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».