Сашников Т.К., Юранов Ю.Г.
(Пензенский филиал ФГУП «НТЦ «Атлас»)
Engineering of technical systems on the basis of application of the system approaches oriented to models. Sashnikov T.K., Yuranov Y.G.
The article describes innovative technologies of designing of technical systems on the basis of representation of created system in the form of the complex model containing the exhaustive information on a product, and being a material on which basis all working out is spent, thus demanded documentation on a product is formed in the automated way of the data containing in model.
Проблемами проектирования являются: сокращение продолжительности цикла разработки, поддержание и повышение качества продукта проектирования, максимальное удовлетворение требований потребителей, соблюдение стандартов и специальных требований, эффективное управление изменениями.
Процессы проектирования должны быть скоординированы и увязаны с процессами, выполняемыми на всех этапах жизненного цикла изделия: эксплуатации, обслуживания и модернизации. Успешность проектирования зависит от строгости иерархии и «трассируемости» элементов системы, эффективного взаимодействия исполнителей, интеграции информации по проекту и её доступности для всех его участников.
Суть рассматриваемого инновационного подхода заключается в представлении информации о системе в виде абстрактной модели, которая отображается в форме набора диаграмм, а также применения методов автоматизации создания моделей и их анимации. Это предоставляет дополнительные возможности по управлению требованиями, анализу альтернативных решений, оценке результирующих характеристик на ранних этапах проектирования, оптимальному управлению изменениями, достижению общего понимания исполнителей проекта в процессе совместной работы, снижению затрат на документирование, формированию в ходе работ и сохранению научно-технических заделов.
Цикл проектирования является рекурсивным и включает фазы контекста, использования, реализации и исполнения, позволяющие на основе нисходящей концепции проектирования шаг за шагом детализировать представления исполнителей проекта о системе, проводить анализ технических решений и, имитируя поведение создаваемой системы на этапе анимации модели, оценивать эффективность и правильность реализации требований.
Практическая значимость представленного подхода к организации проектирования технических систем выражается в повышении эффективности проектных работ в сравнении с традиционными технологиями и обеспечении сокращения материальных затрат и сроков готовности проектов, улучшении качества создаваемых изделий и достижении большей степени удовлетворённости потребителей, сохранении инвестиций при создании продуктовых линеек и модернизации изделий.
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА КОМПЛЕКСНОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ОПЕРАТОРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Шухова У.В.
(ОАО «Концерн «Моринсис-Агат»)
Intellectual system of complex data processing for increase of efficiency of information support of the operator of management system of the special purpose (Shuxova U.V.)
Система управления (СУ) специального назначения содержит банк доскументов, которые могут помочь оператору в решении повседневных задач и во взаимодействии с системой в целом (разнообразные справочники, нормативы, руководства оператора и т.д.).
В связи с этим представляется актуальной задача автоматического формирования набора документов, которые могут быть полезны оператору в текущий момент его деятельности. Учитывая специфику применения, повышение эффективности информационной поддержки оператора влечет за собой возрастание оперативности и обоснованности принимаемых решений.
Для создания подобного механизма необходимо решить несколько задач, среди которых в первую очередь необходимо выделить повышение автономности и оперативности системы поиска информации.
Для решения этой задачи логичным представляется использование возможности полнотекстового поиска. После проведенного анализа различных программных продуктов, распространяемых по лицензии open source (Sphinx, Apache Lucene, Xapian), и системы полнотекстового поиска системы управления базами данных (СУБД) Линтер, уже используемой в СУ специального назначения, выбор был остановлен на СУБД Линтер.
СУБД Линтер имеет ряд свойств, позволяющих ей выступать в качестве инструмента для поиска: возможность работы с документами различной структуры и формата, использование при разработке приложений привычных для программистов средств, таких как язык запросов SQL (от англ. structured query language – структурированный язык запросов), и унифицированный подход к обработке текстовой информации независимо от её структуры и формы представления. Также следует отметить, что выбранное средство полностью синхронизирует индекс и данные, что обеспечивает возможность поиска только что измененных данных.
При работе с одним документом нескольких пользователей системы необходимо учитывать проблему организации доступа к актуальной версии документа. И она была бы практически неразрешимой, в случае, если индекс являлся бы внешним по отношению к данным и к механизмам доступа к ним.
Применение единого механизма для загрузки, управления доступом, модификации и поиска документов с применением языка SQL обеспечивает системный подход к управлению данными (что представляется сложной задачей при использовании какого-либо стороннего программного продукта).
Перечисленные выше характеристики, а также возможности СУБД по обеспечению целостности данных и восстановления после сбоев, явились причиной для использования именно этого средства в качестве основы разработки.
