Разработка методов и инструментальных средств прогнозирования качественных характеристик мультикомпьютерных систем

Актуальность темы

.

В практике реализации цели повышения производительности, эффективности вычислительных систем наряду с традиционными методами технологической эволюции процессоров — увеличение тактовой частоты, повышение разрядности, совершенствование аппаратных решений, всегда присутствовали методы архитектурного совершенствования, основанные на идее параллельных вычислений в системах, состоящих из нескольких вычислителей. Использование в архитектуре вычислительных систем различных принципов реализации конвейерно-параллельных вычислений — в настоящее время является одним из наиболее перспективных и активно развивающихся направлений повышения эффективности функционирования вычислительных средств. Поэтому архитектуры вычислительных систем, использующие параллелизм, такие как мультипроцессорные системы с общей памятью (SMP) и мультипроцессорные системы с распределенной памятью (МРР) — сегодня в центре внимания. Мультикомпьютерные системы (МКС), исследование которых выполняется в данной работе, относятся к МРР-системам сетевого типа. В плане вычислительной архитектуры Мультикомпьютерная система отличается возможностью программируемое&tradeструктуры взаимодействия образующих систему вычислителей. Разработка и исследование принципов организации МКС с точки зрения эффективности организации вычислений открывает новые варианты формирования высокопроизводительных компьютерных систем. Большую помощь в развитии МКС могут оказать знания о вариантах их организации и характере протекающих в них процессов. При выборе или проектировании вычислительной системы для решения прикладных задач важно также знать насколько данная система инвариантна к набору решаемых задач в случае его видоизменения или расширения.

Разнообразие аппаратных, системных средств позволяет формировать различные конфигурации мультикомпьютерных систем. Однако добиться архитектурного и конфигурационного соответствия МКС не только заданному типу задач, но и его возможному расширению — достаточно сложная задача. Отсюда возникает проблема прогнозирования качественных характеристик МКС в зависимости от значений многочисленных параметров, характеризующих не только организацию и состав аппаратных средств, но и варьируемый тип решаемых задач. Одним из результатов такого прогнозирования может служить ответ на вопрос: насколько хорошо данная МКС сохраняет свои показатели по производительности при изменении в определенных пределах структуры и параметров решаемых задач? Возможный подход к решению — целенаправленное приобретение эмпирических знаний, необходимых для прогнозирования показателей качества МКС в зависимости от ее организации при изменении значений характеристик решаемых задач в определенных пределах.

Данная работа посвящена исследованию и разработке методов и инструментальных средств получения, представления и анализа знаний о вариантах эффективной организации МКС применительно к решению вычислительных задач, допускающих распараллеливание процесса вычислений, в том числе прогнозирования показателей качества таких систем, что и определяет актуальность темы диссертации.

Цели и задачи работы.

Цель диссертации — создание методов и инструментальных средств для выполнения экспертного прогнозирования качества организации мультикомпьютерных систем, проблемно ориентированных на задачи управления сложными объектами.

Для достижения этой цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Определение способа представления эмпирических знаний о способах организации и эффективного применения мультикомпьютерных систем.

2. Исследование свойства инвариантности архитектуры МКС по отношению к типу задач с конвейерно-параллельной организацией вычислений.

3. Усовершенствование инструментальных средств получения эмпирических знаний посредством индуктивного обобщения фактов за счет введения нелинейных составляющих.

4. Создание средств визуализации искомых знаний о правилах эффективной организации мультикомпьютерных систем и поддержки формирования экспертной оценки качества новых моделей МКС.

5. Разработка и включение в состав инструментальной системы имитационной модели функционирования МКС, позволяющей отображать процессы конвейерно-параллельных вычислений с точностью до механизмов управления.

6. Решение прикладных задач организации МКС, ориентированных на реализацию базовых алгоритмов расчета режимов функционирования сложных технических объектов.

Методы исследования.

Научные положения данной работы основаны на использовании понятий алгебры логики, теории графов, теории принятия решений, исследования операций, теории вычислительных систем и методологии имитационного моделирования.

Научная новизна.

