مفهوم محاسبات با قابلیت پيکربندی مجدد

مفهوم محاسبات با قابلیت پيکربندی مجدد از اوایل دهه 60 میلادی پديدار شد. موقعی که مقاله جرالد استرين مفهوم يک کامپيوتر ساخته شده از يک پردازنده استاندارد و آرايه­ای از سخت افزار قابل پيکربندی مجدد را پيشنهاد کرد. پردازنده اصلی، عملکرد سخت افزار قابل پيکربندی مجدد را کنترل می­کند. در نتيجه، اين سخت افزار با قابلیت پيکربندی مجدد، برای انجام هر کاری مناسب خواهد بود. برای مثال می­توان کارهايی نظير پردازش تصوير، الگوریتم عصبی و تطبيق الگو را با سرعت بالايی انجام داد. به محض اتمام یک کار، سخت افزار[1] می­تواند برای انجام کار جديد پيکربندی مجدد[2] شود. چنين خاصيتی با ترکيب انعطاف پذيری يک نرم افزار[3] و سرعت يک سخت افزار، در يک ساختار ترکيبی امکان پذیر شده است. در ضمن، چنين ايده­ای در زمان پيدايش، بسيار جلوتر از تکنولوژی ساخت سخت افزار مورد نيازش بود.

در دهه اخير، تحقيقات زیادی درباره معماری­های با قابلیت پيکربندی مجدد بوجود آمده است. اين معماری­ها هم در دانشگاه­ها و هم در صنعت توسعه یافته­اند. این معماری­ها در دسته­های زیر قرار می­گیرند:

  • Matrix
  • Gorp
  • Elixent
  • XPP
  • Silicon Hive
  • Montium
  • Pleiades Morphosys
  • PiCOGA

علت عملی بودن چنين طرحهايی، پيشرفت مداوم فنآوری سيليکونی بوده که پياده سازی[4] طرح­های پيچيده را روی يک تراشه امکان پذیر ساخته است.

اولين مدل تجاری کامپيوتر با قابلیت پيکربندی مجدد در جهان به نام Algotronix CHS 2*4 در سال 1991 ارائه شد. اين طرح به هیچ عنوان موفقيت تجاری نداشت، اما آنقدر اميدبخش بود که شرکت Xilinx (مخترع FPGA) تکنولوژی را خريد و محققان Algotronix را به خدمت گرفت.

هم اکنون تعدادی شرکت فروشنده کامپيوترهای با قابلیت پيکربندی مجدد وجود دارند که بازار کامپيوترهای با کارايی بالا را در بر گرفته­اند. مهمترین اين شرکت­هاSRC Computers ، SGL و Cray       می­باشند. شرکت ابر رايانه­ای Cray بستر محاسبات قابل پيکربندی مجدد SRC را به دست آورد و آن را به عنوان XD1 به فروش می­رساند. SGI رايانه RASC را همراه با سری ابر رايانه­های Altix به فروش         می­رساند. شرکتSRC Computers  يک خانواده از رايانه­های قابل پيکربندی مجدد را توسعه داده است. اين خانواده بر اساس معماری ضمنی و پردازنده MAP می­باشد.

تمام آنچه که گفته شد رايانه­های هيبريدی هستند، که اين رايانه­ها با ريزپردازنده­های FPGA همراه شده­اند و با آن ساخته می­شوند. FPGA ها توسط کاربر برنامه­ريزی می­شوند. اين سيستم­ها می­توانند به عنوان ابر رايانه­هایی با سرعت بالا با استفاده از FPGA ها به کاربرده شوند. (در حقيقت FPGA ها گزينه ای در XD1 و SGIRASC هستند). پيکربندی XD1 و SGIFPGA از طريق زبانهای توصيف سخت افزار (HDL) صورت می­گیرد. با به کارگيری زبانهای سطح بالايی نظير ابزار گرافيکی Star Bridge Viva يا زبانهايی مانند C مثل Handel-C از Celoxica و Lmpulse-C از Impulse Accelerated technologies ياMitrpn-C  از Mitrionics و همچنین VHDL و Verilog نیز می­توان پيکربندی را انجام داد. توسعه کد نویسی منطقی يک FPGA خام، يک فرآيند پيچيده است که نيازمند دانش و ابزار تخصصی است.

