分布与紧致功能并存的计算系统原理.docVIP

分布与紧致功能并存的自动计算系统原理(简介) 1引言 尽管电子计算机的相关观念已经成为常识，但是什么是计算与计算器件，人们始终没有得到明确认识。现存的计算器件与系统有很多，1)数值计算(数字计算并存) 2)相似广义计算:数字电路的可编程逻辑器件(FPGA),数字电视等从模拟计算升级到数字计算的模拟传输-数字计算系统(数字收音机等),嵌入式芯片在持续使用设备中的应用(交通工具,家电,工业制造机器);3)计算系统的延伸: eg.机器人与可控机器助手.在空间拓扑上，伴随不同计算理论,实现方式与体系,还产生不同存储方式与存储器组织结构。 以pc机为例，内存单元集中存放紧致相连，外存则通过数据线与主机相连，与主机是分布关系。 计算器件被控制器调用，属于控制流调度。神经网络则相反，每一个节点包括计算部分和存储部分两个成分， 在系统到达基势时，一般存在一定数量的冗余节点。通过构建聚类有序运算系统，属于数据流驱动。这两个计算系统的有效组合，构建分布与紧致并存，数据流驱动与控制流调度传输方向共存的计算系统，可作为通用神经网络，通用计算机，医院用可控机器人的控制计算部件，甚至智能计算机。 2分布与紧致特性并存的计算系统原型 一个计算器件可用以下特性描述：计算节点，存储节点，连接，运算方向。 神经网络在处理二维图像，曲线数据，字符程序有优势。可构建一个物理平面存储一个平面的数据，平面中每个节点可存储数据也可进行全功能简单计算，要求： 可进行字符串计算 可进行图像处理，将相关节点聚类成一个矩阵或向量的形式。称为平面计算。 可进行类似神经网络的计算：在一个平面上按照某个顺序，使数据逐层向前计算得到输出。 可构建不同结构和连接系数的形式，按时间更新，用在机器人的控制系统或者专家系统，智能计算机。 这要求物理平面，可由组合不同节点（构成矩阵）进行加减法，数乘等简单运算，并且可对存储字符进行字符串计算（例如编译器）， 可构建神经网络。存储部分可更新内容也可如cache或内存一样保存数据（具有堆栈段功能）。 1)对于DSP等计算，设定紧致计算器件。2)若调度机器也有计算功能，在平面稀疏存储部分也可实现。紧致计算器件内部不重构，但可组合一类的新器件。数据流方向由调度机同步决定。 如果使用多道方式，那么可以处理不同速率的输入数据，仅仅对实时处理系统是必要的。 3现有四类数字数值计算系统分析 3.1众核处理器 网上介绍的众核处理器系统澄清了三个概念： 1）全功能计算节点概念的扩展。将一个神经网络节点用一个cpu代替。 2）存储与计算单元紧致组合概念的相似实现。 3）明确了通用计算模式神经网络结构概念。 网上介绍一个美国研究人员用多个8位cpu与一个多位powerpc构成一个新的计算器件，是对这三个概念的进一步验证，可构成神经网络。 调度机与紧致计算器组合现阶段可用众核处理器实现。存储与计算平面可以由8位或4位cpu构成阵列平面实现。实际结构可不需要大量内存，只用cache。 编译的结果是按照计算的方向和形式，安排数据的存放形式与指令的方式，例如多个节点构成横向连续加的计算器，并将通过调度机，输出到另一个存储阵列。 3.2 FPGA实现 宽域节点平面可实现矩阵乘法与其它计算，因此可使用FPGA实现. 3.3光计算与计算机控制器 光计算的特点是并行计算与阵列同步。现有光电混合计算器一般用电路作控制器，但是与光计算单元没有数据交换的功能。计算机控制器则不对计算单元（节点）直接控制. 总结：计算系统分析 运算对象 相关性 *内容相关—组合,语义,位置相关,混合相关 *数据存储与内容相关的冲突 3)通用计算系统CS包括三个子系统存储M，计算C（执行方向D），连接N，CS={M，C(D)，N} 4指令系统分析 尽量少的语句个数。 一个指令系统的实现方法：语句间用链接指令链接。语句指令码用数字代替，数字是可执行部件的顺序码，一个数字可对应多个可执行部件。不再进行指令译码。数据传输方向由调度机决定。编译的结果使相关语句构成一个语句段，不相关语句段之间可并行处理。语句中增加双向顺序指针，输出指针。 语句的集合表示方法：if c={0.1} then c,d={0,1,1,0} 执行短语句构成相关长语句段。 5分布与紧致计算并存系统原理 时钟：存储与分散计算部件，调度控制部件，计算部件使用不同的时钟。 指令在部件间传递主要分成：传输与计算两个部分。时钟的不同，主要指传输与计算的周期，起止时间不同，在原体系中指机器周期的长度不同。 指令的传输由调度机完成，并根据计算器件块表（类似路由器表），选择计算器件， 多核多线程CPU与单核控制器是两类不同的调度方式。后者是集中式处理，前者是分布式处理。集中式处理是必要的，即使是最低限度。计算器件可以是分