Таким образом, можно сказать, что использование СУБД Линтер в качестве продукта, обеспечивающего надежное хранение, разграничение доступа и полнотекстовый поиск по документам, хранящимся в СУ специального назначения, обеспечивает комплексную обработку информации, что в свою очередь может позволить реализовать интеллектуальную систему поддержки оператора системы.
НОВЫЙ ЭКОНОМИЧНЫЙ МЕТОД ПРОВЕРКИ ПРАВИЛЬНОСТИ РАБОТЫ УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ
Хетагуров Я.А.
(ОАО «Концерн «Моринсис-Агат»)
New economical method to verify proper operation of control systems. Hetagurov Y.A.
При создании управляющих систем с вычислительными устройствами (ВУ) кроме обеспечения необходимого быстродействия и надежности работы аппаратуры ВУ для решения задачи должны обеспечиваться проверки правильности выдаваемой информации и выполнение требований по безопасности, защищенности и экономичности.
Построение управляющих систем ВУ осуществляется на микропроцессорах, контроллерах и запоминающих устройствах двоичной системы кодирования, выпускаемых полупроводниковой промышленностью различных стран. Выполнение проверки правильности выдаваемой информации и правильности работы аппаратуры (микропроцессоров, контроллеров, ЗУ) производится двумя видами специальных проверяющих программ использующих набор операций каждого микропроцессора, контроллера и ЗУ. Это тест – программы и программы проверки правильности получаемых результатов (выполнение алгоритма), которые основываются на сравнении контрольной (правильной) величины слова с величиной слова вычисленного по программе.
Использование в системе проверяющих программ увеличивает количество команд (слов) для выполнения решения задачи в среднем в 2-3 раза, что требует соответствующего увеличения аппаратуры и объема ЗУ, повышения их надежности работы, быстродействия и увеличение затрат на их создание и эксплуатацию.
Приведенные затраты характерны для системы двоичного кодирования иностранных и отечественных микропроцессоров, контроллеров и ЗУ широкого назначения.
Для исключения затрат, связанных с применением проверяющих программ и снижением надежности, предлагается новый метод проверки правильности выполнения программы, основанный на использовании информации для оценки правильности разряда слова, основанный на кодировании разряда слова несколькими состояниями – R.
В результате проведенных исследований рациональное число состояний в разряде R определилось числом – 4. В связи с этим назовем метод кодирования «1 из 4».
Метод кодирования «1 из 4» использует один разряд, включающий 4 ячейки памяти. Двоичный метод использует два разряда, каждый разряд состоит из одной ячейки памяти.
Таблица кодирования разрядов одинаковых величин двоичным методом («1 из 4»).
-
Кодирование
|
двоичное
два разр.
|
1 из 4
один разр.
|
00
01
10
11
|
0001
0010
0100
1000
|
Правильной работе аппаратуры и программы системы, построенной на кодировании разряда «1 из 4», соответствует наличие одной единицы в каждом разряде слова. Это обеспечивает проверку разряда слова с любым количеством разрядов. В результате реализуется универсальный метод проверки.
В системе, построенной на применении кода разряда «1 из 4»:
- исключается программа проверки правильности аппаратуры системы и программа проверки правильности решения задачи, учитывая, что каждое действие с информацией при кодировании «1 из 4» проверяется наличием только одной единицы в каждом разряде числа.
- сокращается потребление электроэнергии при выполнении программы систем в среднем по сравнению с двоичным кодированием при одинаковой точности и правильности вычислений в 4-5 раз, так как при двоичном кодировании для проверки правильности величин необходимо использование мажоритарного метода проверки.
- уменьшается время выполнения операций по отношению к двоичному кодированию: сложение в 2 раза и умножение в 4 раза в результате сокращения количества разрядов и оригинальных схем.
- повышается надежность работы в коде «1 из 4» в следствии проверки выбранного числа заданному адресу, что отсутствует в ЗУ микропроцессоров двоичного кодирования.
- контроль каждого разряда числа обеспечивает защиту от вирусов.
Пример представления одинаковой величины (слова) в мажоритарном двоичном коде (30 разрядов, 30 ячеек памяти) и в коде разряда 1 из 4 (5 разрядов, 20 ячеек памяти).
-
10
|
11
|
01
|
00
|
10
|
10
|
11
|
01
|
00
|
10
|
10
|
11
|
01
|
00
|
10
|
01
00
|
10
00
|
00
10
|
00
01
|
01
00
|
Комплексная оценка приведенных факторов уменьшает суммарные затраты на создание и эксплуатацию аппаратуры и программ систем в среднем при кодировании «1 из 4» в 3-4 раза, затрат на эксплуатацию в 6-8 раз.
