№ 8 (2018)

В последние годы рост производительности компьютерных систем перестаёт от-вечать росту требований, которые общество к ним предъявляет. Это связано с прибли-жением степени интеграции СБИС к своему физическому пределу, а так же с использова-нием архитектур общего назначения для выполнения узкоспециализированных задач. Реше-ние первой проблемы не представляется возможным в краткосрочной перспективе, так как предполагает изменение фундаметальных принципов построения вычислительных систем. Примером может служить разработка массовых квантовых либо оптических вычислителей. Вторая же задача может быть решена уже сейчас. В мире высокопроиз-водительных вычислений прослеживается переход от построения кластеров на базе про-цессоров общего назначения к использованию гетерогенных вычислительных структур, в которых используются в том числе графические ускорители(GPU) и специализированные микросхемы(ASIC). Самым перспективным вариантом, с точки зрения аппаратного повы-шения эффективности вычислений, являются реконфигурируемые вычислители на базе FPGA. Они обладают как всеми достоинствами ASIC – низким энергопотребленеием и максимальной производительностью для отдельно взятой задачи, так и универсальностью GPU, так как конфигурацию можно изменять программно. Использование FPGA в гетеро-генных кластерах стало возможным с появлением методов высокоуровневого синтеза, позволяющих проектировать конфигурацию FPGA на языках высокого уровня абстракции, таких как С/С++. В представленной статье описывается преимущества использования реконфигурируемых вычислителей над традиционными решениями, а так же рассматри-вается архитектура вычислителя собственной разработки, построенного на базе массива из 4 FPGA фирмы Xilinx. Для данного вычислителя был создан пакет поддержки платфор-мы, позволяющий создавать конфигурацию при помощи языка OpenCL, который является кроссплатформенным стандартом в сфере высокопроизводительных вычислений. Также предлагается идея реализации суперкомпьютерного комплекса на базе кластера аппарат-но-реконфигурируемых вычислителей и создания интеллектуальной системы, которая будет способна определить какой из типов гетерогенных вычислителей наиболее подходит для решения отдельно взятой задачи.

Эффективное решение задачи перехода на новый уровень производительности и эф-фективности суперкомпьютерных установок сегодня невозможно без цифровой транс-формации отрасли создания и применения высокопроизводительных вычислительных сис-тем. Усложняет задачу то, что для суперкомпьютеров важны сроки выполнения проекта по созданию новой установки. Установившаяся практика показывает, что суперкомпью-тер нужно создать в сроки 1, максимум 2 года. Решение таких задач в требуемые сроки невыполнимо без применения цифровых моделей изделий – высокопроизводительных вычис-лительных систем (суперкомпьютеров) и центров обработки данных на их основе. В рабо-те предлагается концепция автоматизации процесса проектирования суперкомпьютеров, основанной на применении взаимосвязанного набора цифровых моделей на этапах жизнен-ного цикла изделия: научных исследований и разработок (эскизного проектирования), тех-нического проектирования, изготовления, эксплуатации изделия. Создавать цифровые мо-дели вычислительной системы предлагается на основе цифровых моделей компонентов средств вычислительной техники, в процессе построения которых необходимо задейство-вать современные технологии искусственного интеллекта. Эти модели должны быть самообучающимися системами, которые используют информацию из целого ряда источ-ников: производители ЭКБ, данные по мониторингу информационного пространства сети Интернет, сведения от специалистов-экспертов. Для обеспечения взаимодействия цифро-вых моделей на различных этапах жизненного цикла изделия предлагается применять ап-парат онтологий. В работе описано использование цифровых моделей при генерации и вы-боре проектного решения суперкомпьютера и приведено описание практической реализа-ции данного процесса проектирования в автоматизированной системе проектирования суперкомпьютеров (АСПС), созданной в ФГУП «НИИ «Квант». В части разработки архи-тектуры суперкомпьютера данная система позволяет сформировать различные варианты построения суперкомпьютера (проектные решения) с учетом онтологии будущего изделия и имеющейся информации об унифицированных конструктивных компонентах и ориги-нальных разработках. Для организации взаимодействия между участниками проектирова-ния суперкомпьютера в АСПС реализован автоматизированный импорт описаний подпро-цессов технологического процесса проектирования суперкомпьютеров в систему контроля и управления проектом (СКУП). В результате импорта в СКУП создаются задачи для каждого пользователя АСПС с перечислением набора действий, которые данному пользователю необходимо выполнить. Применение предложенного в настоящей статье подхода к созданию проблемно-ориентированных вычислительных устройств высокой производи-тельности позволит ставить задачи построения в России проблемно-ориентированных суперкомпьютеров и устройств с использованием отечественной компонентной и микро-электронной базы в требуемые сроки.

Достигается цель - сокращение временных затрат на генерацию сочетаний элемен-тов множества. Элементы множества формируются из образцов (левых частей) продук-ционных правил. Основная задача заключается в построении эффективных по времени схем (алгоритмов) параллельной генерации сочетаний элементов массива. Применительно к продукционным системам такие схемы необходимы для активации подмножества про-дукций, применимых к символьным данным на текущем шаге. За основу взят и развит из-вестный алгоритм параллельного пузырька. Схема коммутации «параллельный пузырек» состоит из двух чередующихся вариантов коммутации элементов в пары. Эти коммута-ции основаны на локальном объединении в пары элементов массива, имеющих смежные индексы. Такое локальное объединение элементов в пары приводит к «малым» перемещени-ям элементов по длине массива и регулярному характеру генерации пар. В каждой паре выполняется операция сравнения-обмена операндов. Для продукционных систем операция сравнения сводится к поиску пересечений образцов и формированию списка конфликтных слов. Сокращение времени генерации сочетаний основывается на построении вариантов коммутации с распределенным объединением элементов в пары с шагом, равным 4. Разра-ботанная схема коммутации содержит на нечетных шагах коммутации с локальным объ-единением элементов в пары. На четных шагах выполняется коммутация-ускоритель с распределенным объединением элементов в пары. Моделирование работы разработанной схемы коммутации осуществлялось на типовых задачах сортировки и полного перебора пар элементов. Установлено сокращение временных затрат по сравнению со схемой «па-раллельный пузырек» на 15–18 %. В работе определена линейная зависимость времени сор-тировки с углом наклона меньше 1. Это позволяет использовать схему коммутации дляпродукционных систем большого размера. Локальные и распределенные связи в схеме ком-мутации сохраняют свойство регулярности. Эта особенность определяет аппаратную реализацию схемы в виде параллельного коммутатора с естественным масштабированием. Данная схема может использоваться в специализированном продукционном устройст-ве для декомпозиции продукционной системы на независимые подмножества продукций.

