Персональная гибридная вычислительная система на базе графических процессоров с системой жидкостного охлаждения

МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ Предложена персональная гибридная вычислительная система на базе графических процессоров с системой жидкостного охлаждения,включающая центральные процессоры,оперативную память, стандартные универсальные шины , управление памятью, блок управления и синхронизации, при этом каждый центральный микропроцессор соединен соответствующим входом/выходом с оперативной памятью,подключенной к устройству управления памяти, а вторым входом/выходом - с входами блока управления и синхронизации, а также графические процессоры,соединенные с центральными процессорами посредством входов/выходов универсальных шин -, и система жидкостного охлаждения, включающая помпу,водоблоки центральных процессоров, водоблоки графических процессоров, радиатор графических процессоров, радиатор центральных процессоров и резервуар рабочей жидкости, кроме того, для защиты внутренних компонентов от внешних воздействий вычислительная система размещена в корпусе, выполненном в форм-факторе ,габариты и структура которого позволяют разместить в нем необходимое количество графических процессоров и обеспечить достаточный уровень охлаждения.(72) Абдолдина Фарида Наурузбаевна Ахмедов Даулет Шафигуллович Бопеев Тимур Маратович Елубаев Сулеймен Актлеуович Муратов Даулет Муратович(73) Дочернее Товарищество с ограниченной ответственностью Институт космической техники и технологий(54) ПЕРСОНАЛЬНАЯ ГИБРИДНАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА НА БАЗЕ ГРАФИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОРОВ С СИСТЕМОЙ ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ(57) Полезная модель относится к области вычислительной техники,в частности,к параллельным вычислительным системам и может быть использована для решения ресурсоемких научных задач на базе технологии параллельных вычислений, требующих высокопроизводительных вычислительных ресурсов. Технический результат заключается в существенном повышении функциональности и надежности вычислительной системы, значительном уменьшении потребляемой энергии и габаритов при упрощении ее конструкции и повышении эффективности использования. Полезная модель относится к области вычислительной техники,в частности,к параллельным вычислительным системам и может быть использована для решения ресурсоемких научных задач на базе технологии параллельных вычислений, требующих высокопроизводительных вычислительных ресурсов. Из уровня техники известна параллельная процессорная система (Патент , 2084953, кл. 06 15/16, 1997), которая содержитпроцессорных устройств, причем входы-выходы Адрес-данные всех процессорных устройств соединены через шину Адрес-данные, входывыходы Управление всех процессорных устройств соединены через шину Управление, каждое процессорное устройство содержит локальную память, процессорный элемент, три регистра,причем первый вход-выход локальной памяти соединен через шину Адрес-данные с входомвыходом Адрес-данные системы, управляющие входы- выходы которой соединены через шину Управление с управляющими входами первого регистра, выход которого соединен с первым входом-выходом процессорного элемента, второй вход-выход которого соединен с первым входом второго регистра, выход которого соединен с входом третьего регистра, выход которого соединен с третьим входом-выходом процессорного элемента,с первым входом первого регистра, со вторым входом-выходом локальной памяти, выход которой соединен с вторым входом первого регистра, второй вход второго регистра соединен через шину Адресданные с входом-выходом Адрес-данные системы. При этом шина Адрес-данные выполнена в виде шины широковещательной рассылки адресов-данных, шина Управление выполнена в виде двунаправленной шины, каждое процессорное устройство содержит регистр командсостояния, входвыход которого соединен с четвертым входомвыходом процессорного элемента, процессорный элемент имеет ширину, по меньшей мере, равную 8 бит, а емкость локальной памяти составляет, по меньшей мере, 328 килобит. Недостаток известной параллельной процессорной системы заключается в том, что в таких системах увеличение производительности за счет количества процессоров приводит к непропорционально большому росту габаритов,энергопотребления, сложности системы, в конечном счете, стоимости самой системы, в отличие от