уровне модулей, обеспечивающая восстановление вычислительного процесса при сбоях и отказах аппаратуры в системах управления, работающая в реальном времени; машина может быть использована как универсальная ЭВМ, снабженная развитым математическим обеспечением, эффективной системой автоматизации программирования и возможностью работы с языками высокого уровня; энергонезависимая память команд на микробиаксах с возможностью электрической перезаписи информации с внешних носителей.

15 ЭВМ 40У6, быстродействие 3,5 млн оп/с Главный конструктор: Е.А. Кривошеев Заместители главного конструктора: Л.А. Козлов, Е.Ф. Бережной, Ю.С. Рябцев, Д.Б. Подшивалов, П.В. Борисов, Б.А. Вайсбурд Год окончания разработки и начала выпуска: 1988, применяется по настоящий момент ЭВМ 40У6 является модернизацией ЭВМ 5Э26 и имеет следующие технические характеристики: для повышения производительности увеличено число процессоров с 3 до 5.

16 МВК «Эльбрус-1», «Эльбрус-2», 15 – 120 млн оп/с Главный конструктор: В.С. Бурцев. Зам. главного конструктора: В.И. Рыжов, В.Ф. Артюхов, Б.А. Бабаян, В.В. Бардиж, В.А. Катков, В.Н. Лаут, Ю. В. Никитин, А.А. Новиков, И.И. Наумов, Ю.С. Рябцев, Ю.Х. Сахин, М.В. Тяпкин, В.С. Чунаев, И.К. Хайлов, Э.Р. Фильцев Год окончания разработки: МВК Эльбрус , МВК Эльбрус Типовые комплектации: однопроцессорная, двухпроцессорная, четырехпроцессорная и десятипроцессорная Создаваемые на базе МВК «Эльбрус-2» вычислительные комплексы имеют высокие показатели надежности и достоверности выдаваемой информации за счет модульного принципа построения и наличия системы реконфигурации, которая при возникновении сигнала неисправности от системы аппаратного контроля модуля автоматически исключает его из состава комплекса и восстанавливает прерванный вычислительный процесс

17 Специальная вычислительная система СВС, быстродействие 2 – 3 млн оп/с СВС – это процессор, полностью воспроизводящий систему команд ЭВМ БЭСМ-6 Прошел испытания в 1980 г. Выпускалась серийно с 1980 по 1988 г. Было выпущено около 50 экземпляров Процессор СВС увеличивал скорость прохождения программ БЭСМ-6 в 2 3 раза и давал возможность использовать все стандартные внешние устройства ЕС ЭВМ и внешнюю память на магнитных барабанах

18 ВК «Эльбрус 1-КБ» Процессор «Эльбрус 1-КБ» является модернизацией СВС. Отличительной особенностью 1-КБ от СВС является введение двух дополнительных режимов работы наряду с режимом полной совместимости с БЭСМ-6 (реализованной в СВС). Первый из них расширяет виртуальное адресное пространство до 27 разрядов. Второй дополнительный режим позволяет кроме увеличения адреса увеличить разрядность слова до 64 разрядов. Год окончания разработки и начала серийного выпуска: 1988 Было выпущено более 60 машин

19 Модульный конвейерный процессор (МКП) Главный конструктор: А.А. Соколов, заместители главного конструктора: В.Л. Ли и А.Ю. Бяков МКП обладал производительностью одного процессора: на совмещенной скалярно-векторной обработке до 1500 млн оп/с, на скалярных операциях до 100 млн оп/с; Разработка начата в 1979 г. и завершена в 1989 г. До 1995 г. было изготовлено 4 МКП МКП обладал (для 1980-х гг.) исключительно высокой производительностью, которая достигалась распределением скалярных и векторных операций по разным асинхронно работающим блокам, связанным с локальной памятью большого объема В МКП были реализованы элементы архитектуры МIМD, то есть выполнялись два независимых потока команд, обрабатывающих несколько потоков данных

20 План доклада История ИТМиВТ Стратегия на гг. ИТМиВТ сегодня

21 Миссия и цели Миссия воссоздание школы передовых отечественных разработок в области информационно-коммуникационных технологий сохранение интеллектуального потенциала России, формирование новой научной и инженерной элиты Стратегическая цель стать крупнейшим российским R&D центром, ведущим научные исследования, собственные и заказные разработки продуктов и решений в области ИКТ

