Особенности применения нейросетевых структур и их элементов для повышения производительности бортовых цифровых вычислительных систем

Автор: Антимиров В.М., Уманский А.Б., Вдовин А.С., Гришанова И.В., Рогачева Т.В.

Журнал: Сибирский аэрокосмический журнал @vestnik-sibsau

Рубрика: Математика, механика, информатика

Статья в выпуске: 2 т.17, 2016 года.

Бесплатный доступ

Приведены результаты реализации нескольких поколений бортовых цифровых вычислительных систем, создаваемых в НПО автоматики, с описанием особенностей применяемой элементной базы. Для каждого поколения рассматриваются основные принципы повышения точности вычислений структурными и схемотехническими методами, включая обеспечение высокой точности вычислений при жестких ограничениях на аппаратную шкалу обработки данных. Рассмотрены резервированные однопроцессорные бортовые цифровые вычислительные машины (БЦВМ) и проблемы, возникшие с их внедрением. Также описана архитектура первых БЦВМ и их отличия от существовавших на тот момент электронно-вычислительных машин общего назначения. Акцентировано внимание на логических элементах, созданных в НПО автоматики для цифровых блоков. Проведен анализ структуры резервированной БЦВМ и описаны проблемы, связанные с выбором этой структуры. Перечислены изменения в архитектуре БЦВМ, произошедшие во втором поколении. Рассмотрены БЦВМ семейства «Малахит», реализующие принцип модульного построения системы, их архитектурные и структурные отличия от БЦВМ прошлого поколения. Данные отличия обусловливают превосходство БЦВМ «Малахит» по таким параметрам, как энергопотребление, масса, габариты, производительность и информативная емкость. Упомянута БЦВМ «Малахит-2» как попытка создания быстродействующей системы. Описаны магистрально-модульные бортовые цифровые вычислительные системы (БЦВС), назначение и принцип взаимодействия их модулей. Предложено применение матричного нейровычислителя для решения задач преобразования систем координат. Рассмотрены принцип его работы и полученный выигрыш в скорости решения задачи. Затронут вопрос о переходе от больших интегральных схем с программным управлением к сверхбольшим интегральным схемам (СБИС), реализующим нейросетевые вычисления, и создании БЦВС нового поколения «Малахит-7». Сформулированы основные направления дальнейших работ по созданию вычислительных систем. Рассмотрены такие перспективные направления, как создание распределенных систем и создание систем на кристалле в виде СБИС. В заключение отмечается, что применение нейросетевых структур можно рассматривать как один из способов существенного повышения производительности БЦВС.

Еще

Система управления, цифровая вычислительная машина, устройство управления, нейропроцессор, система на кристалле

Короткий адрес: https://sciup.org/148177558

IDR: 148177558   |   УДК: 519.95

Application features of neural network structures and their elements to increase productivity of onboard digital computing systems

The article presents the results of several generations of onboard digital computing systems produced by SPA of automatics, describes the features of applied components. It examines the basic principles of improving the accuracy of structural calculations and circuit techniques including high precision calculations at tight constraints on the scale of the data processing hardware for each generation of the basic. The redundant single-processor onboard digital computers (ODC) and the problems encountered during their implementation are considered. The article describes the first ODC architecture and how they differ from those that existed at the time of computers for general use. The author emphasizes attention to logic elements created by SPA of automatics for digital blocks. The structure of the redundant ODC is analyzed. The problems associated with the choice of the structure are described. The authors list the changes in the architecture of ODC that occurred in the second generation. The authors examine “Malakhit” family ODC which implements the principle of modular construction systems, their architectural and structural differences from the ODC of the past generation. These differences cause the superiority of “Malakhit” ODC parameters as power consumption, weight, dimensions, performance and informative capacity. The authors refer to Malakhit-2 ODC as an attempt to create a high-speed system. The article describes magistral and modular onboard digital computer system (ODCS), the purpose and principle of their interaction module. The authors offer the application of a matrix neural calculator for solving the transformation of coordinate systems. The principles of its operation and the resulting gain in speed of solving the problem are examined. The authors touche upon the issue of the transition from large-scale integrated circuits with software control to the extra-large integrated circuits (VLSI), implementing neural network computation, and the creation of a new generation of Malakhit -7 ODC. The basic directions for further work on the creation of computer systems are stated. The authors consider such promising areas as the creation of distributed systems and the creation of on-chip system in the form of VLSI. In conclusion, it is noted that the use of neural network structures can be seen as one way to significantly improve the performance of digital computer systems.

Еще

Список литературы Особенности применения нейросетевых структур и их элементов для повышения производительности бортовых цифровых вычислительных систем

  • Boeree C. G. The Neuron . URL: http://webspace.ship.edu/cgboer/theneuron.html (дата обращения: 22.08.2015).
  • Комарцова Л. Г., Максимов А. В. Нейрокомпьютеры: учеб. пособие для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. 400 с.
  • Антимиров В. М., Трапезников М. Б. Поколения бортовых цифровых вычислительных систем//Вопросы атомной науки и техники. Сер. «Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру»/Научно-исследовательский институт приборов (Лыткарино). 2012. № 2. С. 38-46.
  • Eickhoff J. Onboard Computers, Onboard Software and Satellite Operations. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2012. 281 pp.
  • Tomayko J. E. Computers in spaceflight: the NASA experience. Wichita State Uaiv., 1988. 401 p.
  • Пат. 71816 Российская Федерация, G 06 F. Устройство контроля/Антимиров В. М. Опубл. 04.02.1972.
  • Пат. 70553 Российская Федерация, G 06 F. Бортовой вычислительный комплекс/Антимиров В. М. Опубл. 04.02.1972.
  • Пат. 75145 Российская Федерация, G 06 F 15/46. Управляющая ЦВМ/Антимиров В. М., Трифонов В. Д., Зубарева Г. Н., Передерий В. К. Опубл. 05.06.1982.
  • Пат. 653614 Российская Федерация, G 06 F 9/00. Устройство управления ЦВМ/Антимиров В. М. Опубл. 06.12.1976.
  • Пат. 2450433 Российская Федерация, G 06 F. Формирователь синхроимпульсов/Антимиров В. М. Опубл. 20.05. 2012.
  • Антимиров В. М. Повышение устойчивости БЦВС к внешним воздействиям//Сб. РКТ. Сер. 11. 1975. Вып. 4. С. 96-107.
  • Антимиров В. М. Вопросы построения адаптивных специализированных вычислителей для задач навигации по картам местности//Материалы ХIV межотраслевой конф. памяти Н. Н. Острякова. Л.: ЦНИИ «Румб», 1985. C. 164-165.
  • Антимиров В. М., Уманский А. Б., Шалимов Л. Н. Бортовые цифровые вычислительные системы семейства «Малахит» для работы в экстремальных условиях//Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. ак. С. П. Королева (Национального исследовательского университета). 2013. № 4. С. 19-27.
  • Пат. 2473126 Российская Федерация. Нейропроцессор/Антимиров В. М. Опубл. 20.01.2013.
  • A new generation of fail-safe controlling digital computing systems for aerospace hardware/V. M. Antimirov //Materials 21st Saint Petersburg Intern. Conf. on Integrated Navigation Systems. Saint Peterburg, 2014. Рp. 178-185.
  • Yatsuk G. E., Umanskii A. B., Esinovskii A. V. Onboard digital computing systems for operation in extreme conditions as part of control systems of small-size aircraft//Materials 21st Saint-Petersburg Intern. Conf. on Integrated Navigation Systems. Saint Peterburg, 2014. Рp. 36-39.
Еще