В работе предложены методы прогнозирования качественных характеристик мультикомпьютерных систем. В отличие от ранее известных методов и средств предлагаемые методы обеспечивают: возможность оценки степени инвариантности мультикомпьютерных систем, реализующих конвейерно-параллельные вычисления, к типу решаемых задач в зависимости от степени параллельности последнихуглубленное представление эмпирических знаний, получаемых по результатам имитационного моделирования функционирования МКС за счет учета нелинейных составляющихвизуализация полученных эмпирических знаний на основе минимизации дерева экспертных оценок путем введения многоальтернативных вопросов.

Практическая ценность.

Реализация программного взаимодействия имитационной модели функционирования МКС с экспертной системой позволяет автоматизировать процесс приобретения эмпирических знаний при вариации требований к пороговым значениям заданных показателей качества и решать задачи аргументированного выбора способа организации и конфигурирования МКС. Визуальное представление правил классификации вариантов организации МКС и проведение их качественной оценки дают возможность ускоренного формирования обоснованных экспертных заключений о применимости данной архитектуры для решения поставленных вычислительных задач.

Апробация работы.

Результаты исследований, составляющих содержание работы, были доложены и обсуждены на международных конференциях «Информационные средства и технологии», проводившихся Международной академией информатизации в 1996 и 1999 г.г., и на ученом совете Республиканского исследовательского научно-консультационного центра экспертизы (РИНКЦЭ), а также отражены в отчетах кафедры о НИР кафедры ВМСС МЭИ за 1994;1998 г.

Выполнены поисковые исследования по организации проблемно-ориентированных МКС, обеспечивающих реализацию распределенных конвейерно-параллельных вычислений при отработке новых способов управления электроэнергетическими системами (ГНЦ ВЭИ) и летательными аппаратами.

Поставлены и в течение 3-х лет проводятся у студентов 5-го курса специальности 22.01 лабораторные работы по курсу «Поисковое проектирование вычислительных систем»: «Поисковое проектирование рабочей станции» и «Моделирование работы параллельной мультикомпьютерной сети» .

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 работ. Результаты работы докладывались на конференциях МФИ-97, МФИ-99, «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» -" Сочи-99″, доклады опубликованы в [5,68,69].

Основные результаты и положения работы отражены в 3-х отчетах по НИР [1,2,3,4].

Состав работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.

В первой главе рассматриваются основные тенденции развития параллельных вычислительных систем, определяется объект исследования данной работы — мультикомпьютерные системы (МКС). Анализируется проблема дефицита знаний при проектировании, построении и качественном исследовании, в том числе прогнозировании, параллельных мультикомпьютерных сетей.

Рассматривается один из способов преодоления дефицита знанийприменение экспертных систем — программного инструментального средства формирования, хранения и анализа знаний. Для этих целей предлагается использовать экспертную систему «Решатель открытых задач» (РОЗ), обладающую возможностью хранения, активного пополнения, анализа и обобщения знаний из различных предметных областей в виде примеров удачных и неудачных решений и правил их получения. Наряду с РОЗ предлагается использовать имитационную модель функционирования МКС для получения более точных знаний о правилах построения таких систем.

Выделяются нерешенные задачи качественного прогнозирования МКС и определяется подход к их решению.

Во второй главе рассмотрены основные составляющие знания об организации рассматриваемого класса МКС, в том числе — исходные данные для описания организации мультикомпьютерных систем, состав обобщенного показателя качества, средства и методы получения необходимых знаний и выполнения прогнозирования качественных характеристик МКС.

Определяется класс задач, которые можно решать с помощью исследуемых МКС на примере ПМК-сетей. Проводится выбор исходных данных для описания организации МКС, которые будут использоваться для настройки и запуска имитационной модели функционирования МКС. Определяется набор результирующих характеристик функционирования ПМК-сети, в том числе составляющих набор внешних показателей качества (ВПК) МКС, в дальнейшем используемый для оценки и прогнозирования качества различных вариантов организации МКС, а также для сравнения этих вариантов между собой.

Разрабатывается модель оценки степени инвариантности мультикомпьютерной системы потоку решаемых задач. Для усиления экспертных возможностей РОЗ создаются специальные алгоритмы. Разрабатывается алгоритм наглядного представления правил вынесения экспертных заключений на уровне качественной оценки, в виде бинарного дерева решений, далее именуемого деревом экспертных оценок, и определен состав исходных данных для его построения. Для проведения качественного исследования МКС разрабатывается методика экспертизы по дереву экспертных оценок.

