ПЕРСПЕКТИВНАЯ АРХИТЕКТУРА ЦИФРОВОЙ ФОТОННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

  • И.И. Левин НИЦ супер-ЭВМ и нейрокомпьютеров
  • Д. А. Сорокин НИЦ супер-ЭВМ и нейрокомпьютеров
  • А. В. Касаркин НИЦ супер-ЭВМ и нейрокомпьютеров
Ключевые слова: Цифровая фотонная вычислительная машина, суперкомпьютеры, архитектура ЦФВМ, структурная парадигма вычислений

Аннотация

Высокоэффективное решение современных трудоёмких задач математической фи-
зики требует постоянного наращивания производительности используемых вычислитель-
ных средств. Однако в настоящее время развитие их элементной базы замедляется в силу
ограничений, накладываемых технологическими, производственными и эксплуатационными
процессами. Один из вариантов преодоления кризиса роста производительности вычисли-
тельной техники заключается в развитии цифровых фотонных вычислительных машин
(ЦФВМ). Предлагаемая авторами архитектура ЦФВМ состоит из функциональной под-
системы, подсистем синхронизации и коммутации потоков данных и фотонно-
электронных интерфейсов обмена данными с внешними устройствами. Изложены принци-
пы работы каждой подсистемы. Функциональная подсистема представляет собой сово-
купность устройств ЦФВМ, обеспечивающих выполнение арифметико-логических опера-
ций в формате 64-разрядной плавающей запятой стандарта IEEE754 и реализованных по
схеме линейного конвейера с обработкой младшими разрядами вперёд. Подсистема син-
хронизации обеспечивает единый темп потоков данных между различными функциональ-
ными устройствами ЦФВМ, объединёнными в вычислительную структуру. Подсистема
коммутации на этапе программирования ЦФВМ или в процессе решения задачи при выпол-
нении условных переходов управляет потоками данных в соответствии с топологией вы-
числительной структуры. Для обмена данными ЦФВМ с внешними устройствами предла-
гается применение технологии сериализации низкочастотных параллельных каналов и де-
сериализации высокочастотных последовательных каналов. Приведены теоретические
оценки производительности реализуемых на ЦФВМ вычислительных структур, подобных
структурам, возникающим в задачах математической физики при обработке специальных
матриц. Показано, что ЦФВМ за счёт величины тактовой частоты работы способны
обеспечить производительность на два и боле десятичных порядка больше по сравнению с
микроэлектронными устройствами.