22 Структура работы ИТМиВТ

23 Общая структура R&D-центра

24 План доклада История ИТМиВТ Стратегия на 2005 – 2014 гг. ИТМиВТ сегодня

25 R&D-центр ИТМиВТ

26 Направления исследований и разработок Cуперкомпьютеры, вычислительные центры, спецвычислители Электронно-компонентная база оборонного, специального и промышленного назначения Встраиваемые системы для ответственных применений Навигационные управляющие системы Системы информационной безопасности Беспроводные системы мониторинга Корпоративные информационные системы Оптимизирующие компиляторы Системы автоматизации проектирования Системы с адаптивным управлением

27 Отраслевые фокусы ИТМиВТ Государственные и коммерческие компании по направлениям: Электроника Авиация и космос Топливно-энергетический сектор Транспорт Связь и телекоммуникации Промышленные предприятия Федеральные и региональные органы государственной власти Предприятия и институты оборонно-промышленного комплекса

28 В основе проекта – не фон-неймановская модель вычислений, являющаяся обобщением динамического dataflow Главное отличие от традиционного dataflow – введение понятия виртуального вычислительного пространства Каждая программа задает свое собственное единое (вообще говоря, многомерное) адресное пространство, к которому привязаны все вычисления и все данные. Это свойство модели позволило найти подход к решению следующих основных проблем, существующих на пути построения эффективных dataflow-архитектур: локальность вычислений планирование вычислений языковая проблема (компиляция последовательных программ на потоковый язык) Проект вычислительной системы нетрадиционной архитектуры

29 Были сформулированы архитектурные принципы реализации модели, ориентированные на создание многоядерного процессора на кристалле с небольшой ассоциативной памятью в каждом ядре (кэш 1-го уровня); с развитой иерархией запоминающих устройств, максимально использующей традиционную память; с автоматическими аппаратно поддержанными механизмами распределения вычислений по физическому пространству и времени; с возможностью масштабирования архитектуры без перекомпиляции исходных программ. Проект вычислительной системы нетрадиционной архитектуры

30 Оптимизирующие компиляторы Разработка инновационной Универсальной технологии оптимизирующей компиляции (УТОК) для построения оптимизирующих компиляторов, включая системы автоматического распараллеливания Создание программных продуктов - анализатора, автоматического распараллеливателя и оптимизатора Область применения: для любых систем программирования применяемых как для специализированных (встроенных) вычислителей так и для универсальных аппаратных платформ, включая платформы массового параллелизма

31 Электронно-компонентная база Разработка аналоговых СБИС Разработка СБИС типа «система-на-кристалле» Разработка «сложных функциональных» блоков: ядра процессоров спецвычислители интерфейсы и драйверы встроенные АЦП/ЦАП Разработка библиотек стандартных компонентов и компиляторов памяти Типовой маршрут проектирования

32 Встраиваемые системы для ответственного применения Авиационные системы Системы автоматического управления ГТД Системы обслуживания и диагностики Разработка и тестирование авиационного ПО Авиационные тренажеры Промышленные контроллеры и АСУ ТП АСУ ТП в энергетике и металлургии Исследовательские и испытательные стенды Информационные технологии в авиации Управление жизненным циклом изделий Компьютерное моделирование

33 Беспроводные системы мониторинга Проходят сертификацию системы беспроводного контроля: инженерные системы зданий и сооружений промышленный мониторинг АСУ ТП для контроля добычи нефти система речевой аварийной связи Разработаны собственные версии протоколов сетевого взаимодействия и аппаратуры на основе стандарта ZigBee/ Для применения в сенсорных сетях созданы датчики дыма, температуры, влажности, вибрации, магнитного поля, присутствия, освещенности, а также микрофон и фотокамера.

34 Навигационные и управляющие системы Разработка и производство радар-процессоров для радиолокационных станций, выпускаемых ОАО «Горизонт» Проектирование наземной аппаратуры потребителей глобальных навигационных спутниковых систем (ГЛОНАСС/GPS/Galileo) Разработка систем мониторинга и управления автомобильным, водным, рельсовым транспортом Создание системы управления городским освещением Разработка системы для диагностики машин и механизмов циклического действия

35 Автоматизация проектирования Разработка программного обеспечения САПР «Ардон» для: оптимизации энергопотребления в стандартных ячейках; автоматизации этапов создания и оптимизации библиотек стандартных ячеек Характерными особенностями САПР «Ардон» являются: интеграция нескольких инструментов в единую среду исполнения; одновременная возможность анализа, оптимизации и генерации ячеек; уникальная собственная технология многокритериальной оптимизации по энергопотреблению, времени, площади и выходу годных; гибкие возможности создания параметризованных заказных библиотек стандартных ячеек

