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».