Одним из актуальных направлений развития технологий проектирования сверхболь-ших интегральных схем и вычислительных систем на их основе является высокоуровневый синтез. При описании проекта на верхних уровнях закладываются концепции общесистем-ного взгляда на организацию всего процесса проектирования. Поэтому на первый план вы-ходит развитие маршрутов и технологий, базирующихся на принципах высокоуровневого, архитектурно независимого проектирования, позволяющих осуществлять формирование комплексного подхода к организации всех фаз создания проекта. Требуется создание мето-дов эффективной выработки архитектурных решений для однокристальных систем па-раллельной обработки информационных потоков, не зависящих от конечной формы реали-зации. Необходима разработка инструментальных средств, обеспечивающих эффектив-ный перенос архитектурно-независимого, высокоуровневого описания решаемых приклад-ных задач на целевую платформу. Авторами предложен новый метод синтеза проекта. Метод базируется на функционально-потоковой парадигме параллельных вычислений, это позволяет осуществлять архитектурно-независимую разработку алгоритмов функциони-рования СБИС. Предложена модель вычислений, использующая ряд промежуточных структур, а именно управляющий, информационный и HDL-графы. Определены требования к языку функционально – потокового параллельного программирования и, с учетом специ-фики решаемых задач, выбран ФП - язык параллельного программирования «Пифагор». На основании разработанного перечня требований выполнена доработка языка, введены статические типы данных, исключен ряд функций и задержанные вычисления, при форми-ровании списка повторением введены ограничения. Приведено описание ключевых момен-тов в семантике языка, принципов преобразования параллелизма и формирования проме-жуточных представлений при переходе к целевой платформе. Разработан маршрут и ал-горитм высокоуровневого синтеза. Выделены основные требования к созданию архитек-турно-независимых инструментальных средств, реализован программный инструмента-рий и выполнен ряд тестовых проектов.

Анализ алгоритмов систем управления реального времени показывает, что для обес-печения требуемой производительности встроенных вычислительных средств необходимо обеспечивать минимальное время реализации заранее выбранных базовых алгоритмических процедур. СБИС-реализация специализированных архитектур встроенных процессоров позволя-ет за счет аппаратной реализации таких процедур существенно минимизировать время их выполнения. Главными целями синтеза IP-ядра функционально-ориентированного процессора в этом случае являются максимально-возможное быстродействие при реализации базовой про-цедуры и минимум накладных затрат на организацию работы программ. Архитектура IP-ядра, основанная на комбинации RISC с командами класса VLIW, позволяет достичь указанных целей при реализации скалярного произведения векторов, принятого в качестве базовой процедуры. Разработано высокопроизводительное 64-разрядное процессорное ядро, которое выполняет любую операцию системы команд не более чем за один такт, обеспечивая минимальное время вычисления скалярного произведения. Это обуславливает максимально быструю реализацию алгоритмов навигации для систем управления ракетно-космической техникой и летательными аппаратами. В статье рассматриваются результаты разработки технологическое программ-ное обеспечение, предназначенное для разработки и отработки штатных программ функцио-нально-ориентированного процессора. В состав этого программного обеспечения входят спе-циализированный язык ассемблера DAPLANG, созданный на базе макрогенератора ML-1, а также специальная библиотека взаимодействия ФОП с программной средой скриптового язы-ка Lua. Приводятся результаты экспериментальных исследований ФОП с целью верификации архитектуры и системы команд.

В настоящее время базовые программные средства, реализующие технологии органи-зации расчетов в высокопроизводительных вычислительных системах, обеспечивают по-тенциальную основу для массового создания и использования параллельных и распределен-ных приложений. Активно развиваются и применяются на практике инструментальные средства для создания пакетов прикладных программ, а также систем поддержки рабо-чих процессов (workflow). Однако анализ их практического применения позволяет сделать вывод о необходимости повышения отказоустойчивости процессов решения задач, вклю-чающих наборы взаимосвязанных подзадач, в распределенных пакетах прикладных про-грамм. В особенности данная проблема актуализируются при решении задач в гетероген-ной распределенной вычислительной среде, в качестве основных компонентов которой выступают кластеры, в том числе гибридные кластеры с разнородными узлами, а высоко-производительные серверы, системы хранения данных, персональные компьютеры и другие вычислительные элементы дополняют инфраструктуру среды. В статье представлен адаптивный мультиагентный алгоритм, предназначенный для перераспределения заданий по ресурсам такой среды при возобновлении процесса решения задач в распределенных па-кетах прикладных программ после отказов программных и аппаратных средств. Работа данного алгоритма базируется в отличие от известных на методах конкретизирующего программирования для построения и выполнения остаточной схемы решения задачи, а также метамониторинга ресурсов среды. Сравнительный анализ результатов экспери-мента по полунатурному моделированию поддержки отказоустойчивости процесса вы-полнения схем решения задач распределенных пакетов прикладных программ различными метапланировщиками продемонстрировал преимущество предложенного подхода к муль-тиагентному управлению в гетерогенной распределенной вычислительной среде.

