KR950008839B1 - 멀티미디어 지식처리를 위한 병렬처리 컴퓨터구조 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

멀티미디어 지식처리를 위한 병렬처리 컴퓨터구조

제1도는 본 발명에 포함된 멀티미디어 지식처리를 위한 컴퓨터 시스템의 하드웨어 및 프로세서의 개념모델을 나타낸 도면.

제2도는 본 발명에 포함된 시스템의 하드웨어 및 프로세서 레벨에서 요구도는 동작의 종류들과 이를 지원하기 위한 아키텍쳐의 분류를 나타낸 도면.

제3도는 본 발명에 따라 설계된 전체 시스템.

본 발명은 체세대 컴퓨터 사용자의 요구에 부응하는 고급정보처리 컴퓨터나 지능형 컴퓨터의 기본시스템(platform)으로 사용될 수 있는 범용 독립 병렬처리 컴퓨터(SAP-MK : Stand-Alone Parallel processing system for the Multimedia and Knowledge processing)의 머쉰 아키텍쳐에 관한 것이다.

일반적으로, 컴퓨터가 지식처리를 수행하거나 인간이 사용하는 매체를 그대로(멀티미디어) 처리하기 위해서는 엄청나 처리속도를 요하게 된다.

왜냐하면, 컴퓨터는 추론 능력이 없으므로 데이타의 추론을 위해서는 방대한 분량의 데이타가 필요하며, 이러한 데이타의 실시간 처리를 위해서는 보통 단위시간당 수백메가의 데이타 처리능력이 필요하다.

흔히, 지식처리의 성능을 표현하는 단위로 LIPS(Logical Inference Per Sec)를 사용하는데, 처리하고자 하는 데이타 유형에 따라 큰 차이를 나타낸다.

예를들면, 불연속 음성이나 정지화상을 처리하거나 지식수집 검증 및 연역추론을 위해서는 약 100MLIPS의 처리속도가 필요하며, 연속 음성이나 동적화상을 처리하거나 지식정보관리 및 귀납추론을 위해서는 약 10GLIPS의 처리속도가 요구되는 것으로 알려져 있다.

상기와 같은 고속의 처리속도를 얻는 방법은 두가지가 있는데, 그 하나는 수퍼컴퓨터에서 사용하고 있는 방법으로써 일반 컴퓨터에서 사용하는 저속의 소자대신에 ECL이나 GaAs 같은 고속의 소자를 이용하고 복잡한 연산을 수행하는 빠른 하드웨어를 직접 구현하는 방법이고, 또다른 방법은 프로세서를 여러개 사용하여 병렬처리 시스템을 구현하는 방법이다.

전자의 방법으로는 가격이 엄청나게 비싸질 뿐만 아니라 얻을 수 있는 성능에도 엄연한 한계가 있다.

따라서 많은 컴퓨터 기술자들은 후자의 방법을 통하여 이를 실현하고자 하는 시도를 계속하고 있다.

특히, 시간이 지남에 따라 프로세서의 가격이 상대적으로 낮아져가고 있기 때문에 후자의 방법이 더 합리적인 방법으로 인식되고 있다.

병렬처리 시스템에는 여러가지 종류가 연구 개발되고 발전되어 왔는데 구현이 비교적 쉽기 때문에 많이 이용되고 있는 방법이 멀티 프로세서 시스템이다.

멀티 프로세서 시스템은 대체로 공유버스와 공유메모리를 이용하여 구현되고 있는데, 이 방식은 구현의 용이성이라는 장점은 있지만 공유버스/공유메모리에서의 병목현상 때문에 프로세서의 수를 크게 늘리 수 없다는 단점이 있다.

한편, 병렬처리 시스템중에서 하나의 프로세스나 한 사용자 또한 인간중심적인 차세대 고급정보 처리 컴퓨터나 지능형 컴퓨터에서 요구되는 추론 또는 처리속도를 얻기 위하여 병렬처리 시스템으로 구현하는 것을 불가피하다.

일반적으로 병렬처리 시스템의 구현에서는 가장 중요한 설계요소중의 하나가 주어진 태스크의 병렬에 따른 그래뉼레러티(granularity)레벨이다.

