并行处理技术及其在C3I系统中的应用

1、并行处理技术及其在C3I 系统中的应用?海军大连舰艇学院二系火控教研室王基组?摘要：本文阐述了并行处理技术的产生、基本思想、研究内容及其在第五代计算机中的地位；介绍了科学和工程计算中对大规模并行处理的需求科学和工程计算中十二个重大挑战。在并行处理技术必要性和重要性论述之后，探讨了并行处理技术与C 3I系统的关系；介绍了并行处理技术在国外C3I 系统中的应用；最后对并行处理技术及计算机系统在我海军C3I 系统中的应用前景进行了展望。?结论是：在当前的技术条件下，我们开展并行处理技术应用的研究不仅是装备发展的需要，同时在技术上也是可行的。?一、并行处理技术? 并行处理 (Parallel Proc

2、essing)? 的基本思想是：将常规由单处理器处理的任务分成个独立的子任务，然后用个处理器并行处理这个子任务，使得处理速度在理想条件下为串行处理的 N 倍，从而达到加快处理速度的目的。? 并行处理技术是在人们探索提高数字计算机数据处理速度过程中诞生的。随着硬件技术的发展， VLSI 技术出现后，人们发现：尽管计算机硬件速度已经提高了七个数量级，计算机数据处理速度在某些高速大计算量领域中如天气预报、VLSI 电路的计算机辅助设计、大型数据库的管理、犯罪控制、战略防御计划、人工智能、图象信号处理、语音信号处理等仍显不足。其原因是大多数计算机结构属于常规的冯·诺依曼(von Neuman

3、n) 型结构， ?即计算机是由单个处理器和一个大容量的存储器连接构成的。处理器接受来自存储器的顺序指令流，每一条指令都被译码、执行。运行结果返送到存储器。这一过程反复进行，直到所有的指令都被执行为止。这种计算机结构和运行方式存在的主要问题是：指令的串行执行是高速处理的一个主要瓶颈，因而计算机的运算能力受到一个基本限制。第二个问题是在许多典型的计算机中， 处理器与存储器是分开的， 它们由很长的通讯线连接起来。这样处理器 / 存储器的带宽就由与这些连线有关的RC时间常数所确定。 对大多数电路而言， 这一时间常数是相当大的，严重影响高速处理的实现。为了克服常规计算机结构的固有缺陷，人们产生了并行处理

4、的思想，形成了并行处理技术，并研究以并行处理技术为基础的新型计算机结构。我们可以说，并行处理技术是四十年来微电子学、印刷电路、高密封装、高级处理器、存储器系统、外围设备、通信信道、计算机语言进化、编译器尖端化、操作系统、程序设计环境和应用的挑战等学科研究和进步的综合结果。? 并行处理技术是近三十年来计算机科学和工程领域中的重点研究课题。其研究内容包括并行操作系统的设计和研制、并行算法设计与实现、并行计算机结构设计、并行处理语言设计、并行编译器设计、并行接口和并行计算机网设计等。并行处理技术的核心就是在计算过程的各阶段中实现最大的并行化，即在算法设计阶段、程序设计阶段、编译阶段以及运行阶段实现并

5、行化。因此，需要一个理想的并行编程环境，实现并行编程语言、编译器以及并行开发工具与机器的硬件结构独立，从而方便并行计算机的开发和使用。? 并行处理技术是第五代计算机即智能计算机的关键技术之一。并行处理是第五代计算机的一个显著特点。我们知道， 第五代计算机主要是以VSLI 为硬件基础， 它能在一定程度上模仿人的思维和记忆，具有推理、学习和联想的功能；它可以使用数字、符号、图形、图象以及人类的自然语言，运用存储的知识去解决实际问题。第五代计算机的处理速度要比常规计算机高一千倍，能做每秒一亿次到十亿次逻辑推理操作，相当于现代计算机的每秒一百亿次至一千亿次的逻辑操作。第五代计算机的存储容量可达一百亿至

6、一千亿字节。因此，第五代计算机的处理方式不能采用传统的串行处理，而采用分布式并行处理。? 目前，并行处理研究的一个重要方向是大规模并行处理技术及计算机系统。大规模并行处理的定义是随时间发展而变化的。就当前的技术水平而言，任何含有成百上千个处理器的并行处理计算机系统都可以认为是大规模并行处理系统。随着计算机技术的发展，大规模并行处理系统的并行度将逐步提高。大规模并行处理是解决人类在科学和工程领域中所面临的重大挑战问题的唯一途径。美国在高性能计算机和通信计划中列举了十二个重大挑战问题，它们分别是：?、磁记录技术。磁记录工业将依靠使用计算机去研究静磁性和磁交换相互作用，以便减小磁盘上的金属镀膜的噪声

