Разработка 3D фотон-электронной матричной нейросетевой реконфигурируемой платформы для высокопроизводительной обработки информации

Материал опубликован в журнале СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА № 1/2023

Смотрите также ролик на эту тему на YouTube-канале СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

В статье рассматривается проект по созданию нейросетевого инструмента для высокопроизводительной обработки информации общегосударственного применения на основе фотонной технологии.

Задачи проекта:

  • изготовление по кремниевой фотонной технологии ООО «ОЭС» трёхмерной фотон-электронной матрицы СБИС с нейроморфной/нейросетевой архитектурой – 3D ФЭ МНП СБИС с многоканальными аналогово-цифровыми фотонными и электрическими коммутационными связями;
  • изготовление по кремниевой фотонной технологии ООО «ОЭС» трёхмерной фотон-электронной матрицы СБИС лазеров вертикального излучения – 3D ФЭ МЛВ СБИС;
  • изготовление по кремниевой фотонной технологии ООО «ОЭС» трёхмерной фотон-электронной матрицы СБИС стандарта SW – 3D ФЭ МSW СБИС;
  • изготовление 3D фотон-электронных матричных процессорных модулей – 3D ФЭ МПМ;
  • изготовление механических разъёмных корпусов с матричными оптическими линзовыми растрами, многоканальных волоконных и призменных мультиплексных элементов;
  • адаптация программного обеспечения с открытым кодом;
  • изготовление 3D фотон-электронной матричной нейроморфной/нейросетевой платформы – 3D ФЭ МНП – и её модификаций для высокопроизводительной обработки информации общегосударственного применения.

В октябре 2019 года президентом РФ была принята Национальная стратегия развития искусственного интеллекта на период до 2030 года. Борьба за лидерство в развитии искусственного интеллекта предполагает рассмотрение методов и средств машинного обучения и связанных с ними технологий для всестороннего и успешного развития задач национальной безопасности.

Несмотря на совершенствование интегральных технологий, традиционные процессоры по-прежнему не способны эффективно решать нелинейные и неформализованные задачи. В то же время мозг животных и человека с такими задачами справляется отлично. Объяснение здесь кроется в качественных архитектурных различиях между традиционным процессором и мозгом живых существ. Механизмы передачи информации в мозгу до сих пор не до конца изучены, и нет готового решения по созданию идеальной искусственной нейронной сети.

Оценка биологической активности человеческого мозга

У человека порядка 100 миллиардов клеток мозга. Число связей нейрона между собой оценивается в 1000, и при каждой активизации нейрона его импульс достигает тысячи других нейронов и далее по цепочке (рис. 1). По примерным оценкам нейрон связывается со своим соседом каждые 5 миллисекунд, что приблизительно равно 200 раз в секунду.

Рис. 1. Модель биологического нейрона

Оценим активность человеческого мозга: 100 миллиардов (количество нейронов) умножаем на 200 (секундная работоспособность), умножаем на 1000 (количество соединений), получаем скорость работы мозга, равную 20 квадриллионам операций в секунду.

Мозг вырабатывает энергию, равную лампочке 10 Ватт.

Предположительная ёмкость мозга в электронных терминах составляет около 1000 терабайт.

Структура искусственного нейрона

Искусственный нейрон является упрощённой моделью естественного нейрона.

Математически искусственный нейрон обычно представляют как некоторую нелинейную функцию от единственного аргумента: линейной комбинации всех входных сигналов. 

Данную функцию называют функцией активации. Полученный результат посылается на единственный выход. Такие искусственные нейроны объединяют в сети: соединяют выходы одних нейронов со входами других (рис. 2).

Рис. 2. Искусственный нейрон

Поступившие на входы искусственного нейрона сигналы умножаются на свои веса (веса изображены кружками). Сигнал первого входа x1 умножается на соответствующий этому входу вес w1. В итоге получаем x1w1. И так до n-го входа. В итоге на последнем входе получаем xnwn. Теперь все произведения передаются в сумматор, а он просто суммирует все входные сигналы, умноженные на соответствующие веса:
x1w1+x2w2+…+xnwn=∑i=1nxiwi.

Искусственные нейроны объединяются между собой определённым образом, образуя искусственную нейронную сеть (ИНС) с различным уровнем слоёв (рис. 3).

Рис. 3. Искусственная нейронная сеть

Многослойная ИНС позволяет решать зада­чи любой формы и сложности. При этом преимущество нейронных сетей – универсальность: они превращают разные задачи в однотипные.

Проблемы в аппаратной реализации ИНС

Синапс – сетевое соединение: количество синапсов растёт квадратично с ростом числа нейронов.

Вес синапсов: массы должны быть определены с высокой точностью, для того чтобы обеспечить правильную сходимость алгоритмов.

Преимущества нейрокомпьютера

Искусственные нейроны и сети являются основными элементами нейрокомпьютера.

Все алгоритмы нейроинформатики высокопараллельны, а это залог высокого быстродействия.

Нейросистемы можно сделать устойчивыми к помехам и разрушениям.

Устойчивые и надёжные нейросистемы могут создаваться и из ненадёжных элементов, имеющих значительный разброс параметров.
Сегодня нет готовых решений по созданию идеальной искусственной нейронной сети. 

