авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Модели, алгоритмы и программно-инструментальные средства для организации конвейерно-параллельных вычислений на мультипроцессорных системах

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Талалаев Александр Анатольевич

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНО-ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ КОНВЕЙЕРНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ НА МУЛЬТИПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМАХ

Специальность 05.13.11 – «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Переславль-Залесский

2012

Работа выполнена в Исследовательском центре мультипроцессорных систем Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института программных систем им. А.К. Айламазяна Российской академии наук

Научный руководитель профессор, доктор технических наук Хачумов Вячеслав Михайлович
Официальные оппоненты: д.ф.-м.н., доц., зав. лаб. ИЦСА, ИПС им. А.К. Айламазяна РАН Знаменский Сергей Витальевич к. т. н., с.н.с. Лаборатории 0-2, ИСА РАН Тихомиров Илья Александрович
Ведущая организация: ОАО Научно-исследовательский центр электронной вычислительной техники (ОАО «НИЦЭВТ»)

Защита состоится 27 апреля 2012 г. в 13.00 часов на заседании Диссертационного совета ДМ 002.084.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте программных систем им. А.К. Айламазяна Российской академии наук по адресу: 152020, Ярославская обл., Переславский район, с. Веськово, ул. Петра Первого, д. 4а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института программных систем им. А.К. Айламазяна Российской академии наук.

Автореферат разослан «___» __________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук Пономарева С.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

При решении сложных прикладных задач, оперирующих большими объемами данных, возникает необходимость максимально эффективно использовать аппаратные ресурсы современной компьютерной техники, например, многопроцессорных вычислительных систем (МВС). Задача разработки параллельных алгоритмов для повышения эффективности вычислений может быть сравнима по сложности с решением самой прикладной задачи.

Для разработки прикладных систем необходим удобный инструмент, обладающий достаточной гибкостью и расширяемостью, обеспечивающий масштабируемое решение прикладной задачи и при этом не обременяющий разработчика вопросами эффективной параллельной реализации. При этом инструментальная система не должна ограничивать разработчика, позволяя ему при необходимости применять имеющиеся знания и расширять функциональные возможности системы. Подобная система должна также функционировать на различных аппаратных платформах или иметь возможность легкой адаптации под них, позволяя разработчику полностью сконцентрироваться на решении прикладной задачи и в короткие сроки, без привлечения высококвалифицированных специалистов в области параллельных вычислений, построить законченное решение, обеспечивающее преимущество от использования МВС.





В настоящее время имеется несколько универсальных систем, которые можно рассматривать как комплекс инструментальных средств для разработки прикладных систем. К ним можно отнести такие системы как, например, HeNCE, GRADE, CODE, Triana, BMDFM, технологию Microsoft Workflow Foundation, ANSYS EKM, Kepler.

Однако тщательный анализ показывает, что каждая из них, обладая определенными преимуществами, тем не менее, по ряду причин не позволяет достаточно простыми средствами достигать одновременно требуемых показателей по скорости обработки, гибкости, масштабируемости вычислений, возможности адаптации к прикладной области и т.д.

Вопросами организации высокопроизводительных вычислений занимались различные исследователи: Е. Валях, Прангишвили И.В. и Трахтенгерц Э.А. (распараллеливание в процессе трансляции), Гергель В.П., Воеводин В.В., Карцев М.А., Абрамов С.М. (динамическое распараллеливание Т-система) и др.

В рамках многих из этих работ построены специальные языки и программные средства для параллельного программирования. Однако большинство существующих в настоящий момент решений для организации высокопроизводительных вычислений либо представляют собой низкоуровневые библиотеки или языки программирования, требующие от разработчика глубокого понимания парадигм параллельного программирования, либо не обладают достаточной гибкостью и, как правило, адаптированы лишь под конкретную аппаратную платформу.

Предлагаемое в рамках диссертационной работы алгоритмическое и программное обеспечение направлено на создание программно- инструментальной среды, позволяющей при разработке прикладных систем абстрагироваться от деталей низкоуровневой реализации параллельных алгоритмов.