7、。?、合理的药物设计。使用计算机辅助癌症和爱滋病治疗的研究，找到治这两种顽症的药物。目前使用高性能计算机已鉴别出阻止HIV 病毒蛋白酶作用的新的潜在剂。?、高速运输。在超级计算机上求解流体动力学方程，研究超音速的民用运输机。?、催化剂研究。利用高性能计算机设计化学反应催化剂，用于许多由酶催化控制的生物学过程。为了减少催化剂设计及其性能优化的时间，需要进行大规模并行量子模型的仿真计算。?、燃料燃烧。使用计算机进行化学动力学计算，设计出更好的发动机模型，提高燃料的燃烧效率。?、海洋建模。海洋精确建模和仿真离不开大规模并行计算系统。通过对海洋运动过程和海洋与气流的热交换过程的大规模仿真，掌握海洋运动

8、规律和全球气候的变化规律。?、臭氧层衰竭研究。该研究需要使用计算机分析臭氧层衰竭过程中复杂的化学和动力学机理。?、数字解剖学。使用计算机进行实时临床造影、层面X 线照相和磁共振造影。?、空气污染。在超级计算机上运行空气质量仿真模型，以期对大气系统有进一步的了解。?、蛋白质结构设计。利用高性能计算机系统进行计算仿真，对蛋白质形成的三维结构进行研究。?、图象理解。使用大型超级计算机实时产生复制的图象或动画。?、联系研究与教育的技术。利用计算机在非齐次网络上的仿真，辅助科学与工程的教育。?以上诸方面的研究要求计算机的运算速度在每秒百亿次至千亿次以上，存储容量在千亿字节至万亿字节。显然，这是常规计算机

9、无法达到的性能要求。?二、并行处理技术与C3I 系统? C3I 系统是一个集指挥、 控制、 ?通信和情报功能于一身的高度自动化综合性军事系统。它是“军事力量的倍增器”和“军事体系中各种要素的粘合剂”。在未来的陆、海、空、宇宙空间和电磁空间的五维立体战中， C3I? 系统将处于举足轻重的地位。它是国家威慑力量重要组成部分，是现代化国防的神经中枢。? C3I 系统一般由四个基本部分组成：情报信息收集子系统，包括各种雷达、?声电子侦察装置、卫导通信设备、数据链、光电监视器和跟踪器等；显示子系统，包括显示控制台和大屏幕显示器以及各种显示装置；通信子系统，由各种有线或无线通信设备组成；计算机子系统，包括

10、计算机系统和计算机硬件、软件和外部设备。其主要功能是情报收集处理，目标威胁判断，拟定作战指挥方案，通过通信联络，执行导航、制导、武器控制等作战任务。可见，信息收集和处理是C3I 系统的基础。所以我们说，C3I 系统是一个复杂的高级信息处理和信息传输系统。 并且， ?随着高科技在军事领域中的应用，武器系统的尖端化，战场情况的复杂化， 作战手段和样式的多样化， 现代战争对 C3I 系统的功能要求将愈来愈高。为了完成现代战争赋予 C3I 系统的使命任务，并行处理技术在C3I 系统中的应用将是技术实现的必然。例如在目标搜索方面，现代 C3I 系统都配备有多功能的相控阵雷达，实现对高速、 ?多方位、多批

11、次目标的探测、识别和跟踪。相控阵雷达是通过使用计算机实现雷达天线波束在百分之一秒内改变指向，并且可以形成多个不同的波束，以不同的方式同时跟踪多批目标。它对计算机的处理速度要求非常高，如要做超高分辨率的处理，空间谱分析，计算机的处理速度要求大于每秒亿次运算。若时空两维处理，计算机的处理速度必须大于每秒亿次浮点运算。如此之高的处理速度将令传统的计算机望洋兴叹，我们只能求助于并行处理技术。还有，拖曳阵声纳信号处理对计算机的处理速度要求也是如此之高。这些仅仅是并行处理技术在搜索器材信号处理中应用的例子，更不用说去完成多目标的航迹处理、威胁判断、拟定作战方案、导航、制导和武器控制等一系列的实时信号处理了

12、。可以说，没有信号的高速处理，就不可能实现高性能的、满足现代战争需要的C3I 系统。?三、并行处理技术在C3I 系统中的应用?（一）国外应用情况? 并行处理技术及并行计算机系统在军事领域中的应用是高技术在军事上应用的典型事例。已引起世界上不少国家，尤其是发达国家的高度重视。日本政府几年前已把大规模并行计算技术列为国家九十年代重点的重点。美国国防部已把并行计算列为军事应用的关键技术。在 C3I 系统中采用并行处理技术是国外海军 C3I 系统的发展策略之一。 他们非常重视这项新技术的应用。美国海军助理部长梅尔文·佩斯利在 1982 年发表谈话时说： “我曾致力于使全部先进的现代电子技术都

