Книга посвящена перспективному направлению развития суперкомпьютерных технологий - реконфигурируемым вычислительным системам. Основная идея данного подхода заключается в предоставлении пользователю возможности настройки (конфигурации) архитектуры суперкомпьютера под структуру решаемой им задачи. При этом в качестве вычислительного устройства суперкомпьютера используются не стандартные микропроцессоры, а множество соединенных между собой программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) высокой степени интеграции, образующих единое вычислительное поле, в рамках которого пользователь может создавать проблемно-ориентированные вычислительные структуры, адекватные графу-алгоритму решаемой задачи. Данный подход обеспечивает возможность достижения высокой реальной производительности вычислительной системы, близкой к пиковой, а также ее линейный рост при наращивании аппаратного ресурса вычислительного поля ПЛИС, за счет адаптации архитектуры вычислителя к структуре решаемой прикладной задачи. В книге системно излагаются история развития, теоретические и практические основы организации, функционирования, создания и программирования таких реконфигурируемых вычислительных систем.Книга предназначена для студентов, аспирантов и инженеров, специализирующихся в области проектирования высокопроизводительных вычислительных систем и их применения для решения вычислительно трудоемких прикладных задач.

Предисловие......10Введение......12Глава 1. История
современное состояние и тенденции развития суперкомпьютерных технологий......171.1. Зачем нужны суперкомпьютеры......171.2. История развития суперкомпьютеров......201.2.1. История развития суперкомпьютеров за рубежом......201.2.2. История развития отечественных суперкомпьютеров......281.3. Архитектуры суперкомпьютеров......331.4. Тенденции развития суперкомпьютерных технологий......451.5. Принципы организации реконфигурируемых вычислительных систем......61Глава 2. Этапы развития вычислительных систем с реконфигурируемой архитектурой......662.1. Аналоговые вычислительные машины......662.2. Цифровые интегрирующие машины......812.3. Однородные вычислительные среды......1002.4. Многопроцессорные вычислительные системы с программируемой архитектурой......121Глава 3. ПЛИС - элементная база реконфигурируемых вычислительных систем......1453.1. Принципы организации PBC на основе вычислительных полей ПЛИС......1453.2. Архитектура и характеристики современных ПЛИС......1513.2.1. Программируемые логические интегральные схемы фирмы XILINX......1533.2.1.1. Семейство ПЛИС Virtex-6......1563.2.1.2. Семейство ПЛИС Virtex-7......1653.2.1.3. Семейство ПЛИС UltraScale......1693.2.2. Программируемые логические интегральные схемы фирмы Altera......1773.2.2.1. Семейство Arria 10......1773.2.2.2. Семейство Stratix 10......1833.2.3. Программируемые логические интегральные схемы фирмы Achronix......1843.3. Технологии программирования ПЛИС......1893.3.1. Программирование ПЛИС на языках HDL-группы......1903.3.2. Схемотехническое программирование ПЛИС в редакторе схем......1953.3.2.1. Программирование ПЛИС в редакторе ISE Foundation......1953.3.2.2. Программирование ПЛИС в редакторе Quartos II......1983.3.3. Программирование ПЛИС по технологии Mitrion......2013.3.4. Программирование ПЛИС по технологии CatapultC......2043.3.5. Программирование ПЛИС с использованием С/С подобных языков......206Глава 4. Реконфигурируемые вычислительные системы на основе ПЛИС......2094.1. Применение ПЛИС в современных вычислительных системах......2094.2. Реконфигурируемые вычислительные системы с макропроцессорной архитектурой (первое поколение)......2254.2.1. Организация PBC с макропроцессорной архитектурой......2264.2.2. Реализация PBC с макропроцессорной архитектурой......2364.3. Реконфигурируемые вычислительные системы с макрообъектной архитектурой (второе поколение)......2434.3.1. Примеры реализации PBC с макрообъектной архитектурой......2484.3.1.1. PBC «Медведь»......2484.3.2. PBC «Мангуст»......2534.3.3. PBC «ТОР»......2554.4. PBC семейства «Большая Медведица» (третье поколение)......2564.4.1. Базовые модули PBC семейства «Большая Медведица»......2574.4.2. Вычислительные блоки и рабочие станции......2624.4.3. Реконфигурируемые вычислительные системы семейства «Большая медведица»......2634.4.4. Реконфигурируемые ускорители персонального компьютера......2694.5. PBC с высокой плотностью компоновки элементов (четвертое поколение)......2704.5.1. PBC «Орион»......2734.5.2. PBC «Ригель»......2784.5.3. PBC «Тайгета»......2824.5.4. РВС-7 «Плеяда»......2854.6. PBC с погружной системой охлаждения (пятое поколение)......2944.6.1. Принципы работы погружной системы охлаждения......2944.6.2. Модульная реализация PBC с системой жидкостного охлаждения открытого типа......2994.6.3. Конструкция реконфигурируемого вычислительного блока с погружной системой охлаждения......3014.6.4. Подсистема электропитания РВБ......3044.6.5. Конструкция базового модуля РВБ......3064.6.6. Конструкция PBC «Скат» с погружной системой охлаждения......3124.7. Персональный реконфигурируемый компьютер......314Глава 5. Программное обеспечение реконфигурируемых вычислительных систем......3185.1. Средства программирования PBC......3185.2. Комплекс системного программирования PBC......3235.2.1. Структура комплекса......3235.2.2. Программирование PBC на уровне логических ячеек ПЛИС......3255.2.3. Программирование PBC на уровне софт-архитектур и макрообъектов......3275.3. Язык программирования COLAMO......3345.3.1. Принципы организации вычислений на языке программирования высокого уровня с неявным описанием параллелизма......3345.3.2. Организация доступа к памяти......3385.3.3. Сцепление переменных......3415.3.4. Параллельная и конвейерная обработка данных......3455.3.5. Особенности использования условных операторов......3575.3.6. Особенности использования операторов цикла......3695.3.7. Особенности использования вычислительных структур......3765.4. Интегральная среда программирования Argus......3805.5. Транслятор языка COLAMO......3955.6. Синтезатор конфигураций многокристальных схемотехнических решенийFire!Constructor......4055.6.1. Принципы организации и функционирования синтезатора Fire!Constructor......4055.6.2. Графический редактора синтезатора Fire!Constructor......4165.6.3. Создание проекта структурной программы......4205.6.4. Ввод граф-схем структурных программ......4225.6.5. Создание компонентов......4275.6.6. Инструменты навигации в граф-схеме......4285.6.7. Описание структуры PBC и паспорта вычислительного модуля......4315.6.8. Генерация конфигурационных файлов......4375.6.9. Визуализация результатов работы синтезатора Fire!Constructor......4445.7. Синтезатор конфигураций многокадровых прикладных программ Steam!Constructor......448Заключение......459Библиографический список......461