Целью исследования является повышение эффективности функционирования авто-номного необитаемого подводного аппарата (АНПА) за счет разрешения конфликта в его мультиагентной системе управления, связанного с энергопотреблением подсистемами АНПА. При переходе от исключительного использования аккумуляторной батареи к допол-нительному использованию аккумуляторной батареи возникла необходимость разрешения противоречия между предоставлением энергоресурса разнородными источниками и его потребления. Сложность решения задачи заключалась в непредсказуемости использования различных скоростных режимов, оказывающих влияние на энергорасход АНПА. Предло-женный метод разрешения конфликта основан на декомпозиции потребителей энергоре-сурса и прогнозировании возможности выполнения проставленной перед АНПА задачи, связанной с преодолением заданного расстояния в пределах заданного времени. Для этого в работе разработан метод, в основу которого положены алгоритмы: – прогнозирования достаточности энергоресурса для преодоления заданной дистанции; – определения допус-тимого текущего расхода энергоресурса и соответствующего ему скоростного режима; – оценки времени, необходимого для преодоления оставшейся дистанции. Перечисленные алгоритмы характеризуются набором параметров, которые были оптимизированы в за-висимости от сложившихся условий в ходе выполнения аппаратом задания. В качестве критерия оптимальности использована вероятность преодоления заданной дистанции в пределах заданного времени. При оптимизации параметров учитывались: – текущий уро-вень заряда аккумуляторной батареи; – текущий уровень запаса электрохимического ге-нератора; – время, в течение которого аппарат уже преодолел часть заданной дистан-ции. По этим данным последовательно определялись: – оставшаяся дистанция; – время, затраченное на преодоление оставшейся дистанции; – запас энергоресурса, израсходованный на преодоление оставшейся дистанции. При движении в высокоскоростном режиме определялись: – оставшееся время потребления от аккумуляторной батареи; – расходуе-мый за это время энергоресурс; – оставшийся после высокоскоростного режима энерго-ресурс аккумуляторной батареи. При движении аппарата в штатном режиме рассчиты-вались: – потребление энергоресурса от электрохимического генератора с учетом одно-временного заряда аккумуляторной батареи; – время заряда аккумуляторной батареи; – время на преодоление оставшейся дистанции; – скорость, с которой необходимо дви-гаться, чтобы преодолеть оставшуюся дистанцию; – оценка достаточности энергоре-сурса на преодоление оставшейся дистанции; – удельный энергорасход, соответствующий необходимой скорости; – момент перехода в режим экономичного хода. По результатам работы предложенного алгоритма определялся текущий допустимый расход энергоресур-са, которому соответствовали: – текущий источник (аккумуляторная батарея или элек-трохимический генератор); – текущий скоростной режим (штатный или высокоскоро-стной); – прогнозируемая вероятность преодоления заданной дистанции. Тестирование предложенного метода осуществлялось с использованием специально разработанной ма-тематической модели функционирования аппарата и его системы энергообеспечения с двумя разнородными источниками энергоресурса. Программная реализация математиче-ской модели позволила провести численные эксперименты с использованием предложенного метода в различных гидрологических условиях, результаты которых показали неоспоримое преимущество предложенного метода, существенно повышающего вероятность выполне-ния аппаратом поставленной перед ним задачи.

Концепция туманных вычислений относительно нова, но внедряется практически по-всеместно. Это связано с интенсивным ростом объемов обрабатываемых данных, по-скольку используемые прежде классические, «облачные» архитектуры становятся недос-таточными в условиях Интернета Вещей. Задача распределения вычислительной нагрузки в гетерогенной вычислительной среде не нова и решалась неоднократно. Однако, извест-ные модели задачи, как правило, не учитывают особенностей сред туманных вычислений, таких, как: – неравноправность вычислительных узлов; – обязательное участие облачного слоя в решении вычислительных задач. Данная статья акцентирует внимание на формаль-ной постановке задаче распределения вычислительной нагрузки с учетом особенностей среды туманных вычислений в случае применения стратегии «разгрузки» устройств. В этом случае предполагается переразмещение части графа задач на некоем подмножестве вычислительных устройств туманного слоя. К постановке задачи распределения вычисли-тельной нагрузки в гетерогенной среде добавляется ограничение, свойственное среде ту-манных вычислений. Задача является многокритериальной, с многими ограничениями, оп-ределяемыми спецификой проектируемой системы, и потому относится к классу np-сложных, что ставит вопрос о получении качественных решений в ограниченные времен-ные сроки. В данной статье предлагается подход на базе уменьшения пространства поис-ка для сформулированной задачи оптимизации путем усечения множества кандидатов вычислительных устройств. Для этого используется онтологический подход: разработана структура онтологии, позволяющей классифицировать переразмещаемый подграф отно-сительно имеющихся ресурсов. На основе разработанной онтологии сформированы прави-ла, применяемые к выбору узлов-кандидатов для размещения подграфа задач, что в итоге позволяет значительно сократить пространство поиска решений.

В настоящее время мониторинг и прогнозирование опасных явлений осуществляется различными организациями и ведомствами, каждое из которых применяет свои собствен-ные системы. Эти системы отличаются номенклатурой исходных данных и методами их сбора, обработки и хранения, имеют разную архитектуру, правовое обеспечение. В данной работе рассмотрены вопросы организации сбора и обработки данных в системе монито-ринга и прогнозирования опасных явлений и обеспечения безопасности населения и берего-вой инфраструктуры на базе таких технологий цифровой экономики, как туманные вычис-ления, промышленный интернет вещей и распределенный реестр. Показано, что в рамках реализации ранее предложенного авторами «комбинированного» метода организации системы можно осуществлять сопоставление первичных метеорологических данных, данных гидрологического и биологического мониторинга, данных о физиологических параметрах человека и текстовых сообщений, фото и видеоматериалов из социальных сетей с приме-нением уже существующей информационной инфраструктуры. Проведен обзор литерату-ры и патентный поиск, в результате которого определены основные типы данных и дат-чиков, которые применяются в системах мониторинга и прогнозирования опасных процес-сов и обеспечения безопасности населения.