Основной целью работы является обеспечение достаточно высоких показателей алгоритмов конвейерно-параллельных вычислений по быстродействию при минимальных временных затратах на их разработку с использованием инструментальных средств. При этом учитывается возможность кроссплатформенной реализации с сохранением принципов универсализма, гибкости и расширяемости программного комплекса. Разработанные автором комплексные решения прошли апробацию в рамках проектов «Триада» и «Космос-НТ», обеспечив достаточно высокие показатели на отечественных вычислителях кластерного типа «СКИФ-Аврора ЮУрГУ» и «К-100» Межведомственного суперкомпьютерного центра РАН (МСЦ РАН).

Целью диссертационной работы является разработка и исследование моделей, алгоритмов и программно-инструментальных средств, предназначенных для организации конвейерно-параллельных вычислений на мультипроцессорных системах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  1. Исследовать существующие методы организации конвейерно-параллельных вычислений на мультипроцессорных вычислительных системах;
  2. Разработать структурную модель комплекса инструментальных средств, удовлетворяющую принципам гибкости и расширяемости и позволяющую адаптировать разрабатываемое ПО к ряду аппаратных архитектур;
  3. Разработать алгоритм диспетчеризации, позволяющий эффективно использовать ресурсы МВС с учетом требований универсализма разрабатываемых инструментальных средств и наложенных постановкой задачи ограничений;
  4. Разработать математическое и программное обеспечение МВС для решения задач конвейерно-параллельной обработки данных и провести его тестирование для получения качественных и сравнительных характеристик.

Методы исследования При проведении исследований были использованы методы теории сетей Петри, теории конечных автоматов, методы объектно-ориентированного программирования, методы структурно-процедурного параллельного программирования, а также компьютерные эксперименты для оценки эффективности разработанных алгоритмов.

Результаты, выносимые на защиту:

Алгоритмическое и программное обеспечение комплекса программно-инструментальных средств для решения прикладных задач, поддерживающее режим конвейерно-параллельных вычислений на МВС.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждена комплексным тестированием на ряде действующих образцов МВС, а также апробацией полученных научных результатов на международных и всероссийских конференциях.

Научная новизна работы:

Научная новизна заключается в разработке программно-инструментальных средств, позволяющих строить  конкурентоспособные прикладные отечественные системы, функционирующие на широком спектре  многопроцессорных вычислительных систем.

Предметом научной новизны являются:

  1. Архитектурные решения программно-инструментального комплекса, обеспечивающие модульность, гибкость и расширяемость на уровне построения прикладных задач и при их решении на МВС.
  2. Расширенные функциональные возможности вычислительного ядра программно-инструментального комплекса, обеспечивающие адаптацию к различным аппаратным платформам и реализацию всех видов параллелизма, включая параллелизм независимых ветвей, параллелизм множества объектов, параллелизм смежных операций и смешанный параллелизм.
  3. Модели процесса диспетчеризации и описания прикладных задач на основе Е-сетей Петри и теории автоматов, обеспечивающие научно-обоснованный подход к построению вычислительных процессов на этапе формирования задач пользователя.

Практическая ценность работы. Практическая значимость полученных результатов определяется их применением для решения комплекса актуальных задач обработки данных. Полученные результаты отражены в отчетах выполненных научных исследований в рамках:

