автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Теоретические основы и разработка многофункциональных отказоустойчивых устройств на нейроподобных элементах

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ СИНТЕЗА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ НАСТРАИВАЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ СЕТЕЙ.

1.1 Краткая история. Основные понятия и определения.,.

1.2 Анализ и общая классификация методов синтеза однородных сет^й.

1.2.1. Методы синтеза однородных сетей из ненастраиваемых элементов с управляемыми связями.

1.2.2. Методы синтеза однородных сетей из настраиваемых элементов с неуправляемыми связями.

1.2.3. Методы синтеза однородных сетей из настраиваемых элементов с управляемыми связями.2Т

1.3 Основные методы построения логических сетей повышенной надежности.

1 АОсобенности реализации настраиваемых логических сетей в среде СБИС.

1.4.1. Технологические проблемы создания нейроподобных

СБИС и УБИС

1.4.2. Программируемые логические устройства.

1.5. Выводы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ СИНТЕЗА

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИЕРАРХИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НА НЕЙРОПОДОБНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ. 65 2.1. Концептуальный базис теоретических основ синтеза многофункциональных устройств.

2.1.1. Понятийный аппарат теоретических основ проектирования UOY.

2.2. Основные положения метода пространства состояний и его применение для анализа системной организации формальной модели нейрона.

2.3. Развитие метода пространства состояний для синтеза иерархических бднородных сетей на нейроподобных элементах.

2.4. Алгоритмы нахождения вектора настройки сети минимальной сложности.

2.5. Выводы. П

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫХ ИЕРАРХИЧЕСКИХ СЕТЕЙ С ОГРАНИЧЕНИЯМИ НА СЛОЖНОСТЬ

И ФУНКЦИОНАЛЬНУЮ МОЩНОСТЬ

3.1. Исследование надежности иерархической сети и разработка алгоритма поиска матрицы состояний при ограничениях на сложность.

3.2. Алгоритмы синтеза иерархических однородных сетей на ограниченном функциональном множестве.

3.2.1. Основные положения структурно-ориентированного метода активных вершин.

3.2.2. Алгоритм частичного конфигурирования сети.

3.2.3. Алгоритм результирующего конфигурирования.

3.3. Алгоритм синтеза отказоустойчивых ИОС при совместных ограничениях на сложность и функциональную мощность.

3.4. Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ ДЛЯ ОДНОРОДНЫХ СЕТЕЙ НА

НЕЙРОПОДОБНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ С ПАМЯТЬЮ.

4.1 Обработка информации однородными сетями с распределенной памятью.

4.1.1. Послойно-конвейерная организация вычислительного процесса в разомкнутых однородных сетях с распределенной памятью.

4.1.2. Структурно-логическая организация замкнутых однородных сетей с распределенной памятью.

4.2. Структурно-логическая организация замкнутых однородных сетей с выделенной памятью.

4.2.1. Исследование информационных процессов в однородной сети с выделенной памятью для Sss=l.

4.2.2. Исследование информационных процессов в однородной сети с выделенной памятью для Sbs=3.

4.2.3. Исследование информационных процессов в однородной сети с выделенной памятью для Sbs=2v-1.

4.3. Структурно-декрементный метод реконфигурации базисной структуры.

4.4. Исследование характеристик отказоустойчивости однородных сетей с памятью.

4.5. Выводы.

ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ НА НЕЙРОПОДОБНЫХ

ЭЛЕМЕНТАХ.

5.1. Структурно-функциональная организация базисных нейроподобных элементов с дискретными настроечными параметрами

5.2 Варианты структурно-функциональной организации и сравнительные оценки многофункциональных логических модулей на нейроподобных элементах.