Анализируются возможности четырех программных средств автоматической кор-рекции текстов (Яндекс.Спеллер, Afterscan, Bing Spell Check, Texterra) для коррекции иска-женных текстов. Описаны искажения текстов, возникающие при вводе текста с клавиату-ры и работе систем распознавания. Для перечисленных программных средств приводятся данные экспериментов по точности коррекции искаженных текстов, полученных как при клавиатурном вводе текста, так и на выходе систем оптического распознавания текста при обработке изображений плохого качества и распознавания речи в условиях шумов. Для моде-лирования искажений, вносимых системами распознавания, предложена двухэтапная модель случайных искажений текстов. На первом этапе (словарные искажения с заданной вероят-ностью) искажаемое слово в тексте заменяется на случайное словарное слово, удаленное от искажаемого на расстояние Левенштейна 1 или 2. Выбор заменяющего слова производится по равновероятной схеме. На втором этапе (символьные искажения с заданной вероятно-стью) искажаемый знак текста с вероятностью 1/3 либо удаляется, либо перед ним осуще-ствляется вставка случайного символа, либо искажаемый знак заменяется на случайный символ алфавита. Выбор случайного символа производится по равновероятной схеме. Полу-ченные таким образом искаженные тексты исправляются с помощью выбранных программ-ных средств и подсчитывается процент истинных слов в скорректированном тексте. Полу-ченные данные усредняются по набору текстов. Приводятся результаты экспериментов с оценкой точности коррекции в следующей области параметров: вероятности словарного искажения изменяются от 0.01 до 0.9 и вероятности символьного искажения изменяются от 0.01 до 0.5. Полученные результаты показывают, что Яндекс.Спеллер, Bing Spell Check и Texterra обеспечивают хорошее качество коррекции искажений, возникающих при кла-виатурном вводе. Для коррекции искажений, вносимых системами распознавания, перечис-ленные программные средства неэффективны.Анализируются возможности четырех программных средств автоматической кор-рекции текстов (Яндекс.Спеллер, Afterscan, Bing Spell Check, Texterra) для коррекции иска-женных текстов. Описаны искажения текстов, возникающие при вводе текста с клавиату-ры и работе систем распознавания. Для перечисленных программных средств приводятся данные экспериментов по точности коррекции искаженных текстов, полученных как при клавиатурном вводе текста, так и на выходе систем оптического распознавания текста при обработке изображений плохого качества и распознавания речи в условиях шумов. Для моде-лирования искажений, вносимых системами распознавания, предложена двухэтапная модель случайных искажений текстов. На первом этапе (словарные искажения с заданной вероят-ностью) искажаемое слово в тексте заменяется на случайное словарное слово, удаленное от искажаемого на расстояние Левенштейна 1 или 2. Выбор заменяющего слова производится по равновероятной схеме. На втором этапе (символьные искажения с заданной вероятно-стью) искажаемый знак текста с вероятностью 1/3 либо удаляется, либо перед ним осуще-ствляется вставка случайного символа, либо искажаемый знак заменяется на случайный символ алфавита. Выбор случайного символа производится по равновероятной схеме. Полу-ченные таким образом искаженные тексты исправляются с помощью выбранных программ-ных средств и подсчитывается процент истинных слов в скорректированном тексте. Полу-ченные данные усредняются по набору текстов. Приводятся результаты экспериментов с оценкой точности коррекции в следующей области параметров: вероятности словарного искажения изменяются от 0.01 до 0.9 и вероятности символьного искажения изменяются от 0.01 до 0.5. Полученные результаты показывают, что Яндекс.Спеллер, Bing Spell Check и Texterra обеспечивают хорошее качество коррекции искажений, возникающих при кла-виатурном вводе. Для коррекции искажений, вносимых системами распознавания, перечис-ленные программные средства неэффективны.

Рассматривается применение предельных и точных приближений распределения ве-роятностей значений статистик для решения задачи по отбору текстов с определенными статистическими свойствами. Для отбора текстов с равновероятным распределением входящих в них знаков используется статистический критерий согласия, в котором в каче-стве эталонного распределения тестовой статистики используются его различные при-ближения. В качестве предельных приближений используются предельные распределения, а в качестве точных приближений - Δточные распределения, которые отличающиеся от точных распределений не более чем на заданную величину Δ. Приведены результаты расчета Δточных распределений, показаны их отличия от значений предельных распределений для разных статистик. Рассмотрено понятие эффективности обработки по выделению равно-вероятных текстов, отражающее долю ложно отобранных текстов. Проведено сравнение значений эффективности обработки при применении точных и предельных приближений эталонных распределений тестовых статистик. Показано, что значение эффективности обработки не уменьшается, а во многих случаях растет при применении точного приближе-ния вместо предельного. На основе анализа относительной эффективностью критериев и методов исследования их асимптотического поведение при различных ограничениях, для срав-нение статистических критериев, использующих одинаковую тестовую статистику но раз-ные её эталонные распределения вводится понятие относительной эффективности распре-деления, показывающее во сколько раз увеличится количество ложно отобранных текстов при применении в качестве эталонного распределения критерия того или иного распределе-ния. Показана функциональная связь между понятиями эффективность обработки и от-носительная эффективность распределений. В условиях доступности высокопроизводи-тельных вычислительных средств, позволяющих проводить расчеты Δточных распределений для интересующих параметров длины и мощности алфавита текстов, доказано утверждение об относительной эффективности распределений, позволяющее из множе-ства распределений тестовой статистики выбрать эталонное распределение критерия при котором эффективность обработки будет наибольшая. Приведены примеры значений относительной эффективности точных и предельных приближений.