Системный анализ архитектуры нейропроцессора и классификация нейрочипов

Элементной базой нейровычислителей служат нейрочипы. Большинство из них ориентировано на конкретные специализированные управляющие системы. 
Нейрочипы делятся:
  • по типу логики – на цифровые, аналоговые и гибридные;
  • по типу реализации нейроалгоритмов – с полностью аппаратной и с программно-аппаратной реализацией (когда нейроалгоритмы хранятся в ПЗУ);
  • по характеру реализации нелинейных преобразований – на нейрочипы с жёсткой структурой нейронов (аппаратно-реализованные) и нейрочипы с настраиваемой структурой нейронов (перепрограммируемые);
  • по возможностям построения нейросетей – нейрочипы с жёсткой и переменной нейросетевой структурой (т.е. нейрочипы, в которых топология нейросетей реализована жёстко или гибко).
Процессорные матрицы (систолические процессоры) обычно близки к обычным RISC-процессорам; они объединяют в своём составе некоторое число процессорных элементов, вся же остальная логика, как правило, должна быть реализована на базе периферийных схем. 

В отдельный класс следует выделить так называемые нейросигнальные процессоры, ядро которых представляет собой типовой DSP-процессор.

Нейронным процессорам, построенным на основе сигнальных, тензорных, систолических чипов для формирования и управления нейронной сетью, требуется внешняя память и управляющий процессор.

Существует огромное количество способов соединения нейронов, растущее с увеличением числа нейронов в сети. Наиболее употребительной является слоистая архитектура, в которой нейроны располагаются «слоями». В наиболее общем случае аксоны каждого нейрона одного слоя направлены к нейронам следующего слоя. Таким образом, нейроны первого слоя являются входными (принимающими информацию из внешнего мира), нейроны последнего слоя – выходными (выдающими информацию во внешний мир). Другой вид архитектуры – полносвязная, когда каждый нейрон соединён с каждым, в том числе сам с собой.

Процессор NeuroMatrixR NM6404

NeuroMatrixR NM6404 (рис. 4) представляет собой высокопроизводительный DSP-ориентированный RISC-микропроцессор. В его состав входят два основных блока: 32-разрядное RISC-ядро и 64-разрядное VECTOR-сопроцессор для поддержки операций над векторами с элементами переменной разрядности. NM6404 по системе команд совместим с предыдущей версией NM6403. Имеются два идентичных программируемых интерфейса для работы с внешней памятью различного типа и два коммуникационных порта, аппаратно-совместимых с портами ЦПС TMS320C4x, для возможности построения многопроцессорных систем. 

Рис. 4. Конструктивная реализация NeuroMatrixR NM6404

Особенности:
  • тактовая частота – 133 MГц (8 нс – время выполнения любой инструкции); 
  • технология КМОП 0,25 мкм; 
  • корпус PQFP256; 
  • напряжение питания от 2,5 В, 3,3 В, 5 В; 
  • потребляемая мощность – около 1,0 Вт; 
  • условия эксплуатации: –40...+80°C. 
RISC-ядро:
  • пятиступенчатый 32-разрядный конвейер; 
  • 32- и 64-бит команды (обычно выполняется две операции в одной команде); 
  • 2 Мбит внутреннее ОЗУ; 
  • доступ к внутренней памяти соседей; 
  • два адресных генератора, адресное пространство – 16 ГБ; 
  • два 64-разрядных программируемых интерфейса с SDRAM/SRAM/DRAM/Flash ROM разделяемой памятью; 
  • 4 одновременных доступа к внутренней памяти; широковещательный режим доступа к внешней памяти; 
  • 64k Boot ROM; формат данных – 32-разрядные целые; 4 канала DMA; 
  • два коммуникационных порта ввода/вывода, аппаратно-совместимых с портами TMS320C4x; 
  • JTAG-совместимый отладочный интерфейс; 
  • система управления потребляемой мощностью. 
VECTOR-сопроцессор: 
  • от 1 до 64-разрядная длина векторных операндов и результатов; 
  • формат данных – целые числа, упакованные в 64-разрядные блоки, в форме слов переменной длины от 1 до 64 разрядов каждое; 
  • поддержка векторно-матричных и матрично-матричных операций; 16 тактов на перезагрузку матрицы коэффициентов; 
  • свопирование рабочей и теневой матриц; два типа функций насыщения на кристалле. 
Производительность 
Скалярные операции: 
  • 133 MIPS; 
  • 399 MOPS для 32-разрядных данных; 
Векторные операции: 
  • от 133 до более чем 38 000 MMAC (миллионов умножений с накоплением в секунду); 
  • I/O и интерфейсы с памятью: 
    - пропускная способность двух 64-разрядных интерфейсов с памятью 2128 Мбайт/с; 
    - I/O коммуникационные порты – до 20 Мбайт/с каждый. 

Систолические нейропроцессоры

Этот класс вычислительных систем создавался с ориентацией на применение в области нейросетей. Основная идея построения систолических процессоров состоит в использовании специальных обрабатывающих элементов, простых по своим функциям и структуре. Эти элементы образуют процессорную матрицу, через которую идёт поток данных, изменяемых каждым элементом. При этом может быть достигнута высокая степень параллельности обработки данных, если отработавший элемент сразу же считывает следующую порцию данных для обработки. Сеть работает циклически, и в каждом последующем цикле каждый обрабатывающий элемент считывает и обрабатывает новую порцию данных, независимо от работы остальных обрабатывающих элементов. За счёт этого достигается высокая степень распараллеливания процессов обработки информации и в результате высокая скорость работы всей сети в целом. При этом в нейропроцессорах используется ограниченный набор вычислений –преимущественно свёртка и перемножение матриц, что открывает большой простор для оптимизаций. 