범용 컴퓨터에 대한 컴퓨터 사용자의 요구는 다양한 레벨의 그래뉼러티를 요구하기 때문에 많은 수의 노드 컴퓨터가 요구되는 태스크에 맞추어 구현된 시스템에서 적은 수의 노드컴퓨터가 요구되는 태스크의 수행시 노드 컴퓨터의 사용 효율이 저하되며, 그 반대의 경우는 병렬처리를 통한 고성능이 얻어지는 효과가 떨어진다.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 노드 컴퓨터의 적절한 동적 재구성(dynamicreconfigurability)기능만 제공된다면 멀티유저 환경을 제공하면서 노드 컴퓨터의 사용효율도 극대화시킬 수 있게하고 또한, 여태까지의 대부분 병렬처리 컴퓨터들이 백엔드(backend) 시스템으로 사용된데 반해 스탠드어론 형태의 병렬처리 컴퓨터를 구현시킬 수 있는 멀티미디어 지식처리를 위한 병렬처리 컴퓨터구조를 제공하는데 있다.

즉, 프로세서 병렬성의 극대화 및 태스크의 그래뉼래러티(granularity)에 관련된 문제를 해소하기 위하여 사용자에 의해 주어진 태스크에 대응하는 그래뉼레러티에 적합한 수의 컴퓨터테이션 유니트내 프로세서가 임의의 순간마다 해당 태스크에 적합하도록 가변적인 할당이 가능하기 위한 시스템을 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 멀티미디어 지식처리를 위한 병렬처리 컴퓨터 구조에 있어서, 멀티미디어 데이터 및 시스템에 의해 가공된 데이터를 파일형태로 저장하기 위한 복수개의 메세지 소토리지 유니트와, 외부의 다른 시스템 임 원격 사용자와 통신할 수 있도록 외부 네트워크와의 인터페이스를 제공하기 위한 소정갯수의 네트워크 인터페이스 유니트와, 범용 연산용 프로세서와 멀티미디어 프로세서 및 지식정보처리용 프로세서를 구비하고 각 내부프로세서간 통신기능을 가지며 임의의 할당신호에 의하여 데이타의 병렬처리가 가능한 복수개의 컴퓨테이션 유니트와, 현재 사용 가능한 컴퓨테이션 유니트의 수를 판단하고 사용자가 발생시킨 작업량에 대하여 최적의 병렬처리성을 유지시켜 주기 위해 상기 사용자와 사용가능한 소정갯수의 컴퓨테이션 유니트를 연결시켜주는 I/O 유니트 및 상기 유니트들의 상호 통신을 위해 채널을 제공하기 위한 유니트간 통신유니트를 포함하여 사용자에 의해 주어진 태스크에 대응하는 그래뉼레러티에 적합한 수의 컴퓨테이션 유니트내 프로세서가 임의의 순간마다 해당 태스크에 적합하도록 가변적인 할당을 통하여 스탠드 어론기능을 수행하는데 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 설명한다.

제1도는 본 발명에 다른 멀티미디어 지식처리를 위한 컴퓨터 시스템의 하드웨어 및 프로세서의 개념 모뎀을 나타낸 블럭 구성으로서,컴퓨테이션 유니트(computation unit)(사)와, 매스 스토리지(mass strorage)유니트(바), I/O유니트(라) 및 유니트간 통신(inter-unit communication)유니트(가) 등으로 구성되며, 이중 컴퓨테이션 유니트(사)는 SAP-MK가 수행하는 업무의 궁국적인 컴퓨테이션을 효과적으로 제공하는 유니트이다.

상기 SAP-MK는 고급정보처리를 주업무로 하며, 이는 구체적으로 멀티미디어 데이터 프로세싱 및 지식처리를 효과적으로 수행할 수있는 시스템을 의미한다.

따라서, SAP-MK의 컴퓨테이션 유니트는 멀티미디어 데이터 프로세싱 및 지식처리를 효과적으로 지원 할 수 있는 구조룰 가져야하며, 아울러 기존 시스템에서 제공하는 일반적인 범용 연산처리도 효과적으로 처리할 수 있는 구조를 가져야 한다.

또한, 컴퓨테이션 유니트(사)는 이들 프로세싱을 제공하기위한 심볼릭 프로세서, 멀티미디어 데이터 프로세서, 프로세서간 통신 컨트롤러, 메모리 및 메모리 컨트롤등을 포함하는 프로세싱 노드 컴퓨터와 효과적인 병렬처리를 제공하기 위한 프로세서간 통신 네트워크 등이 포함되어야 할 것이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 SAP-MK에서 요구하는 업무의 종류와 이를 제공하기 위한 하드웨어 아키텍처를 각 레벨별로 정의한 제2도를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

일반적으로, SAP-MK에서수행할 업무는 최상위 레벨에서 제2도의 (가)와 같이 "멀티미디어 지식정보처리(Multimedia Knowledge Informa-tion Processing)"와 이를 위한 "멀티미디어 지식기반 관리(multimedia Knowledge Base Management)"로 대표될 수 있으며, 따라서 이 레벨에서 고려되어야 하는 하드웨어 구조로는 제2도의 (나)와 같이 유니트간 통신 아키텍쳐(Inter-Unit Communicaiton Architecture)가 될 것이다.