В настоящей статье рассматривается вопрос о внедрении цифровых водяных знаков в области изображения, которые наименее вероятно подвергнутся модификации и, следо-вательно, подходят для обеспечения эффективной защиты авторских прав, с учетом типа деструктивных воздействий, характерных при их нарушении. В качестве контейнера вы-ступает цветное изображение, а в качестве цифрового водяного знака – текст, содер-жащий знак охраны авторских прав. Для внедрения выбираются блоки переднего плана, так как согласно проведенному исследованию именно они представляют ценность изо-бражения, что особенно характерно для коммерческих фотографий. Поиск данных блоков для внедрения осуществляется с помощью маркирования с использованием методов мате-матической морфологии. Также в статье на примере показана способность структурного элемента выполнять роль ключевой информации. Предложено использовать геометриче-ский центр каждого найденного блока переднего плана для внедрения цифрового водяного знака как точку отсчета при его заполнении. Представлены результаты оценки способно-сти корректного извлечения внедренного цифрового водяного знака согласно предложен-ного решения с использованием разработанной программы, результаты анализа эффек-тивности разработанной программы, реализация и сравнение с существующими про-граммными продуктами, используемыми для защиты авторских прав.

В мире наблюдается интерес к созданию пространственно-упорядоченных массивов квантовых точек (КТ). Эти структуры являются перспективными для создания термиче-ски стабильных лазеров на КТ, МОП-структур на подвижных носителях, матриц фото-чувствительных сенсоров и др. Для создания таких структур многообещающей является концепция гетероэпитаксии на структурированной подложке. Структурированными мы называем подложки, на поверхности которых с помощью методов литографии создается регулярный рисунок с канавками или ямками. В ходе гетероэпитаксии на структурирован-ной подложке можно добиться того, чтобы наноостровки зарождались в ямках/канавках и, таким образом, формировали пространственно упорядоченный массив КТ. С точки зре-ния фундаментальных вопросов малоизученным является механизм атомной диффузии по рельефной кристаллической поверхности. Целью работы является выявление механизма атомной диффузии на структурированных подложках Si (подложках, содержащих систе-му регулярно расположенных канавок). Для достижения указанной цели была сформирова-на виртуальная поверхность Si(001)-1×2, содержащая систему параллельных канавок. Ширина канавок и расстояние между ними были выбраны равными, что соответствует геометрии экспериментальных структурированных подложек, получаемых методом нано-импринт-литографии. Разработан алгоритм расчета энергетической поверхности структурированной подложки на основе метода молекулярной динамики. Построена кар-та потенциального рельефа структурированной подложки Si(001) в области канавки. Найдены положения минимумов и седловых точек энергетической поверхности, рассчита-на энергия активации поверхностной диффузии для атомов Ge и определены характерные маршруты миграции адатомов Ge по стенкам канавок. Проведен анализ микроскопическо-го механизма атомной диффузии на структурированной подложке. Обсуждены возмож-ные причины, препятствующие проникновению адатомов в глубь канавок и образованию в них трехмерных наноостровков Ge. Моделирование методом МД связано с машинной об-работкой большого объема данных и требует значительных затрат машинного времени. Для ускорения вычислений разработан параллельный алгоритм поиска соседей в системе с большим числом атомов. Получена зависимость времени вычислений от числа ядер в узле.

Целью исследования является расчет кинетических параметров реакции окисления изопропилбензола по нескольким схемам химических превращений с применением алгорит-мов распараллеливания вычислительной задачи и анализом эффективности. Рассмотрены основные этапы распараллеливания решения обратной кинетической задачи: первая группа объединяет все механизмы, предложенные для химической реакции; для каждого механиз-ма рассматриваются все эксперименты реакции; по каждому эксперименту происходит разделение параметрической плоскости для поиска кинетических параметров. Решение обратной кинетической задачи относится к задачам оптимизации, для которых сущест-вуют модели распараллеливания вычислительного процесса: островная модель, клеточная модель, глобальная модель «Хозяин – Работник». Объектом исследования является реакция окисления изопропилбензола кислородом воздуха. Реакция является одной из стадий в тех-нологическом процессе получения фенола и ацетона кумольным способом. На сегодняшний день этот метод является самым распространённым в мире промышленным способом синтеза данных веществ. Реакция относится к радикально-цепному процессу. Рассмотре-ны основные элементарные реакции для стадий инициирования цепи, развития цепи, зату-хания цепи. Для решения прямой и обратной кинетической задач с целью определения ки-нетических параметров для элементарных стадий применялись такие математические методы, как Рунге-Кутта 4-ого порядка, метод переменного порядка в программной среде MATLAB. Для трех реакционных схем реакции окисления изопропилбензола разработаны кинетические модели. Проведено сравнение. При разработке кинетических моделей приме-нены модели распараллеливания. Проведен анализ эффективности распараллеливания. Эф-фективность распараллеливания решения обратной задачи рассматриваемой реакции ге-нетическим алгоритмом с островной моделью распараллеливания вычислительного про-цесса на персональном 4-х ядерном компьютере Intel Core I5 составляет 65%.

Целью исследования является синтез дополнительного фильтра подавления боковых лепестков, обеспечивающего компромисс между ухудшением отношения сигнал-шум и уменьшением уровня боковых лепестков на выходе фильтра, согласованного с сигналами на основе кодов Баркера. Для достижения поставленной цели находятся коэффициенты фильтра подавления боковых лепестков и оценивается его эффективность. Цифровой фильтр подавления боковых лепестков синтезирован на основе решения оптимизационной задачи поиска условного максимума относительного значения главного лепестка выходного сигнала неоптимального фильтра при условии ограничения величины его боковых лепест-ков. Исследованы фильтры подавления боковых лепестков при согласованной фильтрации сигналов, сформированных на основе последовательностей Баркера различной длины. По-лучены количественные оценки величины подавления боковых лепестков и ухудшения от-ношения сигнал-шум на выходе синтезированного фильтра. Установлено, что максималь-ное подавление боковых лепестков достигается в случае пятиэлементного (11,65 дБ) и 13-элементного (11,7 дБ) кодов Баркера. Величина боковых лепестков в выходном сигнале при этом составляют минус 25,63 дБ и минус 33,98 дБ соответственно. Минимальный проигрыш в отношении сигнал-шум получен для сигналов на основе 11-элементного (1,56 дБ) и 13-элементного (0,73 дБ) кодов Баркера. Для сигнала с пятиэлементым кодом Баркера этот показатель составляет 1,75 дБ. Таким образом, оптимальное соотношение между степенью подавления боковых лепестков и ухудшением отношения сигнал-шум при обработке выходного сигнала согласованного фильтра дополнительным несогласованным фильтром достигается для сигналов 13-элементного кода Баркера. В тех случаях, когда наложены существенные ограничения на длительность выходного сигнала, предпочти-тельным является использование пятиэлементного кода Баркера.