  1. Программы Союзного государства «Развитие и внедрение в государствах-участниках Союзного государства наукоемких компьютерных технологий на базе мультипроцессорных вычислительных систем», шифр «ТРИАДА» (проект ПР5 «Разработка новых алгоритмов, принципов создания систем обработки изображений и другой информации от космических средств наблюдения, ориентированных на применение многопроцессорных вычислительных кластеров повышенной вычислительной мощности»);
  2. Программы Союзного государства «Космос-НТ» (НИР «Разработка прототипа программной нейросетевой системы контроля телеметрической информации, диагностики подсистем космических аппаратов, обработки космических снимков»);
  3. Государственного контракта №02.740.11.0526. «Разработка технологии интеллектуальной обработки информации в командно-измерительных системах космического назначения» (шифр заявки «2010-1.1-411-009-033»), 2010-2012гг.;
  4. Проекта РФФИ 07-07-12029-офи "Создание интеллектуальной технологии для анализа данных и распознавания образов" (2007-2008гг.);
  5. Проекта РФФИ № 09-07-00006-а "Исследование методов и создание теоретических основ информационной технологии обнаружения, распознавания, определения географического положения и прогнозирования поведения динамических целей" (2009-2011гг.);
  6. Программы фундаментальных исследований Отделения РАН № 1 «Информационные технологии и методы анализа сложных систем»,
    проект № 2.2 «Развитие методов интеллектуального управления на основе анализа потоков данных» (2009-2011гг.).
  7. Государственного контракта № 07.514.11.4048 от 06 октября 2011 г. на тему «Разработка интеллектуальных методов автоматизированного обнаружения и предотвращения распределенных сетевых атак и их реализация в современных системах облачных вычислений» (2011-2012гг.).

Внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы были использованы при разработке программного комплекса «ППС ИНС» для НИЦЭВТ по проекту «Триада» (свидетельство на регистрацию программы для ЭВМ № 2010610208), разработке программной системы по проекту «Космос-НТ» Союзного государства (заявка на регистрацию программы для ЭВМ № 2011618769 от 18 ноября 2011) и разработке ”Комплекса программ инструментальных средств построения универсальной моделирующей среды для высокопроизводительной вычислительной системы «СКИФ»” для ОАО «Российские космические системы». Получен акт использования результатов диссертационной работы от НИИ КС им. А.А. Максимова от 12 января 2012 г.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских научно-практических конференциях и симпозиумах:

  1. Вторая международная научно-практическая конференция “Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности“. 07-09.01.2006, Санкт-Петербург, Россия.
  2. Научно-техническая конференция ФГУП "РНИИ КП", посвященной. 60-летию предприятия (10-12 октября 2006 г.).
  3. 9th International Conference “Pattern Recognition and image analysis: New Information Technologies” (PRIA-9-2008) (Nizhni Novgorod, 14-20.09.2008).
  4. First Specialized Symposium “Space & Global Security of Humanity” (November 2-4, 2009, Amathus Beach Hotel, Limassol, Cyprus).
  5. III Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (1-3 июня 2010 года).

Кроме того, результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах Исследовательского центра мультипроцессорных систем ИПС им. А.К. Айламазяна РАН в г. Переславль-Залесский (2005-2012).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 15 печатных работах, в числе которых 7 статей опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 75 наименований. Основная часть изложена на 112 страницах машинописного текста, иллюстрируется 27 рисунками и 16 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, раскрыты научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе приведена информация о существующих методах и подходах к организации высокопроизводительных вычислений. Выполнен обзор зарубежных инструментальных программных систем (ПС) предназначенных для разработки прикладных задач, поскольку отечественные системы подобного класса отсутствуют. Показаны их преимущества и недостатки. Дан их сравнительный анализ и примерная классификация имеющихся аналогичных решений (таблица 1).

Таблица 1 – Сравнение основных характеристик программно--инструментальных средств разработки параллельного ПО

Разработанная ПС Kepler ANSYS EKM Microsoft Workflow Foundation CODE
1 Параллелизм исполнения задачи + + + + +
2 Конвейеризация исполнения задачи + + - - -
3 Поддержка модулей системы с внутренним параллелизмом + - - - -
4 Возможность исполнения задачи на SMP-архитектуре + + + + +
5 Возможность исполнения задачи с использованием КВУ + + + + +
6 GUI с поддержкой визуального программирования + + + + +
7 Кроссплатформенность + + + - -
8 Открытый исходный код + + - - +
9 Язык (платформа) реализации С/С++ Java Java .NET Tcl


Pages:   || 2 | 3 |
 



Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.