Базовые принципы построения систолических архитектур:
  • систола представляет собой сеть связанных вычислительных ячеек, обычно простых;
  • каждая ячейка содержит в себе буферный входной регистр, защёлкивающий данные, и вычислитель, оперирующий с содержимым этого регистра. Выход вычислителя может подаваться на входы других ячеек;
  • операции в систоле производятся по типу конвейерной обработки;
  • вычисления в систоле регулируются с помощью общего тактового сигнала;
  • результатом правильного построения систолы должна быть простая регулярная разводка с простой топологией связей.

Систолический процессор SAND

Чип SAND (Simple Applicable Neural Device) разработан для применения в промышленных и исследовательских системах реального времени. Чип способен реализовывать нейросети с максимальным числом входов 512 (рис. 5, 6).

Рис. 5. Структура систолического процессора SAND

Рис. 6. Структура чипа SAND

Чип SAND содержит четыре параллельных обрабатывающих элемента PE (Processing Elements), каждый из которых снабжён АЛУ и блоками отсечения (auto-cut). АЛУ используется для умножения векторов. Так как АЛУ накапливает входные значения, выходная шина имеет разрядность 40 бит (это ограничивает число входных нейронов до 512). Блок отсечения снижает разрядность до 16 с контролем переполнения и потери точности. Окно, выбирающее 16 бит из 40, может быть смещено пользователем по своему усмотрению.

Нейрокомпьютеры с нейроморфными процессорами представляют собой одну из перспективных разработок в области вычислительной техники, так как они намного эффективнее решают нелинейные и неформализованные задачи по сравнению с традиционными процессорами.

Нейроморфные вычисления отличаются от классических подходов к ИИ, которые основаны на свёрточных нейронных сетях (CNN), тем, что они гораздо точнее имитируют мозг с помощью импульсных нейронных сетей (SNN). 

Свёрточные нейронные сети (CNN)

Свёрточные нейронные сети (Convolutional Neural Network, CNN) – это нейронные сети, которые показали высокую точность в классификации и кластеризации изображений, а также в распознавании объектов, хотя применяются практически везде. CNN состоят из двух видов слоёв: слоёв свёртки и пулинга. Слой пулинга необходим для уменьшения размерности. Преимущество свёрточных сетей заключается в их свойстве инвариантности, т.е. объект на изображении может находиться в любом месте, но сеть его всё равно найдёт (рис. 7).

Рис. 7. Архитектура свёрточных нейронных сетей

Применение CNN:
  • распознавание образов,
  • «компьютерное зрение» (computer vision),
  • видеоанализ.

Структура нейроморфного процессора

Нейроморфные процессоры – это устройства, аппаратно моделирующие работу импульсных нейронных сетей (SNN). В таких сетях моделируемые нейроны, как и реальные биологические нейроны, общаются друг с другом, используя электрические импульсы – спайки. При этом SNN обладают большей «вычислительной мощностью», чем сети предыдущих поколений (рис. 8).

Рис. 8. Структура нейроморфного процессора

В нейроморфных процессорах искусственные нейроны объединяются по модели импульсных нейронных (спайковых) сетей SNN, особенностью которых является передача с помощью разнесённых по времени коротких импульсов равной амплитуды. По аналогии с биологическим образцом искусственный нейрон – один выход (аксон), сигнал с которого может поступать на большое количество входов других нейронов и тем самым изменять их состояние.

Обработка информации нейроморфным процессором в импульсной нейронной сети (spiking neural network – SNN)

Каждый «нейрон» в сети SNN может срабатывать независимо от других: он отправляет импульсные сигналы другим нейронам в сети, которые напрямую изменяют электрические состояния этих нейронов. Кодируя информацию в самих сигналах, SNN моделируют естественные процессы обучения, динамически переключая синапсы между искусственными нейронами в ответ на стимулы.

Хотя нейроморфные чипы, как правило, всё ещё являются цифровыми, они в большинстве случаев работают на основе асинхронных цепей, что означает отсутствие глобальной синхронизации. В зависимости от конкретного приложения нейроморфные вычисления могут быть на несколько порядков быстрее и требуют меньше энергии.

В настоящее время лидером по разработке полупроводникового нейроморфного процессора является корпорация INTEL c процессором Loihi 2. Процессор организован по матричной архитектуре ядер. Ядро содержит вычислительные элементы и память в качестве нейронов и синапсов. Системы на NPU Intel Loihi 2 учатся быстрее и эффективнее, что открывает перед ними массу перспектив.

При решении задач оптимизации и поиска выяснилось, что NPU Loihi 2

может решать задачи более чем в 1000 раз эффективнее и в 100 раз быстрее по сравнению с традиционными процессорами (рис. 9).

Основные характеристики чипа Intel Loihi 2:
  • техпроцесс – Intel 4;
  • площадь кристалла – 31 мм2;
  • площадь ядра – 0,21 мм2;
  • количество транзисторов – 2,3 млрд;
  • количество нейронных ядер на чип – 
  • 128;
  • количество процессоров на чип – 6;
  • количество нейронов на чип – 1 млн;
  • количество синапсов на чип – 120 млн;
  • память на нейронное ядро – 192 кБ, гибкое размещение;
  • модели нейронов – полностью программируемые;
  • область состояния нейрона – 0…4096 байт на нейрон;
  • кодирование информации – ступенчатое состояние спайка, до 32 бит на импульс;
  • внешние интерфейсы – стандартные протоколы SPI и AER, GPIO, Ethernet 1000BASE-KX, 2500BASE-KX.