Предлагается иммунологический метод решения задачи текстонезависимой иден-тификации личности по голосу, основанный на принципах представления и обработки ре-чевой информации, принятых в искусственных иммунных системах. Для идентификации личности по голосу используется модель Фанта, в которой, речевой сигнал образуется путем прохождения через фильтр высокого порядка. В качестве векторов признаков ис-пользуются кепстральные коэффициенты, полученные на основе линейного предсказателя речи. Последующий анализ векторов признаков осуществляется на основе аппарата искус-ственных иммунных систем с использованием иммунологической модели отрицательного отбора. Модель реализует децентрализованное распознавание последовательно идущих фрагментов речи, путем их сопоставления со специальными, предварительно созданными распознающими элементами – детекторами, имитирующими иммунокомпетентные клет-ки иммунной системы. Сопоставление осуществляется с использованием меры близости Евклида по принципу негативной селекции. Принятие решения «свой»-«чужой» при анализе речевого сигнала реализуется на основе статистического подхода по частоте срабатыва-ния детекторов. Метод прошел экспериментальную проверку в среде MATLAB, которая показала его работоспособность и эффективность. Метод предназначен для непрерывно-го аутентификационного контроля личности говорящего в темпе поступления голосовых данных при воспроизведении текста произвольного объема и содержания, что позволяет своевременно принимать решение о возможной подмене дикторов. Преимуществом мето-да является его полная защищенность от атак воспроизведения. Эффективная реализация метода, повышение его точности тесно связаны с возможностью организации параллель-ных вычислений больших объемов данных, обусловленных размерами анализируемых тек-стов и размерами популяции детекторов. Это обстоятельство обуславливает перспекти-ву применения многопроцессорных вычислительных систем высокой производительности.

Необходимость защиты информации, представленной в электронном виде, обуслов-лена процессом глобальной компьютеризации. Самым распространенным способом защи-ты информации является применение криптографических методов, а именно - алгоритмов шифрования данных. В данный момент в развитии информационных технологий акцент ставится на увеличение вычислительной мощности компьютеров, что пагубно отразится на криптографической стойкости большинства существующих алгоритмов защиты ин-формации - этим и обусловлена непрерывная деятельность в сфере создания и улучшения криптографических систем. В связи с тем, что аппаратная реализация криптографиче-ского алгоритма гарантирует его целостность, а также позволяет значительно увели-чить скорость обработки данных, целью работы являлась разработка алгоритма, ориен-тированного на такую реализацию. Анализ показывает, что перспективными в этом на-правлении являются блочные шифры с матричным умножением. Поэтому в качестве ис-ходного алгоритма был взят матричный кватернионный шифр R4, так как в основе его процесса шифрования лежит матричное умножение, что обеспечивает простоту реали-зации и высокую производительность. Также данный алгоритм был выбран по причине того, что для создания матриц-ключей в нем используются кватернионы, позволяющие без заметных затрат генерировать прямые и обратные матрицы, что снижает количество необходимых вычислительных операций для шифрации и дешифрации, так как данный криптографический алгоритм является симметричным. Исследование было нацелено на поиск матрицы такого вида, при котором в шифровании и дешифровании будут приме-няться исключительно операции сложения и сдвига. В статье описан полученный алго-ритм HW-R4, принципы его аппаратной реализации, а также приводится его сравнение с существующими матричными кватернионными алгоритмами по характеристикам нерегу-лярных отклонений, коэффициента корреляции, а также по наглядному представлению зашифрованных изображений и графиков функции. Дальнейшее развитие алгоритма воз-можно в его непосредственной аппаратной реализации, например, при помощи использова-ния программируемой логической интегральной схемы.

В научных расчетах часто требуется вычислять суммы больших массивов чисел с плавающей точкой. Суммирование лежит в основе многих базовых алгоритмов, таких как скалярное произведение, разложение функции в ряд Тейлора и численное интегрирование. Однако, из-за ошибок округления при использовании стандартной арифметики IEEE 754 вычисленный результат суммирования может оказаться крайне неточным. Одним из спо-собов уменьшения ошибок округления является использование библиотек многократной точности, предоставляющих структуры данных и подпрограммы обработки чисел, длина которых превышает форматы IEEE 754. В статье рассматриваются алгоритмы высо-коточного суммирования, реализованные в библиотеке MPRES (Multiple-Precision Residue-Based Arithmetic Library), которая позволяет выполнять операции с числами произвольной длины на центральных процессорах (CPU) и CUDA-совместимых графических процессорах видеокарты (GPU). В MPRES для представления многоразрядных мантисс чисел использу-ется система остаточных классов (СОК). В этой системе число представляется в виде остатков от деления исходной величины на выбранные модули, а операции над многораз-рядными числами разбиваются на группы операций меньшей разрядности над остатками, которые могут выполняться параллельно и без распространения переноса между остат-ками. В работе рассматривается алгоритм сложения многоразрядных чисел в MPRES, а также три алгоритма редукции (суммирования) массива чисел: (1) классическое рекурсив-ное суммирование, (2) попарное суммирование, (3) гибридное CPU-GPU суммирование. Экс-перименты показывают, что наибольшей производительностью обладает гибридный блочно-параллельный алгоритм. С другой стороны, параллельное вычисление цифр (остат-ков) многоразрядных мантисс в СОК позволяет сократить время вычислений.