5.3 Организация гибридного функционального преобразователя на основе многофункционального модуля

5.4 Выводы

Актуальность проблемы. Современное состояние развития вычислительной техники характеризуется интенсивным внедрением новых принципов и подходов к обработке информации. Проведенный анализ показал, что большинство современных подходов к созданию высокоэффективных универсальных и специализированных средств обработки информации базируются на использовании различных методов параллельной обработки, среди которых магистральным направлением является использование нейросетевых методов. Разработки в области нейроструктур, использующих такие методы, ведут крупнейшие отечественные и зарубежные научно-исследовательские центры: Научный центр нейрокомпьютеров (Москва), «НейроКомп» (Красноярск), Ростовский институт нейрокибернетики, Массачусетский технологический институт, Токийский университет и др. Отмечая высокую теоретическую и прикладную значимость результатов, полученных в области современного т нейрокомпьютинга, следует отметить, что вопросы отказоустойчивости устройств, использующих нейросетевые методы обработки информации остаются малоизученными к настоящему времени, что ограничивает области • их эффективного применение. Функциональная гибкость, присущая нейроструктурам, позволяет синтезировать на их основе высокопроизводительные многофункциональные устройства многоцелевого назначения, в т.ч. для управления технологическими процессами, летательными аппаратами, системами контроля безопасности АЭС и т.д. Анализ современного состояния теории и практики нейрокомпьютинга показал, что перспективной компонентой нейронной технологии является перепрограммируемая логическая интегральная среда (ПЛИС), реализованная в условиях субмикронной технологии. Между тем, постоянное увеличение объема обрабатываемой информации, усложнение алгоритмов управления, повышение требований к производительности приводят в общем случае к существенному усложнению ПЛИС и снижению надежности их функционирования.

Основная проблемная ситуация заключается в противоречии между требуемым уровнем надежности функционирования устройств на основе нейросетевых структур и существующим уровнем теоретических и практических разработок в данной предметной области.

Одним из путей разрешения этого противоречия является разработка принципов построения и синтеза структурно-функциональной организации многофункциональных отказоустойчивых систем с высокими показателями параллелизма обработки информации на основе специализированных средств с иерархической нейросетевой архитектурой.

Проведенный анализ показывает, что перспективным направлением использования возможностей современной микроэлектроники при построении многофункциональных устройств является реализация их на основе однородных сетей. При этом известные подходы к синтезу однородных сетей позволяют решать в основном задачи создания многофункциональных устройств, использующих прямоугольные, треугольные и некоторые другие специальные однородные решетки. Между тем при значительной структурной сложности в известных топологиях однородных структур возникают значительные трудности с выделением результирующих сигналов, обусловленные наличием фактора временного дебаланса активируемых переключательных цепей. В результате преобразование в синхронной однородной сети требует сложной многофазной синхронизации, затрудняющей их техническую реализацию. Отсюда следует практическое важное заключение: для однородных и квазиоднородных сетей является актуальным минимизация временного дебаланса, достигаемая, в частности, выбором рационального метода обработки информации сетью и адекватной этому методу топологии сети." Высокий уровень интеграции современных СБИС открывает принципиальную возможность синтезировать иерархические однородные и квазиоднородные нейроподобные сети с иерархическим методом обработки информации.

Следует отметить, что значительный научный вклад в теорию и практику нейрокомпьютинга внесли отечественные и зарубежные исследователи: Галушкин А.И., Горбань А.Н., Дунин-Барковский B.JL, Вавилов Е,Н., Егоров Б.М., Розенблат Ф., Нейман Дж., Мур Е., Шеннон К., Пирс У. и ряд других известных ученых. Однако в известных научных исследованиях недостаточно рассмотрен механизм надежности, присущий биологическим нейроструктурам. Тем не менее, рассмотрение этого механизма является основным направлением создания отказоустойчивых сетей на нейроподобных элементах, ориентированных на СБИС.

Указанные обстоятельства определили постановку и решение в данной работе актуальной * проблемы: повышение отказоустойчивости многофункциональных устройств на основе применения однородных и квазиоднородных сетей на нейроподобных элементах с иерархической топологией.