Рис. 9. Архитектура чипа Intel Loihi 2
Готово базовое устройство для демонстрации возможностей Loihi 2. Оно называется Oheo Gulch и представляет собой плату с одним чипом Loihi 2, а также FPGA Intel Arria 10, предоставляющим интерфейс и удалённый  доступ через Ethernet к нейроморфному чипу (рис. 10).

Рис. 10. Базовое устройство для демонстрации возможностей Loihi 2 – Oheo Gulch

Российская компания «Мотив НТ» разрабатывает собственный нейроморфный процессор «Алтай».

Нейроморфный чип «Алтай»

Энергоэффективный нейропроцессор для интеллектуальных устройств «Алтай» – «вычислительное» устройство, функционирующее на принципах, схожих с биологическими нейронными системами.

Ключевые преимущества:
  • высокая эффективность по энергопотреблению, производительности и размерам;
  • возможность решения неформализуемых и плохо формализуемых задач;
  • высокая масштабируемость, ограниченная только требованиями по энергопотреблению и массогабаритным параметрам;
  • отказоустойчивая архитектура;
  • отечественный.
  • Основные модели применения:
  • обработка большого потока разнородных сигналов с целью обнаружения аномалий в системах киберфизической безопасности и системах мониторинга физических объектов;
  • обработка видео- и аудиоизображений;
  • интегрирование и обработка сенсорной информации от различных датчиков и сенсоров в робототехнике;
  • обработка физиологических сигналов.
Низкое энергопотребление, малый размер и высокая производительность позволяют применять нейрочип «Алтай» в очень широком спектре интеллектуальных устройств (рис. 11–13).

Рис. 11. Функциональные характеристики нейрочипа «Алтай»


Рис. 12. «Алтай»: структурная схема нейропроцессора


Рис. 13. «Алтай»: структурная схема нейроядра


Ключевые архитектурные решения чипа «Алтай»:
  • полная цифровая реализация на современной монолитной кремниевой технологии;
  • универсальная, но простая в реализации на кристалле цифровая модель нейрона;
  • параметры функционирования нейронов и структура сети формируются вне кристалла;
  • многоядерная архитектура; нейрочип представляет собой масштабируемую сеть нейроядер;
  • нейрочип проектируется по модели GALS. Ядра являются синхронными схемами, каждое из которых функционирует в своём домене синхронизации. Все коммуникативные блоки нейрочипа являются асинхронными.
Возможности, предоставляемые НП «Алтай»:
  • исполнение произвольных импульсных нейронных сетей;
  • неограниченная масштабируемость сети;
  • обучение в процессе работы устройства;
  • низкое энергопотребление по сравнению с классическими вычислительными устройствами;
  • высокая производительность – обработка до 2000 кадров в секунду в задачах технического зрения;
  • компактный и недорогой чип. 
Изготовлен модуль нейроморфного акселератора с 8 прототипами нейроморфного процессора «Алтай» (рис. 14). 

Рис. 14. Модуль нейроморфного акселератора с 8 прототипами

Недостатки современных полупроводниковых нейрочипов для нейропроцессоров:
  • кристаллы изготовлены с применением кремниевой 2D-технологии с планарными электрическими связями;
  • кристаллы устанавливаются на плату и ограничены по масштабированию электрическими связями;
  • кристаллы изготовлены на наноразмерной, не существующей в России технологической базе.

Фотоника для ИИ и нейроморфные фотонные системы

Созданные на сегодняшний день нейронные сети и нейроморфные процессоры весьма приближённо «копируют» работу биологических мозгов даже животных, не говоря уже о функциональности головного мозга человека.

Попытки повторить на кремниевых электронных чипах структуру связей, существующую в биологическом мозге, до сих пор не увенчались успехом вследствие высочайшей сложности её построения из сотен миллионов искусственных нейронов, соединённых друг с другом так, что эти соединения в процессе обучения или получения нового опыта «переконфигурируются», создавая новые устойчивые сетевые структуры. Основная сложность повторения вроде бы понятного «узора» биологической нейронной сети заключается в физических ограничениях, присущих полупроводниковой микро- и наноэлектронике. Выход из этого «технологического тупика» учёные видят в развитии фотоники – оптическом аналоге электроники, в котором носителями сигналов являются фотоны света.

Технология оптоэлектроники уже достигла успеха в ряде областей, продемонстрировав черты самостоятельного приборостроения. Уже широко используются волоконно-оптические линии связи, оптическая и голографическая память большой ёмкости, сенсоры изображения и другие устройства. 

Фотонные пространственные соединения в архитектурах вычислительных устройств и систем имеют ряд преимуществ по сравнению с электронными соединениями.

Основными из них являются:
  • отсутствие электрического провод­ника, позволяющее осуществлять эффективные пространственные соединения «кристалл-кристалл», «плата-плата»;
  • отсутствие взаимного влияния при пересечении лучей света в пространстве;
  • несколько каналов с высокой пропускной способностью могут сосуществовать в одном пространстве;
  • параллельная природа светового потока и способность к объединению обеспечивают создания гибких параллельных архитектур;
  • отсутствие возможности перехватывать информацию, поскольку оптическая система ничего не излучает в окружающую среду;
  • устойчивость к электромагнитным помехам.
Кремниево-фотонная технология стала многообещающей КМОП-совместимой альтернативой для реализации нового поколения устройств и систем, которые могут использовать свет как для связи, так и для вычислений. 