36 Высокопроизводительный вычислитель для обработки радиолокационных сигналов в режиме реального времени За 5 сек - вычислить 1728 раз матрицу размерностью 64 х 64 элемент матрицы - комплексное число, коэффициенты действительной и мнимой части – числа с плавающей запятой формата single Значение матрицы зависит от выборки из 128 входных комплексных векторов Вычисление программным способом (Core2Duo, 2,66 Ггц, 1 Гбайт) > 43 минут – нужно в 500 раз быстрее! Спецвычислитель для расчета РЛИ

37 Cоздан прототип на базе FPGA Virtex-5 xc5vlx330 Использовано оборудования: триггера 12 % логические элементы 53 % Частота 200 МГц Вычисление одной матрицы < 1 мск Производительность ~ 6,5 млрд операций с плавающей запятой в секунду Полная конвейеризация и использование заказной СБИС отечественного производства с технологией 180 нм («Микрон») даст увеличение производительности в раз Спецвычислитель для расчета РЛИ

38 Методы адаптивного управления роботами Основная цель исследований - развитие теории, создание и внедрение нового вида объектов – адаптивных (самообучаемых) программ, машин и приборов (adaptive hard- and software) Области применения: робототехника машиностроение космонавтика приборостроение Пример робота, двигающегося под управлением методов AAC-Lab Блок-схема методов AAC-Lab

39 Проекты для российских заказчиков 1 МИД России,«НИИ Восход» - защищенная информационная система биометрических паспортов нового поколения МЧС России, Институт «Гипроуглеавтоматизация» - создание системы аварийной связи для горноспасателей Единая Россия - автоматизированная система учета членов Партии Гражданские самолеты Сухого: модель силовой установки полноразмерного авиационного тренажера SSJ-100, система обеспечения радиолокационной незаметности перспективного самолета ОАО «Туполев» - разработка автоматизированной системы обучения для комплексного авиационного тренажера НПО «Сатурн» - аппаратно-программная платформа встраиваемых распределенных систем управления ФАП РФ система информационного и навигационного обеспечения движения железнодорожного транспорта, спецстойкое ядро автономного узла сенсорной сети, разработка блоков СВЧ-устройств

40 Проекты для российских заказчиков 2 ОАО «НПП «Темп» им. Ф.Короткова» - процессорный модуль системы автоматического управления (САУ) для авиационного двигателя ОАК информационная инфраструктура проекта самолета ИЛ-476 ФГУП ЦИАМ беспроводная система управления авиационного двигателя ООО «СЭПО-ЗЭМ» - разработка бортовых процессорных модулей и испытательных стендов ОАО «КЭМЗ» - разработка интерфейсов, диагностического ПО для авиационного двигателя ОАО «Климов» - проектирование перспективной распределенной системы автоматического управления газотурбинными двигателями; разработка функционального модуля управления интегральной системы бескислородного розжига основной и форсажной камер ГТД Департамент науки и промышленной политики Москвы – разработка комплекса датчиков и беспроводной автоматизированной системы безопасности зданий ОАО «НИИМЭ и завод «Микрон» - разработка быстрой библиотеки стандартных элементов для технологии 0,18 мкм

41 Проекты для российских заказчиков 3 НТЦ «Модуль» - разработка СФ-блока видеоконтроллера высокого разрешения для применения в составе мультимедийных «систем-на-кристалле» для бытовой электроники. Межведомственный суперкомпьютерный центр РАН – разработка макета суперкомпьютера ТНК BP, Лукойл, Роснефть серия проектов в области разработки прикладного ПО ОАО «АНК «Башнефть» - разработка системы телемеханизации объектов с применением сенсорных сетей ОАО «Горизонт» создание и производство встроенного спецвычислителя для радиолокационных станций МАК «Вымпел» аппаратные ускорители вычислений РНИ КП, ИКИ «Фобос-грунт» система управления сканирующим устройством, вычислительные модули НПП Телда – разработка устройств беспроводной передачи данных для автотранспорта

42 Кадровый состав ИТМиВТ Общий штат Института составляет 450 человек, в том числе: 12 докторов технических наук 37 кандидатов технических и физико-математических наук 11 руководителей проектов, сертифицированных по PMI 20 аспирантов 35 студентов, участвующих в реальных проектах Средний возраст сотрудников Института составляет 37 лет В институте работают специалисты с опытом работы в таких компаниях, как Intel, Nortel, Sun, Cadence, Motorola, Samsung, General Electric, Ericsson, Lucent Technologies, Tower Semiconductor, Mosaic Systems, Virage Logic, Inc, CQG и др.

43 Спасибо за внимание! Сергей Калин, Директор ИТМиВТ Тел.: (495) Факс: (495) ФГУП «Институт точной механики и вычислительной техники им. С. А. Лебедева Российской академии наук» , Москва, Ленинский пр-т, 51