SRC کامپايلری را ساخته است که زبان سطح بالايی مثل C يا Fortran را به عنوان ورودی می­گیرد و با تغييراتی اندک، آنها را برای اجرا و پیاده­سازی روی [5]FPGA در ريزپردازنده، کامپايل می­کند. بعضی از الگوريتم­های کاربردی با زبانهای سطح بالا همانند C و Fortran نوشته می­شوند. کامپايلر (Carte)، حداکثر موازی سازی را در کد انجام می­دهد و منطق سخت افزار خط لوله­ای را توليد می­کند که در MAP ها مقداردهی شده­اند. همچنين اين کامپايلر تمام کدهای واسطی که برای مديريت انتقال داده در داخل و خارج MAP نياز است را توليد می­کنند. اين کدهای واسط، وظيفه هماهنگ سازی ريزپردازنده با منطق در حال اجرا در MAP را دارند.

XD1 بين ريزپردازنده و FPGA به وسيله شبکه اتصال داخلی Rapid Array اش ارتباط برقرار می­کند. سيستم­های SRC از طريق حافظه واسط SNAP و يا سويچ اختياری Hi-Bear ارتباط برقرار می­کنند.  دسته­بندی معماری­های با قابلیت پيکربندی مجدد روز به روز بیشتر توسعه می­يابند. اين به دليل عرضه شدن معماری­های جديد و به روز می­باشد (Azambuja 2011, 161-166).

FPGA ها آی­سی­هايی هستند که شکل سخت‌افزاری آنها می­تواند به راحتی، به شکل جدیدی تعريف شود. يعنی با بارگذاری يک پيکربندی جديد درست همانند نرم‌افزار جديدی که می­تواند بر روی يک ريزپردازنده يا DSP بارگذاری شود، نگاشت داده می­شود. پردازش و الگوريتم­های فشرده FPGA ها می­تواند             آی­سی­های متمايز شده به وسيله کاربرد ASIC را حاصل سازد. محققان در سراسر دنیا، به دنبال داشتن ابر رايانه و آی سی­هایی با بازدهی بالا و انعطاف پذير هستند، که از اجزا سخت افزاری قابل برنامه­ريزی مجدد برای هر کاربرد تشکیل می­شوند. در نتيجه، چندین برابر، کارآيی را در پردازنده­هايی که با طول دستور ثابت کار می­کنند، افزايش می­دهد (Boyer and strother moore 2012, 181-189).

دو نسخه آرايه انقباضی Spalsh در SRC ساخته شدند. مدار اصلی Spalsh در سال 1989 با قيمت 13000 دلار ساخته شد که می­توانست از ابر رايانه موجود در آن زمان به نامCray 2  برای کاربردهای تطبيق الگوی بيتی پيشی بگيرد. اين سيستم حاوی 32 عدد FPGA از سری 3090 شرکت Xilinx بود که به صورت يک آرايه خطی متصل شده بودند. FPGA های مجاور از يک بافر حافظه­ای اشتراکی استفاده می­کردند.

بعد از آن، Splash 1 معرفی شد که می­توانست مقايسه يک رشته ی DNA را 45 برابر سرعت يک ايستگاه کاری با کارآيی بالا را در دهه 1990 انجام دهد. سه سال بعد Splash 2 ساخته شد که تعداد FPGA های خود را به 16 عدد کاهش داده بود. با اين وجود به خاطر رشد سريع تراکم در FPGA، Splash 2 با 16 عدد FPGA مدل 4010 از شرکت Xilinx، دو برابر عملیات منطقی بيشتر از Splash 1 داشت. برای بهبود انعطاف ارتباطات داخلی Splash 2، ارتباط داخلی خطی را به وسيله يک ميله عرضی تقويت کردند که اجازه می­داد که هر FPGA با FPGA ديگری ارتباط برقرار کند.

در سال­های بين 1987 تا 1990 رايانه قابل پيکربندی مجدد Splash توسط مرکز تحقيقات ابر رايانه­ای SRC توسعه يافت. اين رايانه در طرح شماتيکی برنامه­نويسی شده بود. سخت افزار فوق­العاده و سرعت بالایی داشت. اما با وجود تمام اين مزايا برنامه نويسی آن بسیار مشکل بود. در نتيجه، تعداد برنامه­های کاربردی آن محدود بود.

Splash 2 دارای زبان شبيه سازی VHDL بود و همانند مدل پيشين دارای سخت افزار بسيار خوبی بود، برنامه­ريزی آن غير استاندارد بود اما دارای قابليت برنامه نويسی خوبی بود. از 1986 تا 1995 حافظه‌های فعال قابل برنامه ريزی (PAMETTe , PAM) توسط شرکت فرانسوی DEC Paris معرفی شدند. برنامه نويسي اين نوع حافظه ها در زبان C++ بود اما همان عيب Splash را داشتند يعنی سخت افزار خوبی داشتند اما برنامه­های کاربردی پشتيبانی شده توسط آنان محدود بود. در شکل 1-1 روند كلي تكامل سيستم‌هاي قابل پيكربندي مجدد را مشاهده می­کنید.

