PL223795B1 - Panel z układami elektronicznymi i zestaw paneli - Google Patents

Abstract

Panel zawierający układy elektroniczne połączone ze sobą łączami sygnałowymi. Połączone układy elektroniczne (1a-36a; 1b-36b) tworzą topologię dwóch pseudo-nieskończonych dwuwymiarowych sieci kwadratowych o wymiarach M*N układów każda, przy czym układy elektroniczne (1a-36a; 1b-36b) są rozmieszczone na panelu w postaci macierzy grup układów (G1,1;...; Gq,p) o ilości wierszy q=N/2 i ilości kolumn p=M/2, gdzie każda grupa (G1,1;...; Gq,p) składa się z (4) układów pierwszej sieci i (4) układów drugiej sieci.

Description

Niniejszy wynalazek dotyczy panelu z układami elektronicznymi oraz zestawu paneli, służących do realizacji złożonych systemów obliczeniowych lub symulacyjnych.

W wielu praktycznych zastosowaniach układy symulatorów, mikroprocesorowe systemy obliczeniowe lub maszyny dedykowane wymagają użycia dużej liczby operacyjnych układów elektronicznych. Szczególnie duża liczba układów (we współczesnych superkomputerach sięgająca od kilkuset tysięcy do kilku milionów mikroprocesorów) wymagana jest do przeprowadzania symulacji procesów fizycznych zachodzących w rzeczywistych układach złożonych. W systemach takich wszystkie układy operacyjne (przeważnie mikroprocesory) jednocześnie wykonują operacje logiczne. W większości przypadków układy te umieszczone są w kubicznej sieci przestrzennej, w której zamknięte są warunki brzegowe w celu uzyskania efektu pseudo nieskończonej sieci trójwymiarowej.

Istotnym problemem technicznym związanym z dużymi układami jest sposób fizycznego rozmieszczenia układów w przestrzeni. Projektując rozmieszczenie układów dąży się do: minimalizacji ilości i długości połączeń pomiędzy układami, rozmieszczenia umożliwiającego skuteczne odprowadzanie ciepła z układów w trakcie pracy, skalowalności systemu umożliwiającej dodawanie nowych układów, jak również wykorzystania redundancji zapewniającej możliwość wyłączenia z pracy części układów bez zmiany fizycznego położenia pozostałych.

Obecnie wiele konstrukcji maszyn liczących (głównie superkomputerów, takich jak przykładowo superkomputer typu Blue Gene) zbudowanych jest tak, że maszyny są skalowalne, a mikroprocesory umieszczone są w węzłach sieci kubicznej z zamkniętymi warunkami brzegowymi, tak zwanym torusie trójwymiarowym. Jednakże wszystkie te konstrukcje wykorzystują systemy łączonych ze sobą modułów, w których nagromadzona jest wielka liczba układów elektronicznych. Ze względu na bardzo dużą gęstość objętościową mocy wydzielanej w tych modułach systemy te wymagają kosztownych i wydajnych instalacji chłodzących.

Przykładowo, z amerykańskiego opisu patentowego nr US 5 715 391 znany jest komputer do wykonywania obliczeń równoległych o topologii trójwymiarowego torusa. Układy elektroniczne montowane są na płytach przeznaczonych do montażu poziomego jedna nad drugą w szafach. Konstrukcja taka nie zapewnia swobodnej skalowalności i wymaga skomplikowanych układów chłodzących.

Celowym byłoby opracowanie alternatywnej konfiguracji fizycznego rozmieszczenia układów elektronicznych do tworzenia skalowalnych sieci trójwymiarowych.

Przedmiotem wynalazku jest panel zawierający układy elektroniczne połączone ze sobą łączami sygnałowymi. Panel charakteryzuje się tym, że połączone układy elektroniczne tworzą topologię dwóch pseudo nieskończonych dwuwymiarowych sieci kwadratowych o wymiarach M*N układów każda, przy czym układy elektroniczne są rozmieszczone na panelu w postaci macierzy grup układów o ilości wierszy q = N/2 i ilości kolumn p = M/2, gdzie każda grupa składa się z 4 układów pierwszej sieci i 4 układów drugiej sieci.

