Файл: Устройство для управления конфигурацией вычислительной системы device for computing system configuration management.docx

_М реконфигурации вычислительных ПЛИС и по индивидуальным шинам 32₁, …, 32_М оперативной реконфигурации памятей стартовых конфигураций, а также подключены к одноименным вычислительным СБИС 33₁, …, 33_М по индивидуальным шинам обмена данными 34₁, …, 34_М и по индивидуальным шинам управления мониторингом 26₁, …, 26_М к индивидуальным блокам мониторинга 15₁, …, 15_М, которые подключены к соответствующим вычислительным СБИС 33₁, …, 33_М по шинам мониторинга 14₁, …, 14_М, кроме того, порты NT/DS/US коммутаторов PCI-Express 19 реконфигурируемых вычислительных устройств 13₁, …, 13_N подключены к соответствующему интерфейсу из группы из N высокоскоростных последовательных интерфейсов объединения PCI-Express 28₁, …, 28_N, которые объединены в К групп 29₁, …, 29_К по N высокоскоростных последовательных интерфейсов объединения PCI-Express ведомых вычислительных устройств 4₁, …, 4_К, и подключены к соответствующим портам DS коммутатора PCI-Express 31, порт US которого подключен к порту DS двухпортовой интерфейсной платы 5 по высокоскоростному последовательному интерфейсу PCI-Express 18, а порт US двухпортовой интерфейсной платы 5 подключен по высокоскоростному последовательному интерфейсу PCI-Express 6 к ведущему серверу 2.

Недостатком данного технического решения являются узкие функциональные возможности, не позволяющие использовать его для конфигурирования вычислительной системы путем осуществления выбора для последующего использования потока данных от тех или иных вычислительных устройств, в зависимости от показателей окружающей среды.

Раскрытие сущности полезной модели. Задачей полезной модели является создание устройства для управления конфигурацией вычислительной системы, которое можно использовать в вычислительных системах, работающих в неблагоприятных условиях окружающей среды, когда имеется воздействие мощного ионизирующего излучения.

Техническим результатом полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства для управления конфигурация вычислительной системы, что позволяет делает его способным осуществлять выбор для последующего использования того вычислительного устройства, которое обеспечивает контролируемую точность вычислений при задаваемом ограничении на надежность.

---

Технический результат достигается за счет того, что в устройство для управления конфигурацией вычислительной системы, содержащее блок конфигурирования и мониторинга, согласно полезной модели, в него дополнительно введены датчик ионизирующего излучения, пороговое устройство и схема управления, при этом выход датчика ионизирующего излучения соединен с первым входом порогового устройства, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами схемы управления, выход которой соединен с первым входом блока конфигурирования и мониторинга, выход блока конфигурирования и мониторинга является выходом устройства для управления конфигурацией вычислительной системы, а второй и третий входы порогового устройства, второй, третий и четвертый входы блока конфигурирования и мониторинга – соответственно первым, вторым, третьим, четвертым и пятым входам устройства для управления конфигурацией вычислительной системы.

Надо отметить, что при этом под конфигурацией вычислительной системы понимается «совокупность функциональных частей вычислительной системы и связей между ними, обусловленная основными характеристиками этих функциональных частей, а также характеристиками решаемых задач обработки данных» [5].

Теоретические предпосылки. Главная идея, положенная в основу настоящей полезной модели, состоит в обеспечении возможности «обмена» точности вычислений, выполняемых в вычислительной системе, в состав которой входит предлагаемое устройство для управления конфигурацией вычислительной системы, на надежность. Упомянутая точность зависит от разрядности используемого вычислительного устройства и результатов выполняемых вычислений, на надежность вычислительной системы, которая зависит как от условий окружающей среды, так и от количества отдельных радиоэлектронных элементов (прежде всего - транзисторов, а также диодов, конденсаторов, элементов индуктивности), используемых при выполнении вычислений.

Для определения воздействия ионизирующего излучения на работоспособность транзисторов обратимся к работе [6], в которой сказано (с. 262, начало цитаты):

---

«Воздействие быстрых нейтронов вызывает нарушение кристаллической решетки материала (основной эффект) и ионизацию (вторичный эффект). Вследствие этого изменяются параметры полупроводниковых материалов – время жизни основных носителей (), удельная проводимость (), скорость поверхностной рекомбинации дырок с электронами. Вследствие изменения вышеуказанных параметров уменьшается коэффициент усиления по току ₀ (₀), увеличивается обратный ток коллектора (I_к0), возрастают шумы транзистора. Изменение коэффициента усиления является необратимым, а изменения обратного тока могут быть обратимыми и необратимыми.

Протоны и электроны влияют на характеристики транзисторов так же, как и нейтронное облучение.

Максимальный интегральный поток частиц Ф, который может выдерживать транзистор для заданного изменения параметра ₀ , определяется из соотношения:

,

где f_а – граничная частота усиления по току в схеме с общей базой;

₀ – коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (до начала облучения);

₀^об - коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (после облучения);

k – постоянная, зависящая от типа транзистора (нейтр/с)/см².

Значения коэффициента k приведены в следующей таблице:

Материал	Тип проводимости транзистора	k
Германий n	p-n-p	(4,2  0,2)*107
Германий p	n-p-n	(1,8  0,2)*107
Кремний n	p-n-p	(3,1  0,4)*106
Кремний p	n-p-n	(4,6  3,3)*106

Как видно из этой таблицы, наибольшую радиационную стойкость имеют германиевые p-n-p транзисторы. Они при прочих равных условиях выдерживают поток быстрых нейтронов на 1 – 2 порядка больше, чем кремниевые.

