Найти

Результаты поиска

• ОБЗОР МОДЕЛЕЙ КОММУТАЦИОННЫХ ПОДСИСТЕМ ЦИФРОВЫХ ФОТОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

  Д.А. Сорокин , А.В. Касаркин

  2024-11-10

  Аннотация ▼

  Рассматриваются варианты организации подсистемы коммутации цифровых фотонных
  вычислительных устройств, основной задачей которой является обеспечение возможности орга-
  низации эффективных вычислений при решении задач различных проблемных областей. По мнению
  авторов, цифровые фотонные вычислители должны обрабатывать информацию в структурной
  парадигме вычислений. Данная парадигма принципиально отличается от классической фон-
  Неймановской парадигмы, поскольку в ней передача данных между функциональными элементами
  не расторжима с обработкой. Поэтому проблематика построения подсистемы коммутации в
  разрабатываемых цифровых фотонных вычислительных устройствах – одна из ключевых. Данная
  подсистема должна обрабатывать информационные зависимости между выполняемыми опера-
  циями не только во времени, но и в пространстве. Только в этом случае обработка данных в фо-
  тонных вычислительных системах будет выполняться с производительностью, превосходящей на
  два и более десятичных порядка производительность самых современных электронных вычисли-
  тельных систем. Рассматриваются вопросы обеспечения потокового обмена данными между
  функциональными устройствами в цифровом фотонном вычислителе. Авторы разработали и
  проанализировали в базисе фотонной логики модели коммутационных устройств и способы орга-
  низации коммутационной подсистемы при выполнении последовательной обработки данных.
  В ходе исследований было установлено, что структурная организация вычислений в цифровых
  фотонных вычислителях возможна при обеспечении обмена данными посредством пространст-
  венной коммутации входных и выходных каналов функциональных устройств. При реализации
  цифровых фотонных вычислителей как универсальных устройств, ориентированных на широкий
  класс задач, наиболее удобными для организации вычислительных структур будут иерархический
  и иерархическо-кольцевой варианты подсистемы коммутации. Однако данные варианты харак-
  теризуются высокими накладными расходами на построение коммутаторов. Поэтому в проблем-
  но-ориентированных фотонных вычислителях, предназначенных для решения сильносвязанных
  задач с высокой удельной производительностью, более предпочтительно применение ортогональ-
  ной или тороидальной подсистемы коммутации. В этом случае должна обеспечиваться непосред-
  ственная пространственная коммутация между функциональными устройствами одной группы, а также между группами. Данные варианты характеризуются более высокими требованиями к
  качеству формирования физических каналов между коммутаторами и функциональными устрой-
  ствами, а также между самими коммутаторами.

• АРХИТЕКТУРА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ЦФВМ

  И.И. Левин , Д.А. Сорокин , А.В. Касаркин

  2024-01-05

  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».

• ПЕРСПЕКТИВНАЯ АРХИТЕКТУРА ЦИФРОВОЙ ФОТОННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

  И.И. Левин , Д. А. Сорокин , А. В. Касаркин

  2023-02-27

  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.

• МЕТОД РЕШЕНИЯ ГРАФОВЫХ NP-ПОЛНЫХ ЗАДАЧ НА РЕКОНФИГУРИРУЕМЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПА РАСПАРАЛЛЕЛИВАНИЯ ПО ИТЕРАЦИЯМ

  А. В. Касаркин

  2021-02-25

  Аннотация ▼

  При решении графовых NP-полных задач на многопроцессорных системах рост обо-
  рудования не приводит к пропорциональному росту производительности системы, поэто-
  му не всегда удается решить задачу за приемлемое время. Целью работы, описанной в
  статье, является минимизация времени решения задачи поиска максимальных клик графа с
  использованием реконфигурируемых вычислительных систем (РВС). При решении задачи
  на РВС методом распараллеливания по слоям рост производительности также замедля-
  ется, несмотря на лучшую степень масштабируемости по сравнению с многопроцессор-
  ными реализациями. В статье предложен метод создания параллельно-конвейерных про-
  грамм для реконфигурируемых вычислительных систем на основе распараллеливания по
  итерациям для решения графовых NP-полных задач. Рассмотрено, что использовать би-
  товый способ представления множеств (как в методе распараллеливания по слоям) для
  метода распараллеливания по итерациям не является эффективным. Новый метод отли-
  чается организацией вычислений, а именно – обработкой неупорядоченных множеств,
  доступ к элементам которых осуществляется не по адресам (как в массивах), а по значе-
  ниям (именам вершин и именам дуг графа). Показано, что новый метод на основе распа-
  раллеливания по итерациям, несмотря на более низкую удельную производительность, свя-
  занную с тем, что вычислительным подструктурам из-за символьного представления
  множеств необходимо обработать большее число промежуточных данных, обеспечивает
  практически линейный рост реальной производительности РВС при значительно большем
  количестве вычислительного ресурса по сравнению с методом распараллеливания по слоям.