 

جدول 1-1. روند كلي تكامل سيستم‌هاي قابل پيكربندي مجدد

PAM و X30xx 1989 تا 1991
SPLASH و X40xx 1991 تا 1993
PRISM و DISC 1993 تا 1995
MATRIX و X6200 1995 تا 1997
CVH، RAW و FPGA 1997 تا 2014

 

 

 

 

[1] Hardware

[2] Reconfiguration

[3] Software

[4] Implementation

[5] Field Progrrammable Gate Array

بازده سیستم‌های الکترومکانیکی

با افزایش دقت و تمرکز بیشتر، بر روی بازده سیستم‌های الکترومکانیکی از قبیل تولید برق از طریق انرژی­های جایگزین و وسایل نقلیه الکتریکی همچنین با پیشرفت علم مواد در دهه­های اخیر، ماشین­های آهنربایی دائمی  (PMMs)بیشتر مورداستفاده قرار می­گیرند، مخصوصاً در زمینه­های تبدیلات توان الکترومکانیکی.درواقع در سال 1983با کشف آهنربای دائمی خاک کمیاب، ماشین­های آهنربایی دائمی (PM) به‌طور چشم­گیری گسترش یافتند. یکی از کاربردهای این ماشین‌ها در کوپل مستقیم می­باشد. کوپل مستقیم به راه‌اندازی و اتصال مستقیم ماشین به بار، بدون استفاده از گیربکس می­گویند.

ماشین­های  PMبا کوپل مستقیم، بیشتر برای استفاده در توربین‌های بادی موردتوجه قرار می­گیرد. این ماشین­های آهنربایی دائمی می­توانند هم از طریق مسیر عبور شار مغناطیسی وهم ساختار دسته‌بندی شوند. با توجه به اینکه امروزه استفاده از انرژی­های تجدید پذیر و پاک، در دستور اجرای جوامع جهانی قرارگرفته و به­عنوان یک موضوع بسیار حیاتی و مهم مطرح‌شده است. عوامل زیست‌محیطی از قبیل آلودگی­ هوا و گرمای روزافزون کره زمین با استفاده از سوخت­های آلاینده از مهم‌ترین دلایل استفاده از انرژی­های تجدید پذیر بشمار می­روند. یکی از بسترهای مناسب و پرکاربرد از انرژی­های تجدید پذیر که بسیار موردتوجه قرارگرفته است انرژی باد است. استفاده از انرژی باد بخصوص در مناطق بادخیز علاوه بر صرفه‌جویی اقتصادی، افزایش کیفیت توان تحویلی را نیز در پی خواهد داشت. سیستم تولید توان الکتریکی از انرژی باد به چهار قسمت اصلی: 1) توربین بادی؛ 2) مولد الکتریکی؛ 3) ادوات الکترونیک قدرت و 4) سیستم­های کنترلی، تقسیم می­شود، که با افزایش روزافزون این صنعت و پیشرفت فنّاوری، پیشرفت­های زیادی در تمامی این قسمت­ها انجام‌گرفته و ادوات مختلف الکترونیک قدرت؛ مولدهای متفاوت و سیستم­های کنترلی متفاوت ارائه‌شده است. برای مثال با پیشرفت علم مواد و خودنمایی مجدد ماشین­های آهنربای دائم، استفاده از انرژی باد در سرعت­های متفاوت باد، بدون جعبه‌دنده بسیار موردتوجه قرارگرفته است. برای حذف جعبه‌دنده استفاده از ماشین­های آهنربای دائم و استفاده از ادوات الکترونیک قدرت پیشنهادشده است. بنابراین مطالعه­ی سیستم­های تولید توان الکتریکی از انرژی باد بر پایه­ی مولد­های با تحریک آهنربای دائمی از دیدهای متفاوت ضروری می­باشد. درزمینه­ی مولد می­توان به استفاده از [1] و [2] اشاره شود که در سیستم­های تولید انرژی الکتریکی از نیروی باد بر اساس آهنربای دائم مورداستفاده قرارگرفته‌اند. در زمینه ادوات الکترونیک قدرت، پیشنهادهای متفاوت‌تر با ویژگی­های منحصربه‌فرد بیشتری ارائه گردیده است که معمول­ترین آن‌ها، استفاده از یک مبدل بوست و اینورتر منبع ولتاژی می­باشد. باوجود مطالعه در زمینه­های متفاوت ماشین­های شار شعاعی (RFPM)، شار محور (AFPM) و شارمتقاطع(TFPM[3])، غالباً به ساختار ماشین و بررسی ساختارهای متفاوت با تحلیل  اجزای محدود سه‌بعدی پرداخته‌شده است و مطالعات دینامیکی آن‌ها کمتر موردبررسی قرارگرفته است. باوجوداینکه، اصول کلی طراحی ماشین­های شارمتقاطع با همتای استوانه­ای آن، که دارای توزیع شار شعاعی و همین‌طور ماشین­های شار محور، مشابه می­باشد، تفاوت در ساختار این ماشین‌ها در عملکرد دینامیکی آن‌ها به‌شدت مؤثر است. چراکه این تفاوت­ها مدل­های ریاضی را دستخوش تغییر می‌کنند. با توجه به اینکه مولدهای آهنربای دائمی شارمتقاطع با امکان ایجاد تعداد قطب­های زیاد و گشتاور بالا در سرعت­های باد پایین بخصوص در توربین­های بادی بسیار مناسب است. مطالعات بر روی سیستم توربین بادی سرعت متغیر بر پایه مولد شارمتقاطع صورت نگرفته است. ازاین‌رو، هدف اصلی این پایان­نامه مدل‌سازی سه‌بعدی اجزای محدود یک نمونه مولد شارمتقاطع و تجزیه‌وتحلیل آن در دو حوزه ایستا و گذرای مغناطیسی می­باشد، تا بدین‌وسیله پارامترهای موردنظر برای ایجاد یک مدل دینامیکی برای مولد شارمتقاطع به­منظور استفاده در سیستم توربین بادی سرعت متغیر استخراج شود و سیستم توربین-مولد پیشنهادی ارائه شود. از سوی دیگر با توجه به اهمیت ادوات الکترونیک قدرت در تحویل توان الکتریکی به شبکه ( رابط بین توربین باد و شبکه)، پیشنهاد استفاده از شبکه Y-Source در سیستم­های توربین بادی سرعت متغیر بر پایه­ی ماشین­های آهنربای دائم، در نقش مبدل الکترونیک قدرت ارائه‌شده است.