상위레벨의 멀티미디어 지식정보처리 및 멀티미디어 지식기반 관리를 위하여 요구되는 세분화된 기본 동작들로는 제2도의 (다)와 같이 패턴매칭(pattern matching), 기하학적 변환(geometrical transformation), 데이타압축/복원(data compre-ssion/decompression), 추론(inference) 및 프로세스 동기(processsynchronization)등으로 요약될 수 있는데, 이러한 기본동작들을 수행하기 위하여 고려되어야 하는 하드웨어 구조로는 제2도의 (라)와 같이 노드 컴퓨터 아키텍쳐(Node ComputerArchitecture)와 프로세서간 통신 아키텍쳐(Inter-Process Communication Architecture)등이 될 것이다.

이르 위한 프로세서내부 연산에 속하는 하위레벨에서 처리하여야 하는 데이터의 종류로는 제2도의 (마)와 같이 여러자기 차원의 심볼릭 데이터, 부동소숫점/정수 데이터가 되며, 또한 이 레벨에서 일반적인 프로세서가 갖는 기본 동작의 수행이 포함된다. 따라서, 이를 위한 제2도의 (바)와 같이 프로세서 아키텍쳐가 제공하여야 한다.

첨부한 도면중 제1도와 제2도를 참조하여 상술한 SAP-MK DK의 개념모델과 요구사항들을 바탕으로 설계된 SAP-MK의 전체 모습은 제3도에 도시되어 있다.

첫째, 제3도의 (가)에 포함된 범용 병렬처리 시스템에서 노드 컴퓨터의 적절한 동적 재구성(dynamic reconfigurability) 기능만 제공된다면, 멀티유저 환경을 제공하면서 노드 컴퓨터의 상요효율도 극대화시킬 수 있다.

이는 또한 여태까지의 대부분의 병렬처리 컴퓨터들이 백엔드(backend) 시스템으로 사용된데 반해 스탠드어론 형태의 병렬처리 컴퓨터를 구현시킬 수 있는 좋은 기회를 제공하기도 한다.

둘째, 노드 컴퓨터의 형태 : 동질성(homogeneous)의 빌딩블록 구조 제3도의 (가)에 포함된 병렬처리 컴퓨터가 많은 수의 노드 컴퓨터를 포함하기 위해서는 패키징(packaging)과 속도(speed)를 고려하여 고집적화, 극소화하여야 하며, 또한 라우팅을 포함한 여러가지 컨트롤방식이 간단하여야 한다.

이를 구현하기 위하여서는 VLSI기술과 고도의 패키징 기술을 이용하여야 하는데, 이를 위해서 각각의 노드 컴퓨터는 동일한 모양의 빌딩블록 형태가 바람직하다.

이는 컨트롤방식이 간단하여 오우버헤드를 줄여줄 뿐 아니라 성능을 선형적으로 증가시킬 수 있는 계수성(scalability)를 제공하는데 매우 유리하다.

세째, 노드 컴퓨터간 통신(INC : Inter-Node Communication)토플로지(topology) : 제3도의 (나)에 나타낸 INC를 위한 네트워크 형태는 여러가지 종류가 있을 수 있고 각기 나름대로 장단점이 있다.

그러나 네트워크의 대역폭을 높이고 래이턴시(Iatency)를 최소화하기 위해서는 저차원의 네트워크가 가장 효율적이며 특히 노드 컴퓨터의 64-256이하일 경우는 2차원의 토폴로지가 우수하다고 알려져 있다.

또한 여러가지 토롤로지 종류중에서 메쉬(mesh)토롤로지가 다른 토폴로지에 비해 여러가지 장점을 제공하고 있다.