персональных гибридных вычислительных систем на базе графических процессоров. Другим недостатком известной параллельной процессорной системы является то, что она не является автономной и требует для своей работы наличие управляющей рабочей станции. Известна также параллельная вычислительная система с программируемой архитектурой (Патент, 2202123, кл. 06 15/16, 2003), включающая параллельный процессор, который содержит матрицу процессорных элементов, ОЗУ, одну или более коммуникационных сред ипараллельных процессоров, каждый из которых дополнительно 2 содержит управляющий процессор, системную шину, служебное ОЗУ, буферное ОЗУ и узел загрузки, первая группа входов-выходов которого соединена с первой коммуникационной средой, при этом вторая группа входов-выходов узла загрузки соединена с группой информационных входоввыходов буферного ОЗУ, группа управляющих входов которого соединена с первой группой управляющих выходов узла загрузки, третья группа входов-выходов которого соединена с группой информационных входов- выходов служебного ОЗУ, группа управляющих входов которого соединена со второй группой управляющих выходов узла загрузки, четвертая группа входоввыходов которого соединена с группой информационных входов-выходов ОЗУ, группа управляющих входов которого соединена с третьей группой управляющих выходов узла загрузки,первая группа выходов которого связана с группой информационных входов матрицы процессорных элементов, группа информационных выходов которой связана с группой входов блока загрузки,группа управляющих выходов которого связана с группой управляющих входов матрицы процессорных элементов, группа управляющих выходов которой связана с группой управляющих входов блока загрузки, пятая группа входоввыходов которого соединена с системной шиной,которая также соединяется с группой входоввыходов управляющего процессора. Кроме того каждый параллельный процессор дополнительно содержит один или более сетевых адаптеров, при этом первая группа входов-выходов каждого сетевого адаптера соединена с системной шиной параллельного процессора, которому принадлежит данный сетевой адаптер, а вторая группа входоввыходов каждого сетевого адаптера соединена с одной из коммуникационных сред. При этом дополнительно введены один или более вычислительных узлов, каждый из которых содержит последовательный процессор, системную шину и один или более сетевых адаптеров, при этом группа входов-выходов последовательного процессора соединена с системной шиной, с которой также соединена первая группа входоввыходов каждого сетевого адаптера, а вторая группа входов-выходов каждого сетевого адаптера соединена с одной из коммуникационных сред. Известная система используется для обработки больших массивов информации, в том числе и в режиме реального времени, но она имеет достаточно сложную конструкцию, влияющую на ее надежность, имеет также большие габариты,высокое энергопотребление, в конечном счете,достаточно высокую стоимость. Наиболее близкой к заявляемой по своей технической сущности и достигаемому результату является мультипроцессорная система (Патентна полезную модель, 9654, кл. 06 15/16, 1999),содержащая центральные или пентиуммикропроцессоры,управление памятью,оперативную память, стандартные универсальные шины РС 1, устройство мультипроцессирования, 1220 двунаправленные усилители и регистры, схемы И,триггеры,счетчик,быстродействующее запоминающее устройство и блок управления и синхронизации, а каждый пентиум-микропроцессор подсоединен к своему управлению оперативной памяти, которое своим входом/выходом соединено со своей частью оперативной памяти системы, а вторым входом/выходом с первым входом/выходом универсальной шины РС 1, второй вход/выход которой подсоединен к соответствующей группе входов/выходов устройства мультипроцессирования, каждая группа входов/выходов устройства мультипроцессирования соединена с первыми входами/выходами двунаправленных усилителей и регистров, вторые входы которых поразрядно подсоединены к первым входам/выходам двух буферных двунаправленных регистров, которые поразрядно соединены друг с другом, вторые входы/выходы буферных регистров параллельно соединены с информационными входами/выходами быстродействующего запоминающего устройства, старшие разряды которого одновременно соединены с входами блока управления и синхронизации, адресные входы запоминающего устройства соединены с разрядными выходами счетчика,которые