Литература

1. Chernyak L. Zakon Amdala i budushchee mnogoyadernykh protsessorov [Amdahl's Law and
the future of multicore processors], Otkrytye sistemy [Open Systems]. SUBD, 2009, No. 04.
Available at: https://www.osp.ru/os/2009/04/9288815/ (accessed 31 October 2022).
2. Bérut Antoine. Information and Thermodynamics: Exper mental Ver f cat on of Landauer’s
Principle Linking Information and Thermodynamics. Available at: https://arxiv.org/pdf/
1503.06537.pdf (accessed 28 October 2022).
3. 10 let do 10 nm: zakon Mura vse eshche rabotaet [10 years to 10 nm: Moore's law still works],
PCNews, 12.07.2008. Available at: http://pcnews.ru/news/10-channalweb-intel-pat-gelsinger-100-
tsmc-45-2009-1965-33-1971-1978-1989-1997-25-2005-65-pentium-233904.html (accessed 28 October
2022).
4. Cerofolini C.F., Mascolo D. Hybrid Route From CMOS to Nano and Molecular Electronics,
Nanotechnology for electronic materials and devices. Springer Science+Business Media, LLC,
2007, pp. 1-65.
5. Stepanenko S.A. Fotonnyy komp'yuter: struktura i algoritmy, otsenki parametrov [Photonic computer:
structure and algorithms, parameter estimates], Fotonika [Photonics], 2017, No. 7 / 67.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.67.7.72.83.
6. Stepanenko S.A. Fotonnaya vychislitel'naya mashina. Printsipy realizatsii. Otsenki parametrov
[Photonic computing machine. Principles of implementation. Parameter estimates], Doklady
Akademii nauk [Reports of the Academy of Sciences], 2017, Vol. 476, No. 4, pp. 389-394.
DOI: 10.1134/S1064562417050234.
7. Henri H. Arsenault, Yunlong Sheng. An Introduction to Optics in Computers. Vol. 8 of Tutorial
texts in optical engineering. SPIE Press, 1992.
8. Richard V. Stone; Frederick F. Zeise and Peter S. Guilfoylev. DOC II 32-bit digital optical
computer: optoelectronic hardware and software, Proc. SPIE 1563, Optical Enhancements to
Computing Technology, 267 (December 1, 1991). DOI: 10.1117/12.49689.
9. Jacob Barhen, Charlotte Kotas, Travis S Humble, Pramita Mitra, Neena Imam, Mark A Buckner,
and Michael R Moore. High performance FFT on multicore processors, In 2010 Proceedings
of the Fifth International Conference on Cognitive Radio Oriented Wireless Networks and
Communications. IEEE, 2010, pp. 1-6.
10. Shubin V.V., Balashov K.I. Patent № 2677119 C1 Ross yskaya Federats ya, MP G02F 3/00,
G02F 1/095. Polnost'yu opticheskiy logicheskiy bazis na osnove mikrokol'tsevogo rezonatora:
№ 2018111870: zayavl. 02.04.2018: opubl. 15.01.2019; zayavitel' Rossiyskaya Federatsiya, ot
imeni kotoroy vystupaet Gosudarstvennaya korporatsiya po atomnoy energii "Rosatom",
Federal'noe gosudarstvennoe unitarnoe predpriyatie "Rossiyskiy federal'nyy yadernyy tsentr –
Vserossiyskiy nauchno-issledovatel'skiy institut eksperimental'noy fiziki" (FGUP "RFYATSVNIIEF")
[Patent No. 2677119 C1 Russian Federation, IPC G02F 3/00, G02F 1/095. A fully optical
logical basis based on a micro–ring resonator: No. 2018111870: declared 02.04.2018: published
15.01.2019; the applicant is the Russian Federation, on behalf of which the State Atomic
Energy Corporation Rosatom, the Federal State Unitary Enterprise Russian Federal Nuclear Center
- All-Russian Research Institute of Experimental Physics (FSUE RFNC-VNIIEF).
11. Tamer A. Moniem. All-optical XNOR gate based on 2D photonic-crystal ring resonators,
Quantum Electronics, 2017, 47 (2): 169. DOI: 10.1070/QEL16279.
12. Bekus Dzh. Mozhno li osvobodit' programmirovanie ot stilya fon Neymana? Funktsional'nyy
stil' i sootvetstvuyushchaya algebra programm, Issledovatel'skaya laboratoriya IBM, San
Khose, 1977 [Is it possible to free programming from the von Neumann style? Functional
Style and the corresponding algebra of programs, IBM Research Laboratory, San Jose, 1977].