Korzystnie, panel zawiera zestaw płytek drukowanych połączonych kablami, przy czym każda płytka drukowana zawiera co najmniej jedną grupę układów połączonych ścieżkami na płytce drukowanej.

Przedmiotem wynalazku jest ponadto zestaw paneli zawierający co najmniej dwa panele według wynalazku, charakteryzujący się tym, że panele połączone są ze sobą szeregowo tak, że układy elektroniczne jednego panelu są połączone z układami elektronicznymi sąsiedniego panelu zajmującymi to samo miejsce w topologii pseudo nieskończonej dwuwymiarowej sieci kwadratowej.

Korzystnie, płytki drukowane w poszczególnych panelach mają swoje główne płaszczyzny rozmieszczone w jednej płaszczyźnie pionowej stanowiącej główną płaszczyznę panelu.

Korzystnie, panele są rozmieszczone szeregowo jeden za drugim.

Korzystnie, panele są rozmieszczone po obwodzie okręgu.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunkach, na których: figura 1 przedstawia schemat pseudo nieskończonej sieci kubicznej;

figura 2A przedstawia przykład dwuwymiarowej pseudo nieskończonej sieci kwadratowej, a fig. 2B przedstawia jej przekształcenie w panel podstawowy;

figura 3 przedstawia schemat przekształcenia sieci dwuwymiarowej;

figura 4A przedstawia przykład pseudo nieskończonej sieci trójwymiarowej, a fig. 4B i 4C przedstawiają jej przekształcenie;

PL 223 795 B1 figura 5 przedstawia przykład wykonania panelu łączonego; figura 6 przedstawia przykład wykonania zestawu paneli łączonych.

Figura 1 przedstawia fragment pseudo nieskończonej sieci kubicznej z układami elektronicznymi znajdującymi się w węzłach sieci, do realizacji której przeznaczony jest niniejszy wynalazek. Każdy układ elektroniczny komunikuje się z sześcioma pobliskimi układami. Węzły sieci wyznaczają prostopadłe względem siebie płaszczyzny. Układy graniczne są połączone ze sobą (linie przerywane) w celu zapewnienia cyklicznych warunków brzegowych. Taka topologia znana jest jako pseudo nieskończona sieć kubiczna (inaczej: trójwymiarowy torus, ang. three-dimensional torus interconnect).

Figura 2A przedstawia przykład dwuwymiarowej pseudo nieskończonej sieci kwadratowej, stanowiącej jedną z płaszczyzn sieci trójwymiarowej przedstawionej na fig. 1, a fig. 2B przedstawia jej przekształcenie według wynalazku.

Niniejszy przykład zostanie omówiony dla sieci dwuwymiarowej o wymiarach 6 x 6, zawierającej 36 układów elektronicznych. Przykład ten może zostać odpowiednio zmodyfikowany w celu skonstruowania sieci o większych wymiarach. W celu realizacji cyklicznych warunków brzegowych w dwóch wymiarach (połączenie dolnej krawędzi płaszczyzny z górną krawędzią oraz krawędzi lewej z prawą), układy elektroniczne znajdujące się na krawędziach muszą być łączone ze sobą liniami sygnałowymi, których długość jest proporcjonalna do wymiarów liniowych płaszczyzny, na której są one umieszczone. Dla uproszczenia rysunku pokazano jedynie połączenie brzegowe pomiędzy układami 1-6, lecz analogicznie łączone są również układy 7-12, ..., 31-36, 1-31, 2-32, ..., 6-36. Szybkość przesyłania informacji pomiędzy węzłami w takiej sieci będzie zależała, przede wszystkim, od długości połączeń pomiędzy układami na krawędziach i wraz ze zwiększaniem wielkości sieci szybkość ta będzie ulegać zmniejszaniu.

Ułożenie układów elektronicznych przedstawione na fig. 2A można przekształcić, zgodnie z ogólnym schematem przedstawionym na fig. 3, w ułożenie przedstawione na fig. 2B. Układy należące do tego samego obszaru płaszczyzny oznaczone są tym samym kreskowaniem tła (fig. 2A). Po przekształceniu układy te znajdują się w co drugim węźle sieci. Każdy układ połączony jest ze swoimi sąsiadami zgodnie ze schematem przedstawionym przykładowo dla układu nr 26. Cykliczne warunki brzegowe zamykane są za pomocą zwór Z znajdujących się na krawędziach sieci. Przykładowo, zwora Z umożliwia zamknięcie cyklicznych warunków brzegowych pomiędzy układami 1 i 6 (podobnie zamykane są warunki brzegowe dla pozostałych układów 2, 3, 4, 5, 7, 12, 13, 18, 19, 24, 25, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36 znajdujących się na wszystkich czterech krawędziach sieci).

Istotną zaletą systemu połączeń przedstawionych na fig. 2B względem systemu przedstawionego na fig. 2A jest to, że niezależnie od liczby układów elektronicznych w sieci, długość połączeń pomiędzy sąsiednimi układami, a co za tym idzie szybkość przesyłania sygnałów, nie ulega zmianie. Otwarcie zwory Z umożliwia bezpośrednie łączenie struktury w większe, pseudo nieskończone struktury dwuwymiarowe, zapewniając konstrukcję dwuwymiarowej maszyny skalowalnej.

System układów elektronicznych rozmieszczonych i połączonych jak przedstawiono na fig. 2B można zrealizować w postaci pojedynczego, dwuwymiarowego panelu podstawowego z układami elektronicznymi rozmieszczonymi na jednej lub większej ilości płytek z obwodami drukowanymi (PCB, ang. Printed Circuit Board). Takie panele podstawowe (Q) stanowią elementarne moduły sieci trójw ymiarowej, przedstawionej na fig. 4A-4C.

Figura 3 przedstawia ogólny schemat przekształcania pseudonieskończonej sieci dwuwymiarowej jak przedstawiono w przykładzie na fig. 2A-2B. Przekształcenie odbywa się następująco. Przyjmijmy, że układy umieszczone są na płaszczyźnie, w kwadratach odpowiadających węzłom sieci, o N wierszach i M kolumnach, numerowanych indeksami ij. Płaszczyzna ta zostaje „zagięta” dwukrotnie na pół wzdłuż linii przerywanych. Układy, oznaczone indeksami i,j; i,M-y+1; N-i+1, M-j+1 i N-i+1j po „zagięciu” znajdą się w pobliżu siebie w jednej płaszczyźnie tworzącej strukturę S1 o N/2 wierszach i M/2 kolumnach. Ich numeracja w strukturze S1 jest następująca _sUj (₁U_IJ, ₂Uj, ₃Uj i ₄U_ij). Dzięki takiemu przekształceniu poszczególne układy znajdujące się w węźle nowej struktury S1 komunikują się tylko z najbliższymi sąsiednimi układami numerowanymi tymi samymi indeksami s, umieszczonymi w czterech sąsiednich miejscach struktury S1. Zamknięcie cyklicznych warunków brzegowych wymaga połączenia odpowiednich układów znajdujących się w jednym punkcie na krawędziach struktury S1.

Figura 4A przedstawia przykład pseudo nieskończonej sieci trójwymiarowej, a fig. 4B i 4C przedstawiają jej przekształcenie według wynalazku.

Cykliczne warunki brzegowe w trzecim wymiarze mogą zostać zrealizowane poprzez ustawienie L paneli podstawowych Q, takich jak przedstawiono na fig. 2B, na obwodzie koła, co przedstawiono

PL 223 795 B1 na fig. 4A. Rozwiązanie takie umożliwiłoby połączenie wszystkich odpowiadających sobie elementów sieci liniami o takiej samej długości, jednak maszyna z tak usytuowanymi panelami nie może być w przyszłości rozbudowywana o dalsze panele (system taki byłby nieskalowany).

W celu zaprojektowania maszyny skalowalnej, strukturę przedstawioną na fig. 4A, zawierającą 12 pionowo ustawionych paneli Q₁-Q₁₂, podzielono na dwie sekcje: a i b, a następnie sekcje a i b rozłączono i przesunięto względem siebie oraz naprzemiennie „przetasowano”, uzyskując układ przedstawiony na fig. 4B. W kolejnym etapie sąsiadujące ze sobą panele podstawowe Q₁-Q₁₂ sekcji a i b przybliżono do siebie i połączono, tworząc strukturę S2 składającą się L/2 paneli łączonych P₁-P₆, w której odpowiadające sobie układy _sUj_k należące do sekcji a i układy _sU_iLj₊i_-k należące do sekcji b znajdują się w tym samym miejscu przestrzeni, co przedstawiono na fig. 4C. Dzięki takiemu przekształceniu poszczególne układy znajdujące się w węzłach struktury S2 komunikują się tylko z najbliższymi układami numerowanymi tymi samymi indeksami s umieszczonymi na sąsiednich panelach łączonych i sąsiednich płytkach lub (w celu realizacji cyklicznych warunków brzegowych) z bezpośrednio sąsiadującymi układami, umieszczonymi na tej samej płaszczyźnie.

Figura 5 przedstawia przykład wykonania panelu łączonego. Zgodnie z opisaną w nawiązaniu do fig. 4A-4C procedurą przekształcenia, poszczególne układy należące do struktury S2 umieszczone są na panelach łączonych zawierających po 72 układy w jednym panelu. Układy zgrupowano w grupach Gi,i-G₃,₃, przy czym każda grupa może być zainstalowana na odrębnej płytce z obwodem drukowanym. Pojedyncza grupa G stanowi elementarny moduł umożliwiający łączenie dwuwymiarowych struktur układów sieciowych w systemy trójwymiarowe, pseudo nieskończone. W każdej z grup znajduje się po 8 układów, z których każdy należy do odpowiedniego obszaru sąsiadujących układów w płaszczyźnie o podstawowej topologii (patrz fig. 2A). Układy oznaczone symbolem a należą do sekcji a, a symbolem b do sekcji b (patrz fig. 4A). Każdy układ należący do jednej sekcji połączony jest ze swoimi sąsiadami zgodnie ze schematem narysowanym dla układu nr 26b (połączenia te odpowiadają połączeniom z rysunku 2B). Cykliczne warunki brzegowe w dwóch wymiarach przestrzennych realizowane są za pomocą zwór. Przykładowo, zwora Z2 umożliwia zamknięcie cyklicznych warunków brzegowych pomiędzy układami 17b i 23b (podobnie zamykane są warunki brzegowe dla pozostałych układów należących do sekcji a i b, znajdujących się na czterech krawędziach panelu).

Połączenie układów w trzech wymiarach oraz zamknięcie warunków brzegowych w trzecim wymiarze schematycznie przedstawia fig. 6. Układy o tych samych numerach na poszczególnych panelach łączone są ze sobą bezpośrednio „na wprost” (patrz połączenie układów 26b na panelach nr 1, 2 i 3). Realizacja cyklicznych warunków brzegowych w trzecim wymiarze polega na połączeniu układów o tym samym numerze należących do sekcji a i b znajdujących się na skrajnych panelach (panel 1 i panel 3). Przykładowe połączenia dzięki, którym realizowane są cykliczne warunki brzegowe zaznaczono na fig. 6 (układy 3a i 3b, 4a i 4b, 34a i 34b oraz 33a i 33b znajdujące się w panelu P3 w grupie G_t3).

Konstrukcja przedstawiona na fig. 6 umożliwia budowanie, w oparciu o panele łączone, systemów pseudo nieskończonych przeznaczonych do wykonywania jednoczesnych operacji logicznych (maszyn równoległych). Dzięki takiej budowie możliwe jest też wytwarzania układów wielokomórk owych (przykładowo automatów komórkowych), takich gdzie występują tylko lokalne interakcje (oddziaływania z najbliższymi sąsiadami), w których szybkość analizy i przetwarzania danych nie zależy od rozmiarów analizowanego systemu.

W efekcie przekształceń w nawiązaniu do fig. 2A-2B i 4A-4C, rzeczywista nie skalowalna sieć kubiczna zawierająca NxMxL węzłów, w których umieszczone są układy elektroniczne została przekształcona w skalowalną strukturę S2, która jest również siecią kubiczną o N/2xM/2xL/2 węzłach. W węzłach struktury S2 znajdują się płytki zawierające po 8 układów. Przykładowe rozłożenie tych układów na płytce przedstawione jest na fig. 5 (poszczególne grupy G₁,₁, G₁,₂, ...). Sposób łączenia układów w grupach oraz zamykania warunków brzegowych przedstawia fig. 6.

Opracowana struktura przestrzenna ułożenia układów na płaszczyznach oraz sieć połączeń umożliwia przesyłanie sygnałów pomiędzy układami w maszynach przeznaczonych do wykonywania jednoczesnych (równoległych) operacji logicznych (również obliczeń matematycznych) za pomocą układów elektronicznych (np. programowalnych układów FPGA, mikroprocesorów, dedykowanych układów typu ASIC lub innych) umieszczonych w sieci odzwierciedlającej strukturę rzeczywistych obiektów przestrzennych. Obiektami tymi mogą być dowolne, złożone, wieloelementowe obiekty fizyczne (np. mieszaniny cieczy polimerowych).

PL 223 795 B1

Proponowana konstrukcja mocowania układów scalonych w płaskich, ustawionych sąsiadująco jeden za drugim, pionowych panelach powoduje, że w maszynie moc wydzielana w czasie pracy urządzenia jest rozpraszana równomiernie w całej przestrzeni, a co za tym idzie objętościowa jej gęstość jest znacznie mniejsza niż w dotychczas stosowanych rozwiązaniach. Dodatkowo pionowe ustawienie płytek z obwodami drukowanymi powoduje, że uwalniane z nich ciepło migruje naturalną, konwekcyjną drogą (od dołu do góry). Ułatwia to znacznie odprowadzanie ciepła z układów elektronicznych i tym samym zmniejsza koszty stosowanych systemów chłodzących.

Claims (6)

1. Panel zawierający układy elektroniczne połączone ze sobą łączami sygnałowymi, znamienny tym, że:

• połączone układy elektroniczne (1a-36a; 1b-36b) tworzą topologię dwóch pseudo nieskończonych dwuwymiarowych sieci kwadratowych (S_a, S_b) o wymiarach M*N układów każda, • przy czym układy elektroniczne (1a-36a; 1b-36b) są rozmieszczone na panelu w postaci macierzy grup układów (G_1:1 G_q,_p) o ilości wierszy q = N/2 i ilości kolumn p = M/2, gdzie każda grupa (Gi,i ...; G_qp) składa się z 4 układów pierwszej sieci (S_a) i 4 układów drugiej sieci (S_b).

2. Panel według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera zestaw płytek drukowanych połączonych kablami, przy czym każda płytka drukowana zawiera co najmniej jedną grupę układów (G1,1 . ; G_qp) połączonych ścieżkami na płytce drukowanej.

3. Zestaw paneli zawierający co najmniej dwa panele (P1-P3) według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że panele (P1 -P3) połączone są ze sobą szeregowo tak, że układy elektroniczne (1a-36a; 1b-36b) jednego panelu (P1-P3) są połączone z układami elektronicznymi (1a-36a; 1b-36b) sąsiedniego panelu (P1-P3) zajmującymi to samo miejsce w topologii pseudo-nieskończonej dwuwymiarowej sieci kwadratowej (S_a, S_b).

4. Zestaw paneli według zastrz. 3, znamienny tym, że płytki drukowane w poszczególnych panelach mają swoje główne płaszczyzny rozmieszczone w jednej płaszczyźnie pionowej stanowiącej główną płaszczyznę panelu.

5. Zestaw paneli według zastrz. 4, znamienny tym, że panele (P1-P3) są rozmieszczone szeregowo jeden za drugim.

6. Zestaw paneli według zastrz. 4, znamienny tym, że panele (P1 -P3) są rozmieszczone po obwodzie okręgu.