این پایان‌نامه با در نظر گرفتن موارد یادشده در پی نیل به اهداف موردنظر به‌صورت زیر نگارش شده است.

در شروع، ابتدا به بررسی ساختار ماشین­های آهنربای دائم شارمتقاطع و مبدل­های منبع امپدانسی پرداخته‌شده و تحولات ایجادشده در این زمینه­ها مرور خواهد شد. ملاحظات طراحی هندسی و الکترومغناطیسی ماشین­های شارمتقاطع  در همین فصل توضیح داده خواهد شد. در فصل سوم، ابتدا مدل سه‌بعدی اجزای محدود از یک مولد سنکرون آهنربای شارمتقاطع جهت استخراج پارامترهای مولد، توسعه داده خواهد شد. نظر به اهمیت مدل دینامیکی در تحلیل عملکرد سیستمی ماشین، به مدل‌سازی و شبیه‌سازی دینامیکی مولد سنکرون آهنربای دائم شارمتقاطع پرداخته می­شود. بر اساس مولد شبیه‌سازی‌شده، به بررسی سیستم توربین بادی برای نیروگاه بادی مقیاس کوچک پرداخته‌شده است. سپس به­منظور تحویل توان با تلفات کم و کیفیت بالاتر به معرفی مبدل شبکه امپدانسی جدید Y-Source پرداخته و سپس در بخش انتهایی این بخش سیستم تولید توان الکتریکی از انرژی باد با سرعت متغیر بر پایه مولد آهنربای دائم بر اساس این مبدل  پیشنهادشده و به شبیه‌سازی آن پرداخته‌شده است. فصل چهارم به ارائه نتایج مدل‌سازی‌ها و شبیه­سازی­های مربوط به سیستم­ پیشنهاد فصل سوم مربوط می­شود که به بررسی صحت مدل دینامیکی ارائه‌شده برای مولد موردنظر، عملکرد آن در حالت متصل به توربین بادی، سیستم کنترلی  و سایر اجزا می­پردازد. در بخش انتهایی این فصل نیز به بررسی سیستم پیشنهادی بر اساس مبدل Y-Source پرداخته و نتایج آن ارائه است. در آخر به جمع‌بندی پژوهش پرداخته و پیشنهاد‌هایی را ارائه کرده است. بلوک­های شبیه‌سازی‌شده در پیوست ارائه گردیده است.

 

[1]  Radial flux permanent magnet generators

[2] Axial flux permanent magnet generators

[3] Transverse flux permanent magnet generators