13. Flynn M.J. Very High-Speed Computing System, Proceedings IEEE, 1966, No. 54, pp. 1901-1909.
14. Flynn M.J. Some Computer Organizations and their Effectiveness, IEEE Transactions on
Computers, Sep. 1972, Vol. 24, pp. 948-960.
15. Wulf W.A., McKee S.A. Hitting the Memory Wall: Implications of the Obvious, Computer
Architecture News, Mar. 1995, Vol. 23, No. 1, pp. 20-24.
16. Next generat on photon c memory dev ces are ‘l ght-wr tten’, ultrafast and energy eff c ent,
2019. Available at: https://www.tue.nl/en/news/news-overview/10-01-2019-next-generationphotonic-
memory-devices-are-light-written-ultrafast-and-energy-efficient/ (accessed 31 October
2022).
17. Using light for next-generation data storage, 2018. Available at: https://phys.org/news/2018-
06-next-generation-storage.html.
18. Qiming Zhang, Zhilin Xia, Yi-Bing Cheng & Min Gu. High-capacity optical long data memory
based on enhanced Young’s modulus n nanoplasmon c hybr d glass compos tes, 2018. Available
at: https://phys.org/news/2018-06-next-generation-storage.html.
19. Gordeev A., Voytovich V., Svyatets G. Perspektivnye fotonnye i fononnye otechestvennye
tekhnologii dlya teragertsovykh mikroprotsessorov, OZU i interfeysa so sverkhnizkim
energopotrebleniem [Promising photonic and phonon domestic technologies for terahertz microprocessors,
RAM and interface with ultra-low power consumption], Sovremennaya
elektronika [Modern electronics], No. 2,22. Available at: https://www.soel.ru/online/
perspektivnye-fotonnye-i-fononnye-otechestvennye-tekhnologii-dlya-teragertsovykhmikroprotsessorov-
o/.
20. Joseph Buck, Edward A. Lee. The token flow model, Data Flow Workshop, Hamilton Island,
Australia, May 1992.
21. Ben Lee, Hurson A.R. Dataflow Architectures and Multithreading, IEEE Computer, 1994,
Vol. 27, No. 8, pp. 27-39.
22. Kokhonen T. Assotsiativnye zapominayushchie ustroystva [Associative storage devices]. Moscow.:
Mir, 1982, 384 p.
23. Triliven F.K. Modeli parallel'nykh vychisleniy [Models of parallel computing], Sistemy
parallel'noy obrabotki [Parallel processing systems], ed. by D. Ivensa. Moscow: Mir, 1985,
pp. 277-284.
24. Miheli J., Сibej U. Experimental Comparison of Matrix Algorithms for Dataflow Computer
Architecture, in Acta Electrotechnica et Informatica, 2018, Vol. 18, No. 3, pp. 47-56.
25. Yazdanpanah F., Alvarez-Martinez C., Jimenez-Gonzalez D. and Etsion Y. Hy-brid Dataflow/
von-Neumann Architectures, in IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems,
June 2014, Vol. 25, No. 6, pp. 1489-1509. DOI: 10.1109/TPDS.2013.125.
26. Kalyaev A.V., Levin I.I. Modul'no-narashchivaemye mnogoprotsessornye sistemy so
strukturno-protsedurnoy organizatsiey vychisleniy [Modular-stackable multiprocessor systems
with structural and procedural organization of computing]. Moscow: Yanus-K, 2003, 380 p.
27. Kalyaev I.A., Levin I.I., Semernikov E.A., Shmoylov V.I. Rekonfiguriruemye mul'tikonveyernye
vychislitel'nye struktury [Reconfigurable multiconveyor computing structures]. Rostov-on-
Don: Izd-vo YuNTS RAN, 2008, 393 p.
28. Dave Lewis SerDes. Architectures and Applications. DesignCon 2004 National Semiconductor
Corporation. Available at: https://chenweixiang.github.io/docs/SerDes_Architectures_and_
Applications.pdf (accessed 31 October 2022).
29. Kheld G. Tekhnologii peredachi dannykh [Data transmission technologies]: transl. from engl.
7 ed. Saint Petersburg: Piter, 2003,715 p. (Classics of computer science).
30. Shpakovskiy G.I. Verkhoturov A.E. Algoritm parallel'nogo resheniya SLAU metodom Gaussa-
Zeydelya [Algorithm for parallel SLOUGH solution by Gauss-Seidel method], Vestnik BGU
[Bulletin of BSU. Ser. 1], 2007, No. 1, pp. 44-48.
Опубликован
2023-02-27
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ I. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