Кремниевая фотонная технология становится реальностью, а полупроводниковые микросхемы с интегральными микролазерами позволяют создавать 3D-процессоры с бесконтактными и волоконными многоканальными фотонными связями, осуществляя обмен данными как внутри, так и снаружи ПК с большой пропускной способностью. Устройства на основе кремниевой фотоники могут обеспечить беспрецедентный уровень энергоэффективности и параллелизма. 

В настоящее время ведутся разработки в области оптоэлектронных устройств, плазмоники и нанофотоники, а также фотонно-аналоговой обработки информации и нейроморфных вычислений.

В США создан первый фотонный нейроморфный чип

Одно из последних прорывных достижений в сфере создания нейроморфных чипов недавно продемонстрировали учёные Национального института стандартов и технологий США, представив двухслойную трёхмерную систему, состоящую из матриц оптических волноводов, взаимодействующих при передаче оптических сигналов в разных направлениях. Это решение позволило многократно увеличить количество связей между активными компонентами (оптическими логическими элементами) по сравнению с электронными нейросетями, благодаря чему удалось повысить сложность схем маршрутизации сигналов и скорость обмена данными между узлами сети. В результате достигнута рекордная «схожесть» архитектуры нейронной фотонной сети со строением биологического мозга.

Суть изобретения фотонного нейроморфного чипа американскими учёными заключается в формировании на подложке из кремния двух слоёв матриц, состоящих из тончайших нитрид-кремниевых световодов (их поперечные сечения находятся в пределах 800×400 нм).

Также разработано ПО, обеспечивающее указание автоматического направления сигналов по нужным путям в схеме и регулировку уровней взаимосвязей между отдельными нейронами.

3D кремниево-фотонная технология ООО «ОЭС»

В объёмной (3D) фотон-электронной технологии, разработанной ООО «ОЭС», многоканальные оптические и электрические каналы реализуются непосредственно на обеих поверхностях полупроводниковых кристаллов.

На рис. 15 показан существующий и разработанный перспективный уровень технологий соединений.

Рис. 15. Технология межсоединений

Реализация матриц с многоканальными 3D ФЭ процессорными элементами требует разработки фотон-электронного интерфейса, обеспечивающего многоканальный оптический и электрический ввод-вывод информации на обеих поверхностях всей интегральной схемы. Реализация такого фотон-электронного интерфейса, обеспечивающего многоканальный ввод-вывод информации в интегральную схему, возможен, если для фотон-электронного многоканального ввода/вывода информации используются обе поверхности кристалла наряду с планарным электрическим интерфейсом ввода/вывода.

Такой подход позволяет реализовать принцип трёхмерной многоканальной связи и создавать функциональные 3D фотон-электронные полупроводниковые элементы с многоканальными (матричными) оптическими и электрическими каналами с потоковой обработкой информации для различных устройств и строить высокопроизводительные информационно-вычислительные системы с множеством датчиков.

Организация фотонного и электронного ввода-вывода информации с использованием двух сторон кристалла позволяет перейти к разработке кремниево-фотонной объёмной технологии и созданию многоканальных фотон-электронных соединений на уровнях «чип–чип», «плата–плата», «распределённая объектовая связь» для различных устройств и строить высокопроизводительные информационно-вычислительные системы со множеством датчиков (рис. 16, 17).

Рис. 16. Фотонный и электронный ввод-вывод информации в Si-кристалл 3D ФЭ матрицы функциональной СБИС


Рис. 17. Структурная схема 3D ФЭ МВЛ СБИС Si-кристалл 3D ФЭ матрицы функциональной СБИС

3D ФЭ матрицы функциональных СБИС с оптическими и электрическими связями для потоковой обработки информации

Матрицы функциональных СБИС с оптическими и электрическими связями имеют внутренние и внешние многоканальные связи. Многоканальная оптическая связь направлена ортогонально к плоскости кристалла по оси Z, а электрические связи по осям Х, У и Z относительно плоскости полупроводниковых СБИС.

Такая реализация многоканальных оптических и электрических связей в СБИС переводит их в категорию полупроводниковых приборов с объёмной, трёхмерной фотон-электронной архитектурой.

Трёхмерные фотон-электронные (3D ФЭ) матричные функциональные СБИС с оптическими и электрическими связями представляют собой прибор с интегральными полупроводниковыми схемами, фокальные плоскости которых обеспечивают ввод или вывод информации по многоканальным оптическим и электрическим каналам связи и потоковой обработкой информации.

Полупроводниковые кристаллы изготовляются с применением кремниевой и арсенид-галлиевой технологий (рис. 18). 
Рис. 18. Структура 3D ФЭ матрицы функциональной СБИС с оптическими и электрическими связями

Кристаллы 3D ФЭ матриц функциональных СБИС с оптическими и электрическими связями по технологии «кристалл на плате» монтируются с двух сторон на LTCC-плату и закрываются герметичным корпусом с механическим разъёмом и многоканальными оптическими линзовыми растрами (рис. 19, 20).

Рис. 19. Связь в 3D МОЭМ


Рис. 20. Организация потоковой «вертикальной обработки»

3D фотон-электронная технология является комплексной технологией для реализации 3D ФЭ матриц функциональных СБИС с оптическими и электрическими связями на базе кремниевых и арсенид-галлиевых интегральных схем (рис. 21–25), которые реализуют следующие виды обмена информацией:
  • оптический приём – логическая обработка, коммутация – оптический выход;
  • оптический приём – логическая обработка, коммутация – электрический выход;
  • электрический приём – логическая обработка, коммутация – оптический выход;
  • электрический приём – логическая обработка, коммутация – электрический выход.