SAP-MK의 INC의 경우는궁극적으로 1K개 이상의 노드 컴퓨터를 목표로 하기 때문에 3-D메쉬 토폴로지를 선택하였다. 제3도의 (나)에 나타낸 INC네트워크는 주어진 태스크의 적합한 노드 컴퓨터를 동적으로 할당할 수 있도록 하여 (가)에 포함된 병렬처리 머쉰이 효율적인 스탠드어론 머쉰이 되도록 한다.

네째, 유니트간 통신(IUC:Inter-Unit Communication) : 제3도의 (나)에 나타낸 inc는 병렬처리를 위한 각 노드 컴퓨터들간의 통신을 제공하는 경로이지만, 이와는 별도로 제3도의 (다)와 같은 IUC네트워크를 독립적으로 구현하여, 다른 컴퓨터와 또는 LAN이다. ISDN과 같은 컴퓨터 통신용 네트워크와의 인터페이스를 제공하는 수단으로 하였다.

이렇게 함으로써 다른 특성을 갖는 INC(나)와 IUC(다)의 요구에 가장 적합한 통신경로를 제공할 수 있을 뿐 아니라 IUC를 위한 INC의 오우버헤드를 제거함으로써 병렬 처리 수행의 성능 극대화를 꾀할 수 있다.

다섯째, 노드 콤퓨터와 IUC네트워크의 연결 : 컴퓨테이션 유니트와 IUC(제3도의 (다)) 네트워크와의 연결을 위하여 I/O 노드를 구현하며, I/O노드는 컴퓨테이션 유니트의 하나의 노드 컴퓨터를 기본으로 필요한 I/O 기능을 추가하여 구현한다.

각 노드 컴퓨터를 고유모델 주문형(customized)VLSI로 구현할 경우 I/O노드는 "프레임워크(framework)"설계방식에 따라 요구되는 기능을 추가한다.

여섯째, 스토리지 유니티의 형태 : 제3도의 (라)에 나타낸 매스 스트로지 유니트는 "분산연결(distriuted-connected)"되어 있으면서 "전체저으로 액세스 가능한(globally-accessible)"구조를 갖는다.

이는 머쉰의 입장에서 외부 스토리지 전체가 하나의 영역에서 포함되는 것을 의미한다.

또한 필요에 따라 스토리지 유니트를 추가설치함으로써 스페이스를 확정시킬 수 있도록 확장성(expandability)를 제공한다.

일곱째, 사용자 인터페이스의 형태 : 사용자 인터페이스는 제3도(마)의 LAN이나 ISDN과같은 네트워크를 통해서 액세스하는 제3도(사)의 원격 사용자(Remote Users)와 시스템의 IUC를 통해 직접시스템을 액세스하는 제3도(바)의 로컬 사용자(Local Users)의 두형태로 구분 할 수 있다.

(사)의 원격 사용자의 경우에는 주어진 네트워크를 통해서 시스템의 네트워크 인터페이스 유니트에 의해 시스템을 액세스 할 수 있다.

한편(바)이 로컬 사용자의 경우에는 IUC(다)를 통해서 연결되며 스토리지 유니트와 마찬가지로 "분산연결"되어 있으면서 "전체적으로 액세스가능"하며 또한 단순히 사용자 터미널을 추가시킴으로써 사용자수를 늘릴 수 있도록 확장성이 제공된다.

여덟째, OS : OS는 각 노드 컴퓨터에 분산된 것을 기본으로 하며, I/O에 관련되거나 노드 컴퓨터 관리 및 진단(diagnostic)에 관련된 기능은 I/O노드에 상주시킨다.

아홉째, 노드 컴퓨터의 구조 : 제3도의 (아)에 나타낸 SAP-MK의 하나의 노드 컴퓨터는 기본적으로 여러개의 유니트를 포함하여 인스트럭션 셋(instruction et)레벨의 병렬성을 제공하는 수퍼스케일러(또는 수퍼 파이프라인등) 프로세서 형태가 되며, 여기에 포함되는 기능들로는 범용 연산기능, 멀티미디어 데이터 처리를 위한 기능, 지식처리를 위한 기능, 그리고 노드 컴퓨터간 통신 처리기능 등이 될 것이다.

PCU의 하나의 노드컴퓨터는 상용 프로세서들을 기준으로 이러한 기능들을 제공할 수 있도록 설계하였기 때문에, 하나의 노드 컴퓨터는 서로 다른 기능을 목적으로 하는 여러개의 프로세서들로 구성된 이질성(heterogeneous)다중 처리구조를 갖는다.