Научный аспект решения сформулированной проблемы связан с развитием теоретических основ синтеза иерархических отказоустойчивых нейросетей, использующих иерархический метод обработки информации. Практическая часть решаемой проблемы включает в себя разработку структурно-функциональной организации и выбор инженерно-технических решений, позволяющих реализовать отказоустойчивые^ многофункциональные устройства многоцелевого назначения.

Основная часть диссертационной работы выполнялась в рамках хоздоговорных и госбюджетных НИР, начиная с 1976 г., в том числе госбюджетных НИР по распоряжению Госкомвуза № 10-36-41, ИН/10-20-03 от 16.03.92 г. (пролонгация до 2000 г.) и Международного проекта по распоряжению Госкомвуза № 10 от 19.02.93 г. в Курском государственном техническом университете при непосредственном участии автора.

Целью диссертационной работы является разработка многофункциональных отказоустойчивых устройств, функционирующих на основе метода многоуровневого внутрисистемного мажорирования при иерархической обработке информации и структурно-логической организации сетевой архитектуры нейроподобных элементов, позволяющей сохранять функциональную устойчивость при многократных отказах базисных структурных компонентов в перспективных системах обработки информации.

Поставленная цель определила следующие основные задачи исследований:

1. Анализ современного состояния теории и практики синтеза отказоустойчивых настраиваемых логических сетей и выбор приоритетных направлений создания многофункциональных отказоустойчивых устройств, ориентированных на субмикронную технологию СБИС.

2. Разработка концептуального базиса и теоретических основ синтеза многофункциональных отказоустойчивых устройств (МОУ) с использованием иерархических сетей на нейроподобных элементах.

3. Разработка теоретических основ проектирования МОУ, состоящая в исследовании и разработке следующих основных компонентов:

-понятийного аппарата;

-базисной модели нейроподобного элемента с дискретными функциональными состояниями и математической модели определения его надежности;

-системно-обоснованного ряда моделей иерархических отказоустойчивых однородных и квазиоднородных сетей (с памятью и без памяти) на нейроподобных элементах;

-методов структурно-параметрической оптимизации нейроподобного элемента, а также методов структурно-параметрической оптимизации иерархических отказоустойчивых квазиоднородных сетей без памяти;

- метода послойно-конвейерной организации вычислительного процесса в однородных разомкнутых сетях с распределенной памятью;

-методов синтеза структурно-логической организации замкнутых отказоустойчивых однородных сетей с распределенной и выделенной памятью;

-структурно-декрементного метода реконфигурации базисной структуры для восстановления процесса функционирования однородных сетей при многократных отказах нейроподобных элементов;

- совокупности комплексных оценок отказоустойчивости для однородных сетей с выделенной памятью.

4. Системно-структурный синтез универсальных и специализированных устройств на основе отказоустойчивых иерархических нейроподобных с'етей, исследования их основных характеристик, разработка реализационных рекомендаций.

5. Изыскание инженерно-технических путей создания многофункциональных отказоустойчивых устройств.

Методы исследования базируются на использовании математического аппарата теории вероятностей, теории надежности технических систем, теории конечных автоматов и проектирования ЭЦВМ, ассоциативного исчисления и основываются на современных положениях методологии общей теории систем.

Научная новизна работы заключается в решении проблемы повышения отказоустойчивости многофункциональных устройств, функционирующих на основе метода многоуровневого внутрисистемного мажорирования при иерархической обработке информации и структурно-логической организации сетевой архитектуры нейроподобных элементов, позволяющей сохранять функциональную устойчивость при многократных отказах базисных структурных компонентов. Значение решения данной научно-технической проблемы состоит в создании и совершенствовании теоретической и информационно- технологической базы информатизации и компьютеризации, обеспечивающей прогресс в народном хозяйстве и обороне России. Данная проблема решается впервые с единых концептуально-методологических позиций, учитывающих взаимодействие и взаимосвязь разработанных алгоритмических и технических средств. Проведенные исследования позволили получить следующие основные результаты:

1. Предложен концептуальный базис синтеза многофункциональных отказоустойчивых устройств с использованием иерархических сетей на нейроподобных элементах, включающий общесистемные принципы и позволяющий систематизировать и формализовать выбор подходов к решению поставленной проблемы.