Рис. 21. Структурная схема 3D ФЭ матрицы функциональной СБИС


Рис. 22. Архитектура и фотография 3D ФЭ матрицы функциональной СБИС с оптическими и электрическими связями и 8×8 процессорными элементами (ПЭ)


Рис. 23. Структура процессорного элемента (ПЭ) 3D ФЭ матрицы функциональной СБИС с оптическими и электрическими связями


Рис. 24. Архитектура 3D ФЭ МПМ с 3D ФЭ матрицами функциональных СБИС с оптическими и электрическими связями


Рис. 25. Структурная схема 3D ФЭ МПМ с 3D ФЭ матрицами функциональных СБИС с оптическими и электрическими связями

Основные конструктивные единицы 3D ФЭ МПМ:
  • мезонинная LTCC-плата для монтажа компонентов 3D ФЭ МПМ;
  • 3D ФЭ СБИС МНП в составе четырёх кристаллов; 
  • 3D ФЭ СБИС МВЛ в составе четырёх кристаллов;
  • 3D ФЭ СБИС SW МНК в составе одного кристалла;
  • корпус 3D ФЭ МКП с многоканальными линзовыми растрами;
  • 3D ФЭ МКЦ – корпус цилиндрический с многоканальными линзовыми растрами;
  • система на кристалле 1892ВМ14Я: микропроцессор 1892ВМ14Я и кристаллы памяти;
  • многоканальный электрический разъём для электрического питания и функциональных электрических интерфейсов. 
3D ФЭ МПМ позволяет реализовать режим матричной, потоковой обработки информации, поступающей по многоканальным фотонным каналам, с обработкой информации «на проходе», без промежуточного её хранения. 

Электрические интерфейсы 1892ВМ14Я позволяют 3D ФЭ МПМ непосредственно сопрягаться с процессорными модулями и датчиками, а фотонные интерфейсы через волоконные оптические линии связи (ВОЛС) – связываться с удалёнными 3D ФЭ МПМ (рис. 26).

Рис. 26. Фотография 3D ФЭ МПМ с 3D ФЭ матрицами функциональных СБИС с оптическими и электрическими связями

Состав 3D ФЭ МПМ с 3D ФЭ матрицами функциональных СБИС с оптическими и электрическими связями:
  • мезонинная LTCC-плата – 1 шт.;
  • микросхема 3D ФЭ МНП СБИС с матрицей процессорных элементов – 4 шт.;
  • микросхема 3D ФЭ МВЛ СБИС с матрицей лазеров вертикального излучения – 4 шт.;
  • корпус параллельный 3D ФЭ МКП с линзовыми растрами – 1 шт.;
  • корпус цилиндрический 3D ФЭ МКЦ с линзовыми растрами – 2 шт.;
  • оптический мультиплексор 3D ФЭ МОМ с призмами – 2 шт.;
  • процессор 1892ВМ14Я с электронными схемами – 1 шт.;
  • многоканальный электрический разъём для электрического питания и функциональных электрических интерфейсов – 1 шт. 
Минимальная пропускная способность 512 матричных фотонных бесконтактных линий связи – 819,2 Гбит.

Минимальная пропускная способность 256 канальных фотонных волоконных линий связей – 25,6 Гбит.

Минимальное число удалённых абонентов с двухсторонней связью и электромагнитной защитой – 64.

Достоинство 3D М ФЭ ПМ в дистанционной программно-перестраиваемой архитектуре под конкретный алгоритм решаемой задачи без извлечения 3D М ФЭ ПМ из базового изделия, в отличие от аппаратной прошивки, как в системах с ПЛИС.

3D ФЭ матрицы функциональных СБИС, которые применяются в процессорных модулях 3D ФЭ МПМ:

  • 3D ФЭ МНП СБИС – фотон-электронная матрица нейронных процессоров. Каждый ПЭ матрицы обеспечивает многоканальный АЦП/ЦАП приём и выдачу фотонных сигналов, цифровую обработку сигналов, функциональную обработку, хранение и коммутацию данных, внутренний и внешний обмен информацией по фотонным и электронным каналам с высокой пропускной способностью;
  • 3D ФЭ МВЛ СБИС – фотон-электронная матрица лазерных диодов вертикального излучения для генерации многоканальных фотонных сигналов;
  • 3D ФЭ МНК СБИС – фотон-электронная матрица неблокируемой коммутации фотонных и электрических каналов – маршрутизатор аэрокосмического стандарта SpaceWire. 

Концепция архитектуры потокового нейросетевого процессора на основе 3D фотон-электронной матричной элементной базы и пространственной многоканальной фотонной сети

Все современные нейронные вычислители построены по планарной технологии с электрическими интерфейсными связями, а это фундаментальный их недостаток. Биологическое строение мозга имеет объёмную конструкцию и многомерные всесторонние нейронные связи.

В нейронных вычислителях основная вычислительная нагрузка ложится на сетевые архитектуры. Кто создаст вычислительную платформу с идеальной нейронной сетевой архитектурой с фотонной многоканальной полносвязной реконфигурируемой связью, тот получит доступ к рыночному разнообразию внедрения изделия, как для гражданского, так и для специального применения (рис. 27).