Построение системы основывается на применении базовых кристаллов ОАО «Ангстрем» и запоминающих устройств НИИИС «Росатом».
Исключается использование иностранных комплектующих изделий и программ.
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ И ПРОВЕДЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ МОНОСУЛЬФИДА САМАРИЯ
Мишин Ю.Н., Новичков В.М.
(ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина»; МАИ)
Assessment of efficiency and technological experiment in the design of strain gages on the basis of samarium monosulfide. Mishin Yu.N., Novichkov V.M.
The developed mathematical model of technological process of production of strain gauges on the basis of monosulfide samaria allows to optimize the quality parameters and metrological characteristics of strain gauges. The application of this method allows to produce such tools field strain gauges with optimum playing characteristics.
Актуальность направления исследований в создании полупроводниковых средств тензометрии на основе моносульфида самария обусловлена наряду с техническими преимуществами: высокой тензочувствительностью, линейностью тензохарактеристики, относительно низким температурным коэффициентом сопротивления, уменьшенными габаритами и массой, высокой тензочувствительностью, повышенным уровнем системной интеграции, и кроме того они обладают экономическими преимуществами по сравнению с обычными электрическими датчиками. В последнее десятилетие на уровень разработки новых приборов полупроводниковой тензометрии существенное влияние оказали методы микроэлектронной технологии, в частности фотолитография и термическое вакуумное испарение.
Проблема моделирования при изготовления экспериментальных тензорезисторов на основе моносульфида самария заключается в определении вида математической модели зависимости технологического процесса на базе интерполяционного эксперимента, т.к. он позволяет установить связь между действующими факторами с заданной целью.
Разрабатываемая математическая модель технологического процесса позволяет оптимизировать показатели качества и метрологические характеристики тензорезисторов. Математическая модель процесса может быть представлена уравнением регрессии. В связи с этим, что из априорных сведений о процессе изготовления тензорезисторов можно сделать вывод о неравномерном влиянии различных факторов на процесс (не все факторы существенны), для определения коэффициентов регрессии было решено воспользоваться одним из методов планирования эксперимента — методом случайного баланса, который при этих условиях позволяет при ограниченном числе опытов оценить степень влияния различных факторов, отбросить мало влияющие факторы и получить приближенную математическую модель процесса. Изготовление тензорезисторов на основе моносульфида самария осуществляется в лабораторных условиях на установке вакуумного напыления УВН-74П-2М, предназначенной для изготовления элементов схем за один вакуумный цикл методом раздельного нанесения слоев: проводящего слоя (Al, Cr, Au), диэлектрического слоя (SiO, Al2O3) и тензочувствительного поликристаллического слоя (SmS).
Практическая значимость заключается в том, что результаты моделирования на основе метода планирования эксперимента позволяют обоснованно и целенаправленно в минимальные сроки осуществлять синтез конструкций тензорезисторов с соблюдением требований ГОСТа по общим техническим условиям. Применение данного метода позволяет изготавливать подобные средства натурной тензометрии с оптимальными воспроизводимыми техническими характеристиками.
ПУТИ ПОСТРОЕНИЯ НЕОДНОРОДНОЙ МНОГОПРОЦЕССОРНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ С УЧЕТОМ СПЕЦИАЛЬНЫХ ТРЕБОВАНИЙ КОРАБЛЯ
Ксенафонтов А.А., Лавров К.Ю.
(ОАО «Концерн «Моринсис-Агат»)
The way of construction heterogeneous multiprocessor computer system satisfying the specific requirements of the ship. Ksenofontov A.A., Lavrov K.Y.
Несмотря на высокую производительность современных корабельных ЭВМ, существуют задачи в системе управления корабля, решение которых занимает неприемлемо большое время из-за возросшего объема информации.
Время на решение этих задач можно существенно сократить, если использовать для обработки информации специальные многопроцессорные комплексы с параллельной обработкой данных или суперкомпьютер. Чтобы в полной мере использовать преимущества, представляемые такой ЭВМ, необходимо переработать алгоритмы решения задач с возможностью параллельной обработки информации в такой системе, чтобы суммарное время решения задачи стремилось к минимуму.
Проблема энергопотребления является одной из самых главных задач разработки и эксплуатации суперкомпьютеров. Поскольку от роста его производительности, с одной стороны, напрямую зависит объем выделяемой теплоты со всеми вытекающими из этого обстоятельства техническими проблемами.
С другой стороны, электроэнергия на корабле не безгранична и беспрерывная круглосуточная работа вычислительных комплексов оборачивается ограничениями при выборе структуры суперкомпьютера и сказывается на его стоимости.
Поэтому у разработчиков суперкомпьютеров и вычислительных систем в целом для кораблей существует весьма оригинальная, с точки зрения компьютерного разработчика, система классификации, основанная не на терафлопсах и гигабайтах, а на ваттах.