13、应用于海军 C3I 系统的设备中” 。这种指导思想导致美国成为在海军 C3I 系统中应用新技术的先驱国家。并行处理技术及并行计算机在美国的军事应用主要体现在以下九个方面。?、潜艇超视距瞄准。?、多普勒雷达、合成孔径雷达和相控阵雷达数据处理。?、图象信号处理。?、敌我识别。?、 C3I 作战模拟。?、通信情报。?、雷场探测。?、数据 / 图象合成。?、电子战及雷达告警。?这些系统原来采用小型机进行数据处理。采用并行机后处理速度明显提高。美国已开始用大规模并行机对侦察卫星和气象卫星拍摄的照片作计算机图象增强处理，并在战略防御计划中利用大规模并行机进行多目标跟踪与识别的计算机模拟。?美国桑地亚 (S

14、andia) 国家实验室研制的超立方体结构大规模并行机1992 年在美国海军系统中心进行声纳信号处理试验。运算速度比普通的小型机快一千倍。将大规模并行机用于水面作战训练系统的计划几年前就开始实施了。该系统可模拟雷达、敌我识别、干扰等各种辐射源的电磁信号，以及预警、 武器部署等情况，构成一幅海军战斗群的整个作战场景。? 在舰载作战系统中，美国采用了 UYS-2 并行信号处理机。 UYS-2 是使用高技术的现代新型信号处理机， 用于美国的反潜系统中。 一些美国人把 UYS-2?说成是美国海军反潜战的一把利刀。 UYS-2 将替代美海军标准的声处理器UYS-1，计划用于以下几方面：SQQ-89 舰载

15、航空综合反潜系统；P-3C Update IV陆基反潜机航空电子系统和P-7A 大型远程机载反潜系统； LAMPSMKIII 直升机反潜系统；SURTASS(?拖曳阵警戒声纳系统) ，装备美海军的TAGOS海洋警戒船，用于海洋反潜预警；BSY-2 潜艇综合作战系统。美海军还计划把UYS-2 用于各种机载、舰载和岸基雷达的信号处理。1992 年已交付GE公司水下分公司台UYS-2 处理器，用于BSY-2 潜艇综合作战系统。BSY-2将安装在海狼级新型攻击型核潜艇。每艘将装六台UYS-2 处理机。? 英国道梯赛马公司研制的水面舰艇指挥系统(SSCS)和潜艇指挥系统 (SMCS)中的专用快速任务由晶

16、片机(Transputer)完成。在 SMCS系统中就由128 个 ?Transputer构成两个公共服务节点，每个节点上含有八块处理机插件板，每个插件板上含有八个Transputer。这样运算速度可达每秒五千万次八位浮点运算，从而使SMCS系统的处理能力是目前服役系统的20 倍。Transputer是由英国Inmos? 公司于八十年代中期推出的，与其一起推出的还有OCCAM语言，它是专门为Transputer?研制的并行处理语言。它和Transputer配合使用，将对并行处理系统的发展产生深远的影响。?（二）并行处理技术及并行计算机系统在我海军应用前景展望? 基于并行处理技术在第五代计算机中

17、的地位和应用、 并行处理技术和 C3I? 系统的关系以及并行处理技术在国外的应用情况，可以预见：并行处理技术将在我海军建设中发挥其不可替代的作用，应用前景广阔。综合起来说，可分成以下几个方面。?、雷达信号处理。可用于多普勒雷达、合成孔径雷达和相控阵雷达数据处理。?、声纳信号处理。?、敌我识别。?、图象信号处理。?、语音信号处理。?、数据 / 图象合成。?、多目标航迹处理。?、武器控制。?、电子战及雷达告警。可作完整的衡虚警率及多普勒的单脉冲运算和脉冲串运算。即使是被动电子战系统，利用并行机同样也可快速确定脉冲频率和连续频率、频率强度、发射机方位。特性、电磁波到达时间和到达角度等参数。?、各种计

18、算机辅助训练系统(CAI-ComputerAided Instruction)。 CAI 系统是将人的视觉系统、听觉系统与计算机生成的图象与音响交织在一起，这些经过适当科学组织的音象，在短时间内，将给受训人员传达大量的信息，并且随着受训人员的反应，CAI系统不断变换音象效果，CAI 系统的作用具有一种虚拟的真实性(VR) 。一幅典型的VR景物图形，需要每秒千万次浮点运算的计算机才能生成。要实时产生具有立体电影那种真实感的效果，要求计算机的速度达到每秒万亿次的浮点运算。如此高的处理速度只有采用并行处理才能方便地实现。? 当前，在目标定位和跟踪以及武器控制中，还存在一些急待解决的老大难问题，如目标运动假设的确定、量测误差统计特性的在线分析以及观察时间的在线确定等。我们认为，有些问题可通过采用并行处理技术得到解决。?四、结束语? 尽管并行处理技术是一门高新技术，它的研究和应用已有近三十年的历史了。其研究成果累累，论文资料丰富，应用广泛，效益显著。最近我国计算机高技术领域传来捷报，我国“曙光1000”大规模并行计算机系统研制成功。因此，在目前的技术条件下谈并行处理技术的应用，已不是“科学幻想”，