Рис. 27. Концепция архитектуры матричного нейронного процессора

Матричный 3D ФЭ нейровычислитель на основе аналоговых оптических вычислений, элементов оптических систем и многоканальной, пространственной фотон-электронной и волоконно-оптической связи (рис. 28)


Рис. 28. Матричный 3D ФЭ 256-ядерный нейровычислитель

Состав нейровычислителя:
  • три 3D ФЭ М ПМ с 256 ПЭ и многоканальной пространственной фотонной связью:
  • функция обработки – трёхуровневая, аналогово-цифровая;
  • базовый 3D ФЭ М ПМ – 3 шт.;
  • оптический волоконный многоканальный пространственный преобразователь – 6 шт.;
  • фотонный сумматор – оптическая линза – 3 шт.; 
  • 3D ФЭ матричная нейроморфная среда ООО «ОЭС» – 3D ФЭ МНС с фотонной многоканальной импульсной нейроморфной сетью (SNN) на основе 3D ФЭ МПП и 3D ФЭ МНП СБИС с реформируемым нейроморфным чипом «Алтай»
Нейроморфный чип российской разработки «Алтай» и его матрица нейроядер конструкторско-технологически реформируется под объёмный фотон-электронный матричный нейроморфный процессорный СБИС – 3D ФЭ МНП СБИС с матрицей АЦП/ЦАП и неблокирующим коммутатором матрицы выходных фотонных сигналов по кремниево-фотонной технологии ООО «ОЭС».

Чип «Алтай» получает в каждое нейроядро матрицы входной плоскости чипа фотонный импульсный сигнал с канальной аналого-цифровой величиной информационного сигнала до 256 бит.

После алгоритмической обработки входных сигналов из каждого нейроядра матрицы выходной плоскости чипа передаются цифро-аналоговые электрические импульсные сигналы для матрицы лазеров вертикального излучения с канальной величиной информационного сигнала до 256 бит.

3D ФЭ МНП СБИС устанавливается на объёмные фотон-электронные матричные процессорные платы – 3D ФЭ МПП. 

Архитектура матричной пространственно-временно́й нейроморфной среды – 3D ФЭ МНС с шестнадцатью 3D ФЭ МПП каждая, с четырьмя/восемью 3D ФЭ МНП СБИС, 3D ФЭ МВЛ СБИС и оптическими призменными мультиплексными элементами представлена на рис. 29–31.

Рис. 29. Структурная схема и информационные потоки 3D ФЭ МНС


Рис. 30. Фотография конструкции 3D ФЭ МПП


Рис. 31. Фотография конструкции матричной пространственно-временной потоковой нейроморфной среды – 3D ФЭ МНС с шестнадцатью функциональными 3D ФЭ МПП и оптическим призменным мультиплексным элементом

Фотонные информационные связи в матричной пространственно-временно́й нейроморфной среде – 3D ФЭ МНС

  • В матричной пространственно-временно́й потоковой нейроморфной среде 3D ФЭ ВНС располагается шестнадцать 3D ФЭ МПП. Каждая 3D ФЭ МПП содержит четыре/восемь 3D ФЭ МНП СБИС с матрицами 32×32 нейронных ядер и 3D ФЭ МВЛ СБИС с матрицами 32×32 лазеров вертикального излучения. Каждый выход матриц нейронных ядер 3D ФЭ МНП СБИС в 3D ФЭ МПП связан через оптическую призменную систему с входом с одной или двумя матрицами нейронных ядер 3D ФЭ МНП СБИС в 3D ФЭ МПП и их 1024 или 2048 нейронными ядрами. Так же организована оптическая связь и у других 3D ФЭ МПП с их матрицами нейронных ядер.
  • В матричной пространственно-временно́й потоковой нейроморфной среде – 3D ФЭ МНС, содержащей шестнадцать 3D ФЭ МПП с четырьмя или восемью 3D ФЭ МНП СБИС с матрицами 32×32 нейронных ядер. В 3D ФЭ МПП имеется 16 777 216 или 33 554 432 нейрона с 4 294 967 296 или 8 589 934 592 синапсами.
  • В матричной пространственно-временно́й потоковой нейроморфной среде – 3D ФЭ МНС, содержащей четыре или восемь 3D ФЭ МНП СБИС в 3D ФЭ МПП, в случае реализации в 3D ФЭ МНП СБИС неблокирующего коммутатора фотонных выходных каналов 3D ФЭ МНС реализует архитектуру произвольного формирования структуры нейроморфных сетей с многократным увеличением фотонных информационных связей.
  • В матричной пространственно-временно́й потоковой нейроморфной среде – 3D ФЭ МНС, содержащей четыре или восемь 3D ФЭ МНП СБИС в 3D ФЭ МПП, возможна реализация интерфейсных электрических связей между 3D ФЭ МНП СБИС на 3D ФЭ МПП, что, соответственно, увеличивает гибкость информационных потоков в нейроморфной сети 3D ФЭ МНС. 
  • 3D ФЭ матричная фотонная нейросетевая оптическая платформа ООО «ОЭС» – 3D ФЭ МНОП строится на 3D ФЭ МПМ и 3D ФЭ МНП СБИС с тензорной, систолической, нейроморфной архитектурой и реализует свёрточные нейронные сети (CNN) или импульсные нейроморфные сети (SNN) (рис. 32).