2. Разработаны теоретические основы проектирования многофункциональных отказоустойчивых устройств (МОУ), включающие следующие основные положения:

2.1. Понятийный аппарат, состоящий из системы конструктивных экспликаций основных понятий теоретических основ, позволяющий формализовать исследуемые процессы, объекты, методы, а также обеспечивающий условия для моделирования и алгоритмизации МОУ.

2.2. Базисная модель нейроподобного элемента с дискретными функциональными состояниями в виде аналитического выражения, обеспечивающая оптимальную настройку его параметров и расчет надежности, особенностью которой является отображение настроечных параметров в дискретном функциональном пространстве.

2.3. Модели иерархических отказоустойчивых однородных и квазиоднородных сетей (с памятью и без памяти) на нейроподобных элементах в виде системы аналитических выражений, позволяющие формализовать описания структур и количественных зависимостей выбранных показателей от параметров сети.

2.4. Метод структурно-параметрической оптимизации нейроподобного элемента, основанный на анализе пространства состояний модели дискретного нейроподобного элемента и обеспечивающий максимальную надежность при заданых ограничениях на сложность элемента.

2.5. Совокупность методов структурно-параметрической оптимизации иерархических отказоустойчивых квазиоднородных сетей без памяти, позволяющих определять оптимальные структуры сетей по критерию максимальной надежности при известных требованиях к сложности и функциональной мощности сетей.

2.6. Метод послойно-конвейерной организации вычислительного процесса в однородных разомкнутых сетях с распределенной памятью, позволяющий организовать последовательную процедуру реализации логических функций.

2.7. Методы синтеза структурно-логической организации замкнутых отказоустойчивых однородных сетей с распределенной и выделенной памятью, основанные на особенностях пространственно-временной обработки информации в иерархических нейроподобных сетях.

2.8. Структурно-декрементный метод реконфигурации базисной структуры для восстановления процесса функционирования однородных сетей при многократных отказах нейроподобных элементов.

3. Предложены варианты структурно-функциональной организации многофункциональных устройств, учитывающие допустимые ограничения на сложность, функциональную мощность, быстродействие, время перенастройки и обеспечивающие максимально возможные значения надежности для известной системы ограничений.

Практичекая ценность диссертационной работы состоит в том, что результаты теоретических исследований являются основой разработки широкого класса отказоустойчивых настраиваемых многофункциональных устройств, использующих иерархические нейроподобные сети в качестве и основного мультипроцессорного блока с учетом реальных требований к структурной сложности, функциональной мощности, быстродействию, отказоустойчивости, возможностей современной технологии СБИС. На защиту выносятся:

1. Концептуальный базис основ синтеза многофункциональных отказоустойчивых устройств (МОУ) с использованием иерархических сетей на нейроподобных элементах.

2. Теоретические основы и разработка МОУ, включающие в свой состав:

2.1. Понятийный аппарат, состоящий из системы конструктивных экспликаций основных понятий и необходимый для моделирования и алгоритмизации МОУ.

2.2. Базисную модель нейроподобного элемента с дискретными состояниями, позволяющую формально описывать и анализировать совокупность выбранных взаимосвязанных показателей.

2.3. Модели иерархических отказоустойчивых однородных и квазиоднородных сетей на нейроподобных элементах, позволяющие формализовать и провести анализ совокупности выбранных взаимосвязанных показателей.

2.4. Совокупность методов структурно-параметрической оптимизации иерархических отказоустойчивых квазиоднородных сетей без памяти.

2.5. Метод послойно-конвейерной организации вычислительного процесса в однородных разомкнутых сетях с распределенной памятью.