Закон Мура не стареет, поэтому перед производителями микропроцессоров постоянно стоит задача повышения производительности – в два раза каждые полтора года. В последнее время это осуществлялось либо повышением тактовой частоты, либо наращиванием количества ядер. Конечно, лучше оба варианта сразу, но здесь не все так просто – нужно не только уложиться в заданный тепловой пакет, но физически умудриться разместить все ядра на чипе.
К примеру, Intel делает несколько модификаций для своих новых процессоров Xeon – в одной будет около 4 гигагерц при двух ядрах, а в другой – 6 ядер, но всего 2 гГц. А далее пользователи пусть сами выбирают оптимальный для них вариант. Однако в последнее время стал применяться альтернативный подход к повышению производительности – наращивание количества ядер в ущерб тактовой частоте.
В результате стали появляться так называемые «many core» процессоры, в которых много достаточно медленных ядер. Подобные решения востребованы, т.к. они обладают более высокой энергоэффективностью, и при оснащении ими суперкомпьютеров можно банально сэкономить на электроэнергии.
Компания Tilera разрабатывает MIPS-процессоры для различных узкоспециализированных областей типа шифрования, обработки видео и использования в медицинских приборах, а также процессор для энергоэффективных серверов и облачных вычислений.
Семейство Tile-Gx, к которому относится 100-ядерный процессор, базируется на архитектуре, в которой все ядра располагаются в двумерной матрице. Между собой они соединены специальной сетью с пропускной способностью 200 Тб/с, а четыре контроллера DDR3 обеспечивают скорость в 500 Гб/с при обращениях в оперативную память. Каждое ядро обладает кэшем L1 размера 64 Кб, а старшие модели также оснащены кэшем L2 из расчета 256 Кб на ядро. Из операционных систем поддерживается только Linux, зато для программиста любой представитель Tile-Gx виден как обычный многоядерный процессор. Поэтому можно спокойно использовать pThreads, OpenMP и любые другие привычные инструменты, а при желании – задействовать дополнительные библиотеки от Tilera, оптимизирующие пересылку данных по внутренней сети.
Стоит также отметить, что эффективная частота работы ядер варьируется от 1 до 1.5 гГц, позволяя обеспечить пиковую производительность 750 Gops при энергопотреблении в 55 Ватт.
Еще одной распространенной архитектурой является ARM, разрабатываемая одноименной компанией ARM Holdings.
В процессорах ARM присутствует многоядерность, эффективная частота достигает уже 2 гГц, а также стали появляться модели со встроенными видео ускорителями.
ARM Holdings решила перейти от мобильного сегмента сразу к серверному. Понимая, что конкурировать со «взрослыми» Intel Xeon и AMD Opteron вряд ли удастся, компания ARM сделала ставку как раз на большое количество энергоэффективных ядер – здесь альтернатив для ее процессоров пока нет. В результате была анонсирована модель Cortex-A15.
В процессорах данной серии будет до 8 ядер, работающих на частоте до 2.5 гГц и оснащенных 4 Мб кэшем L2. Из чисто «серверных» особенностей называется возможность работы с памятью объемом до 1 терабайта, поддержка ECC и 64-битного процессора. Значения пиковой производительности оценивают примерно в 10-20 гигафлопс, т.е. все стандартно. Отличие заключается в энергопотреблении – современные модели расходуют не более 2 Вт.
Intel не спешит к выпуску серверных версий процессоров серии Atom. На этом фоне активность стали проявлять сторонние компании, своими силами разрабатывающие материнские платы, «напичканные» этими самыми Atom'ами. Первый подобный эксперимент осуществила SGI, выпустив специальное шасси, содержащее 19 плат с двуядерными Atom D330 и встроенным Ethernet-коммуникатором. Получилось вполне компактное решение, чуть-чуть потолще обычного персонального компьютера. Зато внутри – полноценный кластер на 19 узлов.
Намного дальше пошла компания SeaMicro. Она разработала специальную материнскую плату, вмещающую в себя 512 таких же процессоров Intel Atom D330 и один терабайт памяти. Суммарно получилось порядка 2 терафлопс при энергопотреблении в 2 киловатта. Для внутренних коммуникаций используется специальная сеть с пропускной способностью 1,28 Тб/c, а для внешних – обычный 10 Gidabit Ethernet.
Применение «many core» процессоров в системе управления корабля позволит снизить энергопотребление и тепловыделение, что упростит задачу разработчикам суперкомпьютеров, позволит решать сложные задачи более эффективно. Также применение данного метода повысит надежность и живучесть всей системы, что благотворно отразится на всех характеристиках корабля. |