одновременно соединены с блоком управления и синхронизации, а входы управления счетчика соединены с первой группой выходов того же блока,каждая другая группа входов/выходов блока управления и синхронизации соединена соответственно с входами и выходами управления каждой группы двунаправленных усилителей и регистров устройства мультипроцессирования. Даннаясистема предназначена для решения машинно-трудоемких задач и использования в контурах систем управления физическими объектами. К недостаткам этой системы относится то, что она не обеспечивает высокую производительность при ее больших габаритах и высоком энергопотреблении, кроме того, система имеет весьма сложную конструкцию, в частности,устройство мультипроцессирования использует устаревшие на данный момент компоненты, что делает систему несовместимой с современными рабочими станциями и, как следствие, затрудняет ее использование. Задачей, на решение которой направлено настоящая полезная модель, является создание персональной гибридной вычислительной системы на базе графических процессоров с системой жидкостного охлаждения, которая могла бы преодолеть указанные выше недостатки существующих аналогов, и обеспечить получение высокой производительности системы при низкой ее стоимости, малых габаритах и малом потреблении электроэнергии. Технический результат заключается в существенном повышении функциональности,надежности и быстродействия вычислительной системы, значительном снижении уровня шума при работе, уменьшении потребляемой энергии и габаритов при упрощении ее конструкции и повышении эффективности использования. Указанный технический результат достигается тем, что в вычислительную систему, включающую центральные процессоры, оперативную память,стандартные универсальные шины , управление памятью, блок управления и синхронизации, при этом каждый центральный микропроцессор соединен соответствующим входом/выходом с оперативной памятью, подключенной к устройству управления памяти, а вторым входом/выходом - с входами блока управления и синхронизации,согласно предлагаемой полезной модели дополнительно введены графические процессоры,соединенные с центральными процессорами посредством входов/выходов универсальных шин-, а также система жидкостного охлаждения. При этом управление работой графических процессоров осуществляется центральными процессорами, которые при необходимости также могут участвовать в процессе вычислений в случаях, когда затруднительно достичь высокого уровня параллелизма при решении определенного класса задач. Для лучшего понимания сущность настоящего изобретения далее поясняется с привлечением графических материалов. Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена структурная схема соединения блоков персональной гибридной вычислительной системы на базе графических процессоров с системой жидкостного охлаждения. Персональная гибридная вычислительная система на базе графических процессоров с системой жидкостного охлаждения включает корпус 1 (фиг.1), с материнской платой 2, на которой размещены центральные процессоры 3-4,соединенные с первыми входами/выходами универсальных шин-,вторые входы/выходы которых связаны с размещенными там же графическими процессорами 5-8,оперативной памятью 9 с подключенным к ней устройством управления памятью 10 и блоком управления и синхронизации 11. Кроме того, в корпусе 1 размещены подключенные к оперативной памяти 9 жесткие диски 12 - 15, нагнетающий вентилятор 16, задний вытяжной вентилятор 17,верхние вытяжные вентиляторы 18 - 21, система жидкостного охлаждения, включающая помпу 22 водоблоки центральных процессоров 23-24,водоблоки графических процессоров 25-28,радиатор графических процессоров 29, радиатор центральных процессоров 30 и резервуар рабочей жидкости 31. Система оснащена оптическим приводом 32, блоком питания 33, осуществляющим электрическое питание материнской платы 2,источником бесперебойного питания 34, монитором 35, клавиатурой 36 и мышью 37. Персональная гибридная вычислительная система на базе графических процессоров с системой жидкостного охлаждения состоит из 37-ти основных компонентов 3 Компонент 1 - корпус в форм-факторедля защиты внутренних компонентов системы от внешних воздействий. Габариты и структура корпуса позволяют разместить в нем необходимое количество графических процессоров и систему жидкостного охлаждения для обеспечения достаточного уровня охлаждения гибридной вычислительной системы. Компонент 