Статья посвящена исследованиям, направленным на поиск методов и средств реше-ния задачи сборки молекулы ДНК, обеспечивающих существенное сокращение времени вы-числений при сохранении заданной точности. Рассматривается возможность применения реконфигурируемых вычислительных систем для решения задачи ассемблирования на при-мере реализации одной из ключевых процедур в составе алгоритма сборки генома Velvet Assembler – процедуры формирования контигов VelvetH. В основе сборщика Velvet Assembler лежит метод нового поколения, предполагающий построение графа де Брюйна, что порождает в NP-полной задаче ассемблирования ДНК существенно переменную ин-тенсивность потоков данных. Поэтому, помимо традиционной для реконфигурируемых вычислительных систем технологии структурно-процедурной организации вычислений, для обеспечения принципиальной возможности решения подобных задач на реконфигурируемых вычислительных системах, применялись специальные методы синтеза параллельно-конвейерных программ. Для оценки эффективности применения реконфигурируемых вы-числительных систем была разработана параллельно-конвейерная программа сборки гено-ма из коротких чтений молекулы ДНК Staphylococcus aureus на основе процедуры VelvetН. Данные были взяты из базы данных Sequence Read Archive на сайте National Center for Bio-technology Information. Испытания данной прараллельно-конвейерной программы проводи-лись на реконфигурируемой вычислительной системе “Tertius”, построенной на базе четы-рёх программируемых логических интегральных схем Kintex UltraScale XCKU 095 производ-ства фирмы Xilinx. Применение данной реконфигурируемой вычислительной системы обеспечивает сокращение времени выполнения процедуры формирования контигов задачи ассемблирования ДНК в 24 и более раз по сравнению с существующими аналогами. Всё это позволяет сделать вывод о том, что реконфигурируемые вычислительные системы являются перспективным средством для решения задачи ассемблирования ДНК, требующим проведения дальнейших научно-технических исследований.

Рассматривается возможность применения РВС для решения больших и сверхболь-ших разреженных систем линейных алгебраических уравнений. На сегодняшний день ком-пьютерное моделирование приобретает все большую актуальность и применяется во мно-гих областях науки и техники, заменяя собой натурные модели, а также позволяя прогно-зировать природные процессы и явления. В основе подобного моделирования, как правило, лежат физико-математические модели, дискретизация которых естественным образом приводит к появлению систем линейных алгебраический уравнений (СЛАУ), где базовый оператор имеет разреженную структуру. Решение больших и сверхбольших разреженных СЛАУ позволит увеличить точность вычислений и даст возможность обрабатывать большее количество данных. Для оценки эффективности РВС при решении разреженной СЛАУ большой и сверхбольшой размерности был выбран многосеточный метод, который характеризуется быстрой сходимостью результата вычислений, а также точностью проводимых вычислений. Многосеточный метод решения СЛАУ на РВС относится к клас-су вычислительно трудоемких сильносвязных задач, который подразумевает, что число межпроцессорных информационных обменов и обменов между процессорами и элементами памяти сравнимо или превышает число выполняемых операций. В связи с этим для эффек-тивной реализации данной задачи возникает необходимость обеспечения многоканально-сти в сочетании с нелинейным доступом к данным. Такой подход считается практически не осуществимым на вычислительных системах традиционной архитектуры, что напря-мую отражается на производительности. Было установлено, что высокая производи-тельность может быть достигнута за счет мультиконвейерной организации вычислений. В связи с этим возникает необходимость использовать другие более гибкие архитектуры вычислительных систем, такие как РВС, в основе которых лежат ПЛИС. Самой трудо-емкой операцией многосеточного метода является операция вида «умножение матрицы на матрицу», где матрицы являются разреженными. На примере этой операции было показа-но, что использование реконфигурируемых вычислительных систем позволяет значительно сократить время решения разреженных СЛАУ большой и сверхбольшой размерности. В сравнении с вычислительными системами, традиционно применяемыми для реализации таких задач, РВС демонстрирует многократное преимущество.

Рассмотрена возможность построения цифровых моделей месторождений углево-дородов в режиме реального времени на основании данных «пассивного» микросейсмиче-ского мониторинга. Обработка первичной сейсмической информации на многопроцессор-ных вычислительных системах традиционной архитектуры в режиме реального времени невозможна ввиду большого объема обрабатываемых данных, сложности в организации хранения промежуточных результатов и трудоемкости выполняемых операций. Сущест-вует иная парадигма организации вычислительного процесса при решении трудоемких сильносвязанных задач, основанная на синтезе параллельно-конвейерных программ для ре-конфигурируемых вычислительных систем (РВС). Согласно данному подходу, задача пред-ставляется в качестве информационного графа, состоящего из множества вершин - вы-полняемых операций, и множества дуг, описывающих последовательность передачи дан-ных между вершинами, а также входные и выходные сигналы. Традиционные методы ав-томатического синтеза вычислительных структур предполагают прямое отображение информационного графа задачи или его части на вычислительное поле РВС, построенное из множества соединенных друг с другом программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Такой подход призван обеспечить максимальную производительность вычисли-тельной системы, используя весь доступный аппаратный ресурс. Однако при решении за-дач реального времени на РВС традиционными методами производительность вычисли-тельной системы зачастую оказывается выше необходимой, что приводит к перерасходу используемого ресурса РВС, повышенному энергопотреблению и, как следствие, излишней стоимости конечного изделия. В связи с этим была предложена новая методика синтеза параллельно-конвейерных программ для РВС, позволяющая находить минимальный аппа-ратный ресурс при заданном времени её решения. Согласно новому подходу, информацион-ный граф задачи необходимо преобразовать таким образом, чтобы синтезируемая вычис-лительная структура обладала требуемой производительностью. Применение новой ме-тодики было проиллюстрировано решением основной вычислительно-сложной задачи мик-росейсмического мониторинга: обратной кинематической задачи сейсморазведки. Была приведена оценка минимальных аппаратных затрат при заданном времени нахождения решения и предложено несколько вариантов конфигураций РВС. Анализ результатов дока-зал эффективность применения нового подхода по сравнению с традиционными методами, на основании чего предлагается использовать новую методику создания параллельно-конвейерных программ для РВС при решении задач реального времени.