여기에는 시스템 소프트 웨어의 수행을 포함한 일반적인 범용 연산기능, 멀티미디어 데이터 처리를 위한 기능, 지식처리를 위한 기능, 그리고 노드 컴퓨터간 통신의 효율적인 수행을 위한 기능등이 포함된다.

이들 프로세서들은 적절한 로컬IPC(Inter-Porcessor Communi-cation)방식에 의해 서로 어룰려 하나의 노드 컴퓨터로써의 기능을 수행한다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 범용 병렬처리 시스템에서 노드컴퓨터의 적절한 동적 재구성 기능만 제공된다면 멀티유저환경을 제공하면서 노드 컴퓨터의 상용효율도 극대화 시킬 수 있고, 또한 여태까지의 병렬처리 컴퓨터들이 백엔드 시스템으로 사용된데 반해 스탠드어론 형태의 벙렬처리 컴퓨터를 구현시켜주는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 멀티미디어 지식처리를 위한 병렬처리 컴퓨터 구조에 있어서, 멀티미디어 데이터 및 시스템에 의해 가공된 데이터를 파일 형태로 저장하기 위한 복수개의 메세지 스토리지 유니트와 ; 외부의 다른 시스템 및 원격 사용자와 통신할 수 있도록 외부 네트워크와의 인터페이스를 제공하기 위한 소정갯수의 네트워크 인터페이스 유니트와 ; 범용 연산용 프로세서와 멀티미디어 프로세서 및 지식정보처리용 프로세서를 구비하고 각 내부프로세서간 통신기능을 가지며 임의의 할당신호에 의하여 데이터의 병렬처리가 가능한 복수개의 컴퓨테이션 유니트와 ; 현재 상용 가능한 컴퓨테이션 유니트의 수를 판단하고 사용자가 발생시킨 작업량에 대하여 최적의 병렬처리성을 유지시켜 주기 위해 상기 사용자와 사용가능한 소정갯수의 컴퓨테이션 유니트를 연결시켜주는 I/O 유니트 ; 및 상기 유니트들의 상호 통신을 위해 채널을 제공하기 위한 유니트간 통신유니트를 포함하여 사용자에 의해 주어진 태스크에 대응하는 그래뉼레러티에 적합한 수의 컴퓨테이션 유니트내 포르세서가 임의의 순간마다 해당 태스크에 적합하도록 가변적인 할당을 통하여 스탠드 어론기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 멀티미디어 지식처리를 위한 병렬처리 컴퓨터 구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 컴퓨테이션 유니트는 노드프로세서, 노드메모리, 프로세서간 통신제어기를 포함하여 구성되 다수의 노드 컴퓨터와 ; 상기 각 노드 컴퓨터간의 통신기능을 수행하기 위한 노드간 통신제어기로 구성되어 임의의 할당 제어신호 또는 병렬연결신호에 의하여 동작으로 데이타 처리를 위해 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 멀티미디어 지식처리를 위한 병렬처리 컴퓨터 구조.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 I/O 유니트는 데이터의 입출력을 제어하기 위한 I/O컨트롤러와 ; 입력된 데이터의 프리-프로세싱 및 출력될 데이터의 포스트-프로세싱을 수행하기 위한 멀티미디어 입출력프로세서로 구성되며 상용자의 작업용량에 적합한 갯수의 프로세싱 노드들을 병렬연결하기 위하여 상기 컴퓨테이션 유니트의 동적 병렬연결을 위한 제어신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 멀티미디어 지식처리를 위한 병렬처리 컴퓨터 구조.
4. 제1항에 있어서, 상기 네트워크 인터페이스 유니트는 멀티미디어 데이터를 주어진 네트워크 프로토콜에 따라 처리하기 위한 프로토콜 전용 프로세서와 ; 네트워크를 통해 데이터를 전송시 데이터를 임시 저장하기 위한 메모리와 ; 타 네트워크를 물리적으로 접속하기 위한 인터페이스 장치로 구성됨을 특징으로 하는 멀티미디어 지식처리를 위한 병렬 처리 컴퓨터 구조.
5. 제1항에 있어서, 상기 유니트간 통신 네트워크는 유니트간 통신을 제어하기 위한 유니트간 통신 토폴로지와 ; 주어진 유니트간 통신 네트워크와 라우팅 알고리즘에 따라 멀티미디어 지식데이터에 대한 유니트간 통신을 수행하기 위한 유니트간 통신전용 프로세서로 구성됨을 특징으로 하는 멀티미디어 지식처리를 위한 병렬처리 컴퓨터 구조.