2 - материнская плата. Обеспечивает сопряжение и управление другими устройствами,позволяет разместить на ней достаточное количество графических процессоров для достижения высокой производительности системы. Компоненты 3 - 4 - центральные процессоры с тактовой частотой 2.9 ГГц каждый, осуществляют управление всеми компонентами системы, имеют по 40 линий -, что позволяет в наибольшей степени использовать ресурсы графических процессоров. Компоненты 5 - 8 - графические процессоры с пиковой производительностью 1.17/3.52 Тфлопс двойной и одинарной точности соответственно,осуществляют высокопроизводительные вычисления. Компонент 9 -оперативная память объемом 128 Гб, предназначена для временного хранения обрабатываемых данных. Высокий общий объем оперативной памяти позволяет сократить число обращений к жестким дискам, вследствие чего повышается производительность системы. Компонент 10 - устройство управления памятью,отвечает за управление доступом к оперативной памяти. Компонент 11 блок управления и синхронизации, предназначен для обеспечения согласованной работы всех устройств на материнской плате. Компоненты 12-15 - жесткие диски объемом 1 Тб каждый, предназначены для долговременного хранения данных. Количество жестких дисков может отличаться в зависимости от требований к минимальному объему хранимых данных. Компонент 16 - нагнетающий вентилятор диаметром 120 мм, обеспечивает вдув холодных потоков воздуха в корпус к горячим компонентам системы. Компонент 17 - задний вытяжной вентилятор диаметром 120 мм, обеспечивает отвод горячих потоков воздуха от центральных процессоров. Компоненты 18-21 - верхние вытяжные вентиляторы диаметром 120 мм, обеспечивают вывод горячего воздуха из корпуса системы. Компонент 22 - помпа, обеспечивающая принудительную циркуляцию рабочей жидкости в системе жидкостного охлаждения. Компоненты 23-24 - водоблоки центральных процессоров, предназначены для отвода тепла от центральных процессоров и передаче его рабочей жидкости. Компоненты 25-28 - водоблоки графических процессоров, предназначены для отвода тепла от графических процессоров и передаче его рабочей жидкости. 4 Компонент 29 - радиатор графических процессоров, предназначен для рассеивания тепла рабочей жидкости в контуре охлаждения графических процессоров системы жидкостного охлаждения. Компонент 30 - радиатор центральных процессоров, предназначен для рассеивания тепла рабочей жидкости в контуре охлаждения центральных процессоров системы жидкостного охлаждения. Компонент 31 - резервуар рабочей жидкости,обеспечивающий компенсацию теплового расширения жидкости, увеличение тепловой инерции системы жидкостного охлаждения и удобство заправки и слива рабочей жидкости. Компонент 32 - оптический привод / предназначен для ввода пользовательских данных в систему. Компонент 33 - блок питания 1500 Вт,обеспечивает электропитание системы,осуществляет регулирование напряжения в некоторых пределах и обеспечивает защиту системы от коротких замыканий и кратковременных бросков питающего напряжения. Компонент 34 - источник бесперебойного питания 1980 Вт, обеспечивает бесперебойное электроснабжение системы, даже при полном пропадании электропитания в сети при помощи аккумуляторных батарей, емкость которых позволит корректно завершить работу системы. Компонент 35 - монитор. Предназначен для отображения данных. Компонент 36 - клавиатура. Предназначена для ввода пользователем данных. Компонент 37 - мышь. Предназначена для ввода пользователем данных. Габариты персональной гибридной вычислительной системы на базе графических процессоров с системой жидкостного охлаждения сопоставимы с габаритами обычных настольных персональных компьютеров,что позволяет использовать ее непосредственно на рабочем месте пользователя Предлагаемая персональная гибридная вычислительная система на базе графических процессоров с системой жидкостного охлаждения работает следующим образом. Пользователь запускает вычислительную задачу,которая считывает входные данные с жестких дисков 12 - 13 и записывает их в оперативную память 9. Далее задача распараллеливается на множество независимых процессов, которые выполняются на графических процессорах 5 - 8. Центральные процессоры 3-4 управляют работой графических процессоров 5-8, предоставляют им новые порции данных для обработки, при этом скорость обработки данных графическими процессорами 5-8 многократно превосходит скорость их обработки на