Исследования являются частью актуальных работ, проводимых БГТУ «Военмех» им. Д. Ф. Устинова при финансовой поддержке Министерства образования и науки Россий-ской Федерации по проектированию и созданию прецизионного механизма с параллельной кинематикой типа «гексапод». Появление новых встраиваемых платформ искусственного интеллекта обуславливает интерес инженеров-исследователей к реализации на их основе современных алгоритмов управления робототехническими системами. Целью настоящей работы является получение эффективных нейросетевых решений задач управления гекса-подом для современной встраиваемой вычислительной платформы NVIDIA JETSON. В ра-боте поставлены задачи управления гексаподом, к которым относятся решение прямой и обратной задач кинематики, управление силами в ногах гексапода на основе расчета об-ратной модели динамики, реализующие программную траекторию в декартовых коорди-натах. Предлагается применить нейросетевой подход для решения прямой задачи кинема-тики и аппроксимации обратных матриц Якоби в задаче расчета обратной модели дина-мики. С помощью инструментального пакета Neural Network Toolbox среды Matlab обуче-ны нейронные сети для предложенных алгоритмов. Представлены результаты выбора архитектур нейросетей для решения прямой задачи кинематики с точностью более в 10 раз превосходящей заданную погрешность системы управления гексаподом во всем рабо-чем диапазоне. Показана архитектура нейросети для аппроксимации обратной матрицы Якоби. Дано математическое описание нейросетевых алгоритмов управления. Описан под-ход к созданию программного обеспечения для встраиваемой платформы NVIDIA JETSON. Получена CUDA-реализация разработанных алгоритмов для платформы JETSON TX1, тестирование которых показало трехкратное превосходство параллельных алгоритмов в скорости решения прямой задачи кинематики по сравнению с традиционным итерацион-ным подходом на основе метода Ньютона-Рафсона.

Учитывая стремительное развитие новых методов искусственного интеллекта и большое количество новых разработок, связанных с созданием интеллектуальных систем диагностики онкологических заболеваний, целью работы является рассмотрение особенно-стей таких систем и разработка перспективной архитектуры системы, повышающей эффективность их обучения и достоверность получаемых результатов диагностики. В работе предлагается краткий анализ интеллектуальных систем диагностики онкологи-ческих заболеваний на примере обнаружения рака легкого по снимкам компьютерной то-мографии, которая в настоящее время являются основным диагностическим инструмен-том для определения распространенности рака лёгкого, поиска регионарных и отдаленных метастазов. Рассмотрены основные виды существующих интеллектуальных систем диаг-ностики и дана их классификация с точки зрения использования методов обработки ин-формации компьютерной томографии. Дано описание типовой последовательности эта-пов обработки изображений компьютерной томографии для обнаружения злокачествен-ных образований в легком, которая включает такие процедуры, как сбор данных, предва-рительную обработку изображения, сегментацию, обнаружение образований, сокращение числа ложноположительных случаев и классификацию новообразований. Показано, что основной проблемой большинства систем дифференциальной диагностики является тот факт, что обучающая выборка содержит мало альтернативных примеров и не может быть в полной мере использована для обучения интеллектуальной системы. Для решения этой проблемы в работе предлагается новая архитектура интеллектуальной системы диагностики, позволяющая на последних этапах обработки данных существенно повысить точность классификации образований в легком. Основой этой архитектуры является си-амская нейронная сеть, которая состоит из двух одинаковых подсетей, объединенных на выходе. Процесс обучения сети использует все возможные пары образцов из базы изобра-жений злокачественных образований, что существенно увеличивает размер обучающей выборки и позволяет устранить эффект переобучения. В процессе эксплуатации для ана-лиза неизвестного образования на вход одной из сетей подается исследуемое изображение компьютерной томографии образца неизвестного образования, а на вход второй сети – изображение из базы злокачественных образований.

Процессы накопления, сжатия, хранения, извлечения, обработки и анализа данных традиционно рассматриваются в различных разделах теоретической информатики. Для решения прикладных задач технической реализации этих этапов работы с данными привле-каются методологически различные подходы, основанные на разнородных математических моделях данных, и, соответственно, технически различные программные и аппаратные средства. При этом оптимизация построения средств обработки данных рассматривается на каждом этапе отдельно и с использованием частных математических моделей данных. Это приводит разработчиков сложных систем обработки данных к ситуации, в которой кроме процессов собственно обработки, необходимо выполнение процессов преобразования форм представления данных для следующего этапа обработки. Такие промежуточные пре-образования форматов данных требуют существенного расхода аппаратных ресурсов и времени, особенно в случае больших объемов данных (Big Data). В ряде наших работ введен, разработан и применен в новых вычислительных средствах новый математический аппарат представления и обработки данных, основанный на применении теории алгебраических сис-тем для гранулированного (укрупненного) представления данных. Новый подход реализует идеи машины гранулированных вычислений, введенные Lotfi Zadeh. Он органично включает в себя все указанные этапы работы с данными (на единой математической и алгоритмической основе) и позволяет широко применять в задачах, связанных с хранением и обработкой дан-ных эффективные алгоритмы линейной сложности (жадные алгоритмы). Новое математи-ческое представление данных позволяет естественным образом сжимать данные на всех этапах обработки за счет основных свойств методологии информационной грануляции. По-скольку методы, основанные на максимально типизированных алгоритмах гранулированных вычислений (без циклов и ветвлений) эффективно реализуются на реконфигурируемых высо-копроизводительных вычислительных системах, в настоящей работе предложены струк-турные решения для реализации эффективных алгоритмов обработки гранулированных дан-ных в классе «быстрых алгоритмов» для построенных на реконфигурируемых средствах ма-шин гранулированных вычислений.