В третьей главе дано описание разрабатываемых инструментальных средств пополнения знаний о способах организации МКС и прогнозирования качественных характеристик мультикомпьютерных систем.

В четвертой главе приводятся результаты применения разработанных инструментальных средств для выбора конфигурации проблемно-ориентированных мультикомпьютерных систем, на примере двух приложений: 1. Реализация базового алгоритма расчета установившихся режимов электроэнергетической сети- 2. Управление рулем высоты летательного аппарата с использованием альтернативных структур параллельных алгоритмов.

В Приложении приведены блок-схемы разработанных алгоритмов, рассмотрен вывод формул для общего случая определения степени соответствия ПМК-сети типу решаемых задач. Для созданных инструментальных средств представлены форматы используемых файлов.

Основные результаты, полученные в работе, заключаются в следующем.

1. Рассмотрен важный класс задач проектирования и прогнозирования показателей качества мультикомпьютерных систем на примере параллельных мультикомпьютерных сетей. Определен круг нерешенных задач прогнозирования качественных характеристик МКС и определены подходы к их решению. Проблема восполнения дефицита знаний о взаимосвязи архитектуры МКС и состава решаемых задач выделена как ключевая.

2. Получены аналитические соотношения, выражающие степень инвариантности конвейерно-параллельной организации МКС к изменению значений характеристик решаемых задач в зависимости от степени параллельности входного потока. Проведенное исследование полученных выражений показало, что при изменении характеристик задачи в сторону увеличения их значений эффективнее использовать конвейерно-параллельную организацию и в этом случае сохраняется устойчивость МКС к изменению набора решаемых задач. Для «чисто» конвейерной структуры МКС характерна высокая степень инвариантности к типу решаемых задач, однако по продолжительности решения и производительности такая структура МКС не эффективна.

3. Разработан алгоритм нахождения локальных экстремумов поискового пространства, усиливающий экспертные возможности Решателя открытых задач в плане получения новых эмпирических знаний и прогнозирования качества МКС. Предложенный алгоритм позволяет избежать ситуации полного перебора известных альтернатив в процессе обучения Решателя открытых задач, что особенно важно при большой размерности базы фактов.

4. Создан и программно реализован алгоритм наглядного представления иерархии имеющихся эмпирических знаний в виде дерева экспертных оценок. Предложен метод автоматического формирования тестовых вопросов при построении дерева экспертных оценок, позволяющий сократить процесс формирования экспертных заключений. Определена методика прогнозирования качества МКС по дереву экспертных оценок.

5. Разработана и программно реализована имитационная модель функционирования МКС на примере ПМК-сети, обеспечивающая моделирование.

— 1673-х типов организации ПМК-сети: -параллельной, -конвейерной, -конвейерно-параллельной. С помощью разработанной имитационной модели по заданным наборам показателей качества проведены исследования эффективности применения рассматриваемых вариантов организации ПМК-сети для решения задач различных типов.

6. Создана автоматизированная инструментальная система, позволяющая выполнять оценку и прогнозирование качества мультикомпьютерных систем на основе заданного набора внешних показателей качества. Инструментальная система совмещает в едином комплексе имитационную модель функционирования параллельной мультикомпьютерной сети и экспертную систему «Решатель открытых задач» (РОЗ), взаимодействующие между собой в процессе экспертного исследования МКС.

7. С помощью созданных инструментальных средств решены важные инженерные задачи выбора конфигураций проблемно-ориентированных МКС для расчета установившихся режимов электроэнергетических систем и обработки данных для управления рулем высоты летательного аппарата. Проведено прогнозирование поведения МКС при увеличении числа подключенных блоков обработки данных. Решение данных задач подтвердило целесообразность использования созданных в работе методов и инструментальных средств для решения задачи прогнозирования качества мультикомпьютерных систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненные в работе исследования позволяют прогнозировать качественные характеристики мультикомпьютерных систем на основе обобщенного критерия, формируемого экспертом в зависимости от поставленных целей.