Рис. 32. Архитектура 3D ФЭ матричной нейросетевой оптической платформы ООО «ОЭС» – 3D ФЭ МНОП

Конструктивная единица 3D ФЭ МНОП
  • В 3D ФЭ матричной нейросетевой оптической платформе – 3D ФЭ МНОП – располагается четыре 3D ФЭ МПМ. Каждый 3DФЭ МПМ содержит четыре 3D ФЭ МНП СБИС с тензорной, систолической или нейроморфной архитектурой, связанных между собой по электрическому интерфейсу.
  • 3D ФЭ МНП СБИС содержит матрицу 32×32 нейронных ядер.
  • Каждый фотонный вход-выход четырёх матриц нейронных ядер 3D ФЭ МНП СБИС 3D ФЭ МПМ соединён через фокон-линзовую оптическую систему и оптическую мультиплексную призму с фотонным входом-выходом двух 3D ФЭ МНП СБИС 3D ФЭ МПМ и их 512 нейронными ядрами. Так же организована фоконно-линзовая оптическая система и у других матриц нейронных ядер 3D ФЭ МНП СБИС 3D ФЭ МПМ.
  • В 3D ФЭ матричной нейросетевой оптической платформе – 3D ФЭ МНОП матрица выходных сигналов нейронных ядер 3D ФЭ МНП СБИС 3D ФЭ. 
  • МПМ суммируется с помощью оптической линзовой системы и передаётся во входной канал принимающей нейронной матрицы. Программа решает, индивидуально или полносвязно принять результат выхода нейрона с матрицы выходных сигналов через фоконную оптическую систему: сразу с 512 соседними нейроными ядрами или индивидуально с помощью неблокирующего коммутатора. Так же организована многоканальная связь и с другими матрицами нейронов 3D ФЭ МНП СБИС.

Фотонные информационные связи в 3D ФЭ матричной нейросетевой оптической платформе – 3D ФЭ МНБП (МНОП)

В 3D ФЭ МНБП(МНОП) каждый 3DФЭ МПМ содержит четыре 3D ФЭ МНП СБИС с матрицей процессоров тензорной, систолической или нейроморфной архитектуры, связанных между собой по электрическому интерфейсу.
Матричные процессоры – 3D ФЭ МНП СБИС размерностью 32×32 = 1024 ПЭ с нейронными ядрами.

1024×1024×2 = 2 097 152. Прямые фотонные связи с нейронными ядрами.

2 097 152×4 = 8 388 608. Прямые фотонные связи между четырьмя кристаллами 3D ФЭ МНП СБИС с нейронными ядрами.

8 388 608×4 = 33 554 432. Прямые фотонные связи между четырьмя 3DФЭ МПМ с четырьмя 3D ФЭ МНП СБИС размерностью 32×32 = 1024 ПЭ с нейронными ядрами.

8 388 608×256 = 2 147 483 648. Прямые фотонные связи с нейронами в 3D ФЭ МНБП(МНОП).

2 147 483 648×256 = 549 755 813 888. Прямые фотонные связи с синапсами в 3D ФЭ МНБП(МНОП).

В 3D ФЭ матричной нейросетевой оптической платформе – 3D ФЭ МНБП/МНОП реализуется:
  • 2 147 483 648 (два миллиарда сто сорок семь миллионов четыреста восемьдесят три тысячи шестьсот сорок восемь) фотонных связей с нейронами;
  • 549 755 813 888 (пятьсот сорок девять миллиардов семьсот пятьдесят пять миллионов восемьсот тринадцать тысяч восемьсот восемьдесят восемь) фотонных связей с синапсами.
Базовая платформа ООО «ОЭС» – 3D ФЭ МНБП(МНОП) с фотонной многоканальной связью на основе 3D ФЭ МПМ и 3D ФЭ МНП СБИС и оптических призменных мультиплексных элементов для систем искусственного интеллекта с применением как свёрточных нейронных сетей (CNN), так и импульсных нейроморфных сетей (SNN) является 3D ФЭ МНБП потоковой, пространственно-временно́й, перестраиваемой архитектурой и включает в себя (рис. 33):
  • базовый 3D ФЭ МПМ – 4 шт.;
  • оптический мультиплексор 3D ФЭ МОМ с призмами – 4 шт.

Рис. 33. 3D ФЭ матричная нейросетевая базовая платформа ООО «ОЭС» – 3D ФЭ МНБП

Число удалённых абонентов с двухсторонней связью и электромагнитной защитой – 256.

3D ФЭ матричный нейросетевой кластер ООО «ОЭС» – 3D ФЭ МНК с фотонной многоканальной связью на основе 3D ФЭ МПМ и 3D ФЭ МНП СБИС и оптических призменных мультиплексных элементов для систем искусственного интеллекта с применением как свёрточных нейронных сетей (CNN), так и импульсных нейроморфных сетей (SNN) включает в себя 3D ФЭ МНБП – 4 шт (рис. 34):
  • Фотонные информационные связи в 3D ФЭ матричном нейросетевом кластере 
  • ООО «ОЭС» – 3D ФЭ МНК

Рис. 34. 3D ФЭ матричный нейросетевой кластер – 3D ФЭ МНК

3D ФЭ МНК содержит четыре 3D ФЭ МНБП, каждый имеет 2 147 483 648 прямых фотонных связей с нейронами и 549 755 813 888 прямых фотонных связей с синапсами.

В 3D ФЭ матричном нейросетевом кластере ООО «ОЭС» – 3D ФЭ МНК реализуется:
  • 2 147 483 648×4 = 8 589 934 592 (восемь миллиардов пятьсот восемьдесят девять миллионов девятьсот тридцать четыре тысячи пятьсот девяносто две) фотонные связи с нейронами;
  • 415 226 380 288×4 = 1 660 905 521 152 (один триллион шестьсот шестьдесят миллиардов девятьсот пять миллионов пятьсот двадцать одна тысяча сто пятьдесят две) фотонные связи с синапсами. 
Сервер на базе 3D ФЭ с матричными нейросетевыми кластерами – 3D ФЭ МНК и потоковой, пространственно-временно́й, перестраиