АРХИТЕКТУРА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ЦФВМ
Аннотация
Статья посвящена проблемам развития цифровых фотонных вычислительных ма-
шин, которые наряду с квантовыми компьютерами являются одним из возможных спосо-
бов преодоления кризиса производительности вычислительной техники. Реализация обра-
ботки данных в цифровых фотонных вычислительных машинах на частотах терагерцово-
го уровня потенциально обеспечивает производительность, превосходящую на два и болеедесятичных порядков производительность самых современных вычислительных систем.
Современные исследования говорят о перспективности развития цифровой фотоники, спо-
собной обеспечить производительность, существенно превосходящую производительность
микроэлектронных вычислителей при одинаковой точности вычислений. При этом в большей
степени усилия исследователей направлены на создание цифровых фотонных логических эле-
ментов, в то время как вопросы архитектуры рассматриваются весьма поверхностно. Ав-
торы рассматривают проблемы разработки архитектуры цифровой фотонной вычисли-
тельной машины, которая могла бы обеспечить решение широкого класса вычислительно
трудоёмких задач в структурной парадигме. Показано, что для использования данной пара-
дигмы вычислений подсистема синхронизации и коммутации должна иметь иерархичекую
топологию с возможностью настройки информационных связей как в процессе программи-
рования фотонной машины, так и в процессе решения задач. Рассматриваются принципы
обеспечения быстродействия и точности решения задач на цифровой фотонной вычисли-
тельной машине при выбранном способе представления данных. Авторы разработали в бази-
се фотонной логики модели функциональных устройств основных арифметических операций:
сложения и умножения в стандарте IEEE 754. Устройства реализованы по схеме линейного
конвейера с обработкой младшими разрядами вперёд. В отличие от традиционной микро-
электроники предлагаемый подход к построению конвейерных функциональных устройств
не предполагает использование регистров-защёлок, реализация которых в цифровой фотон-
ной логике приводит к избыточным аппаратным затратам. Также при построении вычис-
лительных схем ограничен коэффициент разветвления аппаратных информационных связей
между логическими элементами, что позволит снизить проблему затухания сигналов.
На ПЛИС выполнено макетирование разработанных функциональных устройств сложения и
умножения и оценена производительность реализуемых на ЦФВМ вычислительных струк-
тур, подобных структурам, возникающим в задачах математической физики при выполне-
нии операций типа «умножение матрицы на вектор».
Литература
the future of multi-core processors], Otkrytye sistemy. SUBD [Open Systems. DBMS], 2009,
No. 04. Available at: https://www.osp.ru/os/2009/04/9288815/ (accessed 15 September 2023).
2. Moore Gordon. No Exponential is Forever: But “Forever” Can Be Delayed!, International
Solid–State Circuits Conference (ISSCC), 2003. Session 1. Plenary 1.1. of the IEEE, November
2003, Vol. 91, Nо. 11, pp. 1934-1939.
3. Benioff P. Quantum mechanical hamiltonian models of turing machines (англ.) // Journal of
Statistical Physics, 1982, Vol. 29, No. 3, pp. 515-546. DOI: 10.1007/BF01342185.
4. D-Wave Announces General Availability of First Quantum Computer Built for Business. Available
at: https://www.dwavesys.com/company/newsroom/press-release/d-wave-announces-generalavailability-
of-first-quantum-computer-built-for-business/ (accessed 15 September 2023).
5. Dalzell A.M., Harrow A.W., Koh D.E., Placa R.L.L. How many qubits are needed for quantum
computational supremacy?, Quantum, 2020, 4, 264. DOI: 10.48550/arXiv.1805.05224.
6. Shubin V.V., Balashov K.I. Patent № 2677119 C1. Rossiyskaya Federatsiya, MPK G02F 3/00,
G02F 1/095. Polnost'yu opticheskiy logicheskiy bazis na osnove mikrokol'tsevogo rezonatora
[Patent No. 2677119 C1. Russian Federation, IPC G02F 3/00, G02F 1/095. All-optical logic
basis based on a microring resonator: No. 2018111870]: zayavl. 02.04.2018: opubl.
15.01.2019; declared 04/02/2018: publ. 01/15/2019; 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") acts.
7. Tamer A. Moniem All-optical XNOR gate based on 2D photonic-crystal ring resonators,
Quantum Electronics, 2017, 47 (2), 169. DOI: 10.1070/QEL16279.
8. Next generation photonic memory devices are ‘light-written’, ultrafast and energy efficient, 2019.
Available at: https://www.tue.nl/en/news/news-overview/10-01-2019-next-generation-photonicmemory-
devices-are-light-written-ultrafast-and-energy-efficient/ (accessed 15 September 2023).
9. Using light for next-generation data storage, 2018. Available at: https://phys.org/news/2018-
06-next-generation-storage.html (accessed 15 September 2023).
10. Zhang Q., Xia Z., Cheng YB. et al. High-capacity optical long data memory based on enhanced
Young’s modulus in nanoplasmonic hybrid glass composites, Nat Commun., 2018, 9 (1), 1183.
DOI: 10.1038/s41467-018-03589-y.
11. 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/ (accessed 15 September 2023).
