Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана

Leonhard

Принципиально новый процессор для обработки множеств, структур данных и графов.


Генеральный конструктор : Попов Алексей Юрьевич (к.т.н., доц.)

web: e-learning.bmstu.ru/AlekseyPopov          mail: alexpopov@bmstu.ru


В МГТУ им. Н.Э.Баумана разработан и успешно прошел испытания микропроцессор Leonhard, впервые в истории вычислительной техники реализующий набор команд DISC (Discrete Mathematics Instruction Set computer, операции дискретной математики).
  • При низкой тактовой частоте (100 МГц) производительность Leonhard сравнима с производительностью микропроцессоров семейства Intel Pentium (2 ГГц). Это достигается за счет параллелизма при обработке сложных моделей данных.
  • Микропроцессор Leonhard занимает в 400 раз меньше ресурсов кристалла, чем одно ядро семейства Intel Core.
  • Микропроцессор Leonhard потребляет в 35 раз меньше энергии чем одно ядро семейства Intel Core. 
  • Благодаря использованию микропроцессора Leonhard впервые в истории вычислительной техники разработана универсальная вычислительная система с многими потоками команд и одним потоком данных (МКОД, MISD). 

Сравнение с существующими системами

Обычный микропроцессорМикропроцессор Leonhard

Обрабатывает числа

Обрабатывает множества

Аппаратно реализует арифметическую и логическую обработку

Аппаратно реализует математический аппарат дискретной математики

Обработка сложных моделей данных (деревьев, графов)
выполняется на конвейере микропроцессора последовательно

Микроархитектура Leonhard обеспечивает
параллельную обработку множеств, структур данных, графов

Использует  ОЗУ  для хранения программ, данных, структур
данных, множеств и т.д.

Использует независимую память для  хранения множеств,
структур данных, графов
Распределение памяти для хранения структур данных
осуществляется операционной системой (программно)

Распределение памяти осуществляется аппаратными
механизмами микропроцессора Leonhard


Микроархитектура процессора Leonhard


Leonhard microarchitecture Большинство важных вычислительных задач требуют хранения и обработки больших массивов дискретной информации. Однако, современные универсальные микропроцессоры не позволяют эффективно обрабатывать множества и сложные структуры данных типа деревьев и графов. Микропроцессор Leonhard берет на себя ту часть вычислительной нагрузки, с которой плохо справляются универсальные арифметические микропроцессоры (например, Intel или ARM). Результаты выполнения команд обработки множеств из микропроцессора Leonhard направляются в Центральный процессор для дальнейшего использования в ходе вычислительного алгоритма.

Для эффективной и параллельной обработки множеств была разработана уникальная микроархитектура, не имеющая аналогов в мире. Впервые реализованы устройства для объединения, пересечения и разности множеств (И-ИЛИ-НЕ операции), а также операции срезов (LS,LSEQ,GR,GREQ).

Команды NSM и NGR существенно ускоряет алгоритмы машинного обучения (Maсhine Learning). 

Набор команд DISC Leonhard v.1 (набор команд дискретной математики)


В микропроцессоре Leonhard реализован набор из 20 высокоуровневых машинных инструкций:

Search (Поиск)
Insert
(Вставка)
Delete
(Удаление)
Smaller and Greater Neighbors
(Поиск ближайшего меньшего и большего )
Maximum and Minimum
(Минимум и максимум)
Cardinality
(Мощность)

AND, OR, NOT (И-ИЛИ-НЕ)
Slices LS, GR, LSEQ, GREQ
(Срезы)
Search next and previous
(Поиск предыдущего и следующего).
Delete all structure
(Удаление структур)
Squeeze
(Сжатие структур)
Jump
(Условный переход по тегу)

Производительность микропроцессора

Эксперимент (сравниваемые архитектуры) Ускорение в системе с Leonhard
Удаление (МКОД и Microblaze) 164.4
Добавление (МКОД и Microblaze) 42.7
Поиск (МКОД и Microblaze) 31.4
Удаление (МКОД и Intel Pentium 4) 22.8
Алгоритм Дейкстры (МКОД и Intel Pentium 4) 19.4
Поиск (МКОД и Intel Pentium 4) 15.3
Алгоритм поиска в глубину (МКОД и ARM11) 12.9
Алгоритма Декстры (МКОД и Эльбрус 4C) 12.7
Алгоритм поиска в ширину (МКОД и ARM11) 12.3
Удаление (МКОД и Intel Core i5) 11.8
Алгоритм Прима (МКОД и ARM11) 10.3
Поиск (МКОД и Intel Core i5) 9.8
Алгоритм Дейкстры (МКОД и Intel Core i5) 7.6
Алгоритм Крускала (МКОД и ARM11) 7.8
Добавление (МКОД и Pentium 4) 5.7
Добавление (МКОД и Intel Core i5) 3.2
Алгоритм поиска в глубину (МКОД и Intel Core i5) 3.2

Сравнение производительности Leonhard с универсальными микропроцессорами



Перспективные области применения

Энерго-эффективная элементная база:
  • Маршрутизация и безопасность в компьютерных сетях.
  • Безопасность в распределенных системах Интернета вещей и Blockchain.
  • Компьютерное зрение в робототехнических системах.
  • Аппаратная поддержка машинного обучения.

Высокопроизводительный компьютинг:

  • Интеллектуальное кэширование графов.
  • Управления облачной инфраструктурой.
  • Контроллеры в Software defined networks.
  • Ускорение и повышение защищенности операционных систем.
  • Ускорение алгоритмов дискретной оптимизации в аналитических системах.

Публикации

  1. Popov, A. An Introduction to the MISD Technology. Proceedings of the 50th Hawaii International Conference on System Sciences, HICSS50, 3-7 January 2017, Hawaii, pp.1003-1012. http://hdl.handle.net/10125/41272
  2. Podolskiy V.E., Popov A. Yu. “Graph Decomposition for Parallel Data Processing on MISD Computer” // Herald of the Bauman Moscow State Technical University: Instrument Engineering, 2016, Issue 01 (106), pp. 112-128 (in Russian).
  3. Popov A.Yu. The study of Kruskal's and Prim's algorithms on the Multiple Instruction and Single Data stream computer system. Nauka i obrazovanie, MGTU im. N.E. Baumana = Science and Education of the Bauman MSTU, 2015, no. 11, pp. 505-527. DOI: 10.7463/1115.0820770 (in Russian).
  4. Popov A.Yu. The implementation of graph traversal algorithms on the Multiple Instruction and Single Data stream computer system. Nauka i obrazovanie, MGTU im. N.E. Baumana = Science and Education of the Bauman MSTU, 2015, no. 10, pp. 453-472. DOI: 10.7463/1015.0820736 (in Russian).
  5. Popov A.Yu. On the implementation of the Ford-Fulkerson algorithm on the Multiple Instruction and Single Data computer system. Nauka i obrazovanie, MGTU im. N.E. Baumana = Science and Education of the Bauman MSTU, 2014, no. 9, pp. 162-180. DOI: 10.7463/0914.0726416 (in Russian).



Демонстрации

  1.  Представление микропроцессора Leonhard на выставке ChipExpo2017


Последнее изменение: Четверг, 12 Апрель 2018, 21:27