обычных персональных компьютерах. Результаты работы графических процессоров впоследствии записываются обратно на жесткий диск 12-15 и выводятся на монитор 35. При этом система жидкостного охлаждения 22-31 обеспечивает эффективный отвод тепла от центральных 3 - 4 и графических 5-8 процессоров посредством помпы 22,осуществляющей принудительную циркуляцию охлаждающей жидкости через водоблоки центральных процессоров 23 - 24 и водоблоки графических процессоров 25 - 28. Нагретая охлаждающая жидкость также циркулирует через радиатор графических процессоров 29 и радиатор центральных процессоров 30, которые рассеивают тепло в окружающую среду. Сравнительный анализ показал, что заявленная персональная гибридная вычислительная система на базе графических процессоров с системой жидкостного охлаждения отличается от известных систем подобного назначения рядом преимуществ, а именно- высокой производительностью, которая по данным специализированных тестов составляет до 85 от пиковой производительности в зависимости от количества графических процессоров- способностью одновременного параллельного выполнения большого количества процессов для обработки большого количества данных в единицу времени по сравнению с вычислительными системами на базе центральных процессоров- оснащение вычислительная системы системой жидкостного охлаждения увеличило эффективность отвода тепла за счет принудительной циркуляции рабочей жидкости через нагретые компоненты системы. Наличие системы жидкостного охлаждения также в значительной степени способствовало снижению уровня шума при работе вычислительной системы, т.к. в ее составе отсутствуют высокоскоростные вентиляторы,характерные для систем воздушного охлаждения.- малой стоимостью. Использование графических процессоров существенно снижает конечную стоимость системы, вследствие чего предлагаемая вычислительная система является доступной для широкого круга потребителей, в отличие от дорогостоящих многопроцессорных систем- малым энергопотреблением и возможностью бесперебойной работы после аварийного прекращения подачи электроэнергии.- простотой технического обслуживания. Предлагаемая вычислительная система не требует специализированных помещений,больших площадей размещения и строгих правил эксплуатации. Реализация предлагаемой персональной гибридной вычислительной системы на базе графических процессоров с системой жидкостного охлаждения не вызывает затруднений, так как все входящие в нее отдельно взятые блоки, узлы и компоненты общеизвестны, широко описаны в технической литературе, выпускаются серийно и могут быть использованы при выполнении предлагаемой системы без дополнительной доработки. В частности, в качестве вычислительных модулей используются современные высокопроизводительные специализированные графические процессоры, имеющие высокую производительность благодаря своей параллельной архитектуре. Использование стандартных комплектующих, кроме того, позволяет обеспечить низкую стоимость и высокую надежность вычислительной системы. Габариты персональной гибридной вычислительной системы сопоставимы с габаритами обычных настольных персональных компьютеров, что позволяет использовать ее непосредственно на рабочем месте пользователя. ФОРМУЛА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ Персональная гибридная вычислительная система на базе графических процессоров с системой жидкостного охлаждения, содержащая центральные процессоры, оперативную память,стандартные универсальные шины , управление памятью, блок управления и синхронизации, при этом каждый центральный микропроцессор соединен соответствующим входом/выходом с оперативной памятью, подключенной к устройству управления памяти, а вторым входом/выходом - с входами блока управления и синхронизации,отличающаяся тем, что дополнительно введены графические процессоры,соединенные с центральными процессорами посредством входов/выходов универсальных шин -, и система жидкостного охлаждения, включающая помпу, водоблоки центральных процессоров,водоблоки графических процессоров, радиатор графических процессоров, радиатор центральных процессоров и резервуар рабочей жидкости, кроме того, для защиты внутренних компонентов от внешних воздействий вычислительная система размещена в корпусе, выполненном в форм-факторе, габариты и структура которого позволяют разместить в нем необходимое количество графических процессоров и обеспечить достаточный уровень охлаждения.