2.6. Методы синтеза структурно-логической организации замкнутых : отказоустойчивых однородных сетей с распределенной и выделенной памятью.

2.7. Структурно-декрементный метод реконфигурации базисной структуры при многократных отказах нейроподобных элементов.

3. Структурно-функциональные схемы многофункциональных устройств, использующие иерархические сети на нейроподобных элементах. Реализация м внедрение результатов

Полученные в диссертационной работе результаты использовались при выполнении цикла научно-исследовательских работ в Курском государственном техническом университете в период 1976 - 2000 гг., в том числе НИР: «Разработка и исследование методов анализа систем многомерной информации», «Разработка программно-технических комплексов систем автоматизированного проектирования и управления», «Исследование моделей, программирование, тестирование и отладка математического обеспечения, разработка технических средств систем автоматизированного проектирования и управления», «Выбор и обоснование методов и моделей, разработка программных и технических средств повышения надежности и точности обработки информации в интерактивных системах и учебных САПР», «Разработка и исследование характеристик процессорных элементов систем обработки символьной информации», Международного проекта «Технические системы ОСИ и изображений».

Научные и практические результаты использованы и внедрены в ОАО «Счетмаш» (г. Курск), ОКБ «Авиаавтоматика» (г.Курск), в в./ч 45807-P/II, в НИИ новых медицинских технологий (г. Тула), а также в учебном процессе Курского государственного технического университета, Курского государственного медицинского университета, Тульского государственного университета. ,

Апробация работы Основные результаты работы докладывались на следующих научных симпозиумах, семинарах и конференциях: 1-й Международный симпозиум «Биофизика Полей и излучений и биоинформатика» (Тула, 1996 г.); И-й Международный симпозиум «Биофизика полей и излучений и биоинфбрматика» (Тула, 1999 г.) ; Научная конференция молодых ученых «Актуальные проблемы медицины и фармации» (Курск, 1996 г.); 1-я Международная научно-техническая конференция « Медико-экологические информационные технологии - 98» (Курск, 1998 г.); VI -я Российская научно-техническая конференция «Материалы и упрочняющие технологии 98» (Курск, 1998 г.); 1-я

Всероссийская научно- техническая конференция «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Н. Новгород, 1999 г.); И-я Международная научно-техническая конференция «Медико-экологические информационные технологии - 99» (Курск, 1999 г.); V-я Всероссийская конференция «Нейрокомпьютеры и их применение» (Москва, 1999 г.); VII-й Всероссийский семинар «Нейроинформатика и ее приложения» (Красноярск, 1999 г.); 1-й Всесибирский конгресс женщин математиков (Красноярск, 2000 г.); 11-я Всероссийская научно- техническая конференция «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Н. ' Новгород, 2000 г.); VIII-й Всероссийский семинар «Нейроинформатика и ее приложения» (Красноярск, 2000 г.);

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 44 печатных работах, в том'числе в монографии, учебном пособии, журналах РАН - «Микроэлектроника», «Биофизика», Латв. АН - «Автоматика и вычислительная техника», Укр. АН - «Автоматика». Разработанные технические решения защищены двумя патентными документами.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 315 страницах машинописного текста, содержит 81 рисунок, 32 таблицы, список литературы из 176 наименований и приложения объемом в 38 страниц.

5.4. ВЫВОДЫ

1. Предложенные модели базисных элементов иерархических нейросетей предполагают простые схемные решения с -использованием как аналогоЧ вой, так и цифровой схемотехники.

2. Базисная однородность, регулярность межэлементных связей, простая система синхронизации сигналов, регулируемое число внешних выводов иерархических иейросетей положительно сказываются на возможности микроэлектронной реализации в виде СБИС.

3. Высокая функциональная гибкость структурной организации иерархических сетей определяет широкий класс микроэлектронных настраиваемых многофункциональных устройств, в том числе ПЛИС с прогнозируемыми скоростью перенастройки, временем решения, универсальностью и структурной сложностью.