Ориентировочно для оценки радиационной стойкости можно пользоваться диаграммой.

Транзисторы		База
Кремниевые	fа 	большой толщины
		средней толщины
		тонкая
Германиевые	fа 	большой толщины
		средней толщины
		тонкая
Накопленный поток, нейтр/см2			1010		1011					1012			1013							1014
Доза, рентген			2,5*105		2,5*106					2,5*107			2,5*108							2,5*109				Р

---

Левые границы прямоугольников соответствуют тем значениям потоков и доз, при которых становятся заметными необратимые изменения, а правые границы – значения потоков и доз, при которых характеристики транзисторов находятся на грани пригодности (в качестве критерия годности выбрано изменение коэффициента усиления ₀)» (конец цитаты).

Вышеприведенная диаграмма позволяет выработать следующие правила:

1. 
   Когда накопленная доза по своему значению приближается к области, соответствующей необратимым изменениям (например, 10⁷ для кремниевых транзисторов с тонкой базой), целесообразно осуществлять переход от использования высокоточного вычислителя к использованию вычислителя средней точности. Это обусловлено тем, что такой переход приводит к снижению вероятности осуществления ошибочных вычислений из-за отказа отдельного транзистора и, как следствие, выхода из строя всего вычислителя. Точность вычислений при этом снижается, но может оказаться приемлемой для решения определенных задач, причем дополнительную погрешность можно оценить заранее.
   
2. 
   Когда накопленная доза по своему значению приближается к области, соответствующей необратимым изменениям (например, 10⁸ для кремниевых транзисторов с тонкой базой), целесообразно осуществлять переход от использования вычислителя средней точности к использованию вычислителя низкой точности (по тем же причинам, что и в п. 1). Точность вычислений при этом снижается, но может оказаться приемлемой для решения определенных задач, причем дополнительную погрешность можно оценить заранее.
   

Такой подход позволяет осуществить прогнозирование возможности выхода используемого вычислительного устройства из строя (вследствие воздействия окружающей среды) и упреждающей замены используемого вычислительного устройства на другой, который обеспечивает меньшую точность вычислений, но является более надежным.

Осуществление полезной модели. Структурная схема предлагаемого устройства для управления конфигурацией вычислительной системы представлена на чертеже, на котором, помимо нее, изображены устройство ввода, вычислительное устройство с высокой разрядностью (ВУВР), вычислительное устройство со средней разрядностью (ВУСР) и вычислительное устройство с низкой разрядностью (ВУНР).

---

Упомянутая структурная схема содержит следующие элементы:

1 – блок конфигурирования и мониторинга;

2 – датчик ионизирующего излучения;

3 – пороговое устройство;

4 – схема управления.

При этом выход датчика 2 ионизирующего излучения соединен с первым входом порогового устройства 3, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами схемы 4 управления, выход которой соединен с первым входом блока 1 конфигурирования и мониторинга, выход блока 1 конфигурирования и мониторинга является выходом устройства для управления конфигурацией вычислительной системы, а второй и третий входы порогового устройства 3, второй, третий и четвертый входы блока 1 конфигурирования и мониторинга – соответственно первым, вторым, третьим, четвертым и пятым входам устройства для управления конфигурацией вычислительной системы.

Описание функционирования. Работает предлагаемое устройство для управления конфигурацией вычислительной системы следующим образом.

Датчик 2 ионизирующего излучения испытывает неблагоприятное воздействие, которое, как можно условно считать, поступает на его вход. Он осуществляет измерение показателя этого воздействия в виде дозы (облучения) и вырабатывает выходной сигнал U_ии, который с выхода датчика ионизирующего излучения поступает на первый вход порогового устройства 3. На второй и третий входы порогового устройства 3 при этом подаются пороговые сигналы U_пор1 и U_пор2, соответственно, причем выполняется неравенство

U_пор1 < U_пор2.
В зависимости от соотношения между U_ии, U_пор1 и U_пор2 на возможны следующие ситуации:

1. 
   Если уровень сигнала U_ии оказывается нижеU_пор1, т.е. U_ии < U_пор1, на выходы порогового устройства 3 сигнал не подается, что свидетельствует о том, что в предлагаемой вычислительной системе должна использоваться вычислительное устройство с высокой разрядностью (ВУВР), например, 64.
   
2. 
   Если уровень сигнала U_ии оказывается вышеU_пор1, но ниже U_пор2, т.е. выполняется соотношение U_пор1 < U_ии < U_пор2, с первого выхода порогового устройства 3 на первый вход схемы 4 управления подается управляющий сигнал U_упр1, свидетельствующий о том, что необходимо перейти от использования вычислительного устройства с высокой разрядностью (ВУВР) к использованию вычислительного устройства со средней разрядностью (ВУСР), например, 32.
   
3. 
   Если уровень сигнала U_ии оказывается вышеU_пор2, т.е. выполняется соотношение U_пор2 < U_ии, со второго выхода порогового устройства 3 на второй вход схемы 4 управления подается управляющий сигнал U_пор2, свидетельствующий о том, что необходимо перейти от использования вычислительного устройства со средней разрядностью (ВУСР) к использованию вычислительного устройства с низкой разрядностью (ВУНР).
   

---