12. Starikov R.S. Opticheskie korrelyatory izobrazheniy: istoriya i sovremennoe sostoyanie [Optical
image correlators: history and current state], HOLOEXPO 2019: XVI mezhdunarodnaya
konferentsiya po golografii i prikladnym opticheskim tekhnologiyam: Tezisy dokladov
[HOLOEXPO 2019: XVI International Conference on Holography and Applied Optical Technologies:
Abstracts]. Moscow: MGTU im. N.E. Baumana, 2019, pp. 82-90.
13. Lugt A.V. Signal detection by complex spatial filtering, IEEE Transactions on Information
Theory, April 1964, Vol. 10, Issue 2, pp. 139-145. DOI: 10.1109/TIT.1964.1053650.
14. Henri H. Arsenault, Yunlong Sheng. An Introduction to Optics in Computers. Vol. 8 of Tutorial
texts in optical engineering. SPIE Press, 1992. DOI: 10.1117/3.2569178.
15. 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.
16. Jacob Barhen, Charlotte Kotas, Travis S Humble, Pramita Mitra, Neena Imam, Mark ABuckner,
and Michael R Moore. High performance fft on multicore processors, In 2010Proceedings of the
Fifth International Conference on Cognitive Radio Oriented WirelessNetworks and Communications.
IEEE, 2010, P. 1-6. DOI: 10.4108/ICST.CROWNCOM2010.9283.
17. Stepanenko S.A. Interferentsionnye logicheskie elementy [Interference logic elements],
Doklady Rossiyskoy akademii nauk. Matematika, informatika, protsessy upravleniya [Reports
of the Russian Academy of Sciences. Mathematics, computer science, management processes],
2020, Vol. 493, pp. 68-73.
18. Kuznetsova O.V., Speranskiy V.S. Reshenie zadach obrabotki opticheskikh signalov bez
optoelektronnogo preobrazovaniya [Solving problems of processing optical signals without
optoelectronic conversion], Telekommunikatsiya i transport. T-Comm [Telecommunication
and transport. T-Comm], 2012, No. 8, pp. 35-39.
19. Xiaoting Wu, Jinping Tian, Rongcao Yang. A Type of All-Optical Logic Gate Base on
Graphene Surface Plasmon Polaritons, Optics Communications, 2017, Vol. 403, pp. 185-192.
20. Papaioannou M., Plum E., Valente J., Rogers E.T.F., Zheludev N.I. All-Optical Multichannel
Logic Based on Coherent Perfect Absorption in a Plasmonic Metamaterial, APL PHOTONICS,
2016, No. 1. 090801. Available at: https://doi.org/10.1063/1.4966269.
21. Hussein M.E., Tamer A.Ali, Nadia H.Rafab. New Design of a Complete Set of Photonic Crystals
Logic Gates, Optics Communications, 2018, Vol. 411, pp. 175-181. DOI:
10.1016/j.optcom.2017.11.043.
22. Stepanenko S.A. Fotonnaya vychislitel'naya mashina. Printsipy realizatsii. Otsenki parametrov
[Photonic computer. Implementation principles. Parameter estimates], Doklady Akademii nauk
[Reports of the Academy of Sciences], 2017, Vol. 476, No. 4, pp. 389-394. DOI:
10.1134/S1064562417050234.
23. Levin I.I., Sorokin D.A., Kasarkin A.V. Perspektivnaya arkhitektura tsifrovoy fotonnoy
vychislitel'noy mashiny [Promising architecture of a digital photonic computing machine],
Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2022, No. 6
(230), pp. 61-71. ISSN 1999-9429. DOI: 10.18522/2311-3103-2022-6-61-71.
24. Sorokin D.A., Kasarkin A.V., Podoprigora A.V. Elements of a Digital Photonic Computer,
Supercomputing Frontiers and Innovations, 2023, Vol. 10, No. 2, pp. 62-76. DOI:
https://doi.org/10.14529/jsfi230205.
25. Besedin I.V., Dmitrenko N.N., Kalyaev I.A., Levin I.I., Semernikov E.A. Semeystvo bazovykh
moduley dlya postroeniya rekonfiguriruemykh vychislitel'nykh sistem so strukturnoprotsedurnoy
organizatsiey vychisleniy [A family of basic modules for building reconfigurable
computing systems with a structural and procedural organization of calculations ], Nauchnyyservis v seti Internet: Tr. Vserossiyskoy konferentsii – MGU, RGU, IVT RAN, 2006 [Scientific
service on the Internet: Proceedings of the All-Russian Conference - Moscow State University,
Russian State University, ICT RAS, 2006], pp. 47-49.
26. Kalyaev I.A., Levin I.I. Rekonfiguriruemye mul'tikonveyernye vychislitel'nye sistemy dlya
resheniya potokovykh zadach [Reconfigurable multi-pipeline computing systems for solving
streaming problems], Informatsionnye tekhnologii i vychislitel'nye sistemy [Information technologies
and computing systems], 2011, No. 2, pp. 12-22.
27. Kalyaev I.А., Levin I.I., Semernikov E.A., Shmoilov V.I. Reconfigurable Multipipeline Computing
Structures Published by Nova Science Pu-blishers, Inc. (New York, USA). 2012, 345 p.
ISBN: 978-1-61942-854-6.
28. NITS SE i NK. Tertsius-2. © Copyright 2004-2018. OOO "NITS super-EVM i
neyrokomp'yuterov" [Research Center for SE and NK. Tertius-2. © Copyright 2004-2018.
LLC "Research Center for Super-Computers and Neurocomputers"]. Available at:
http://superevm.ru/index.php?page=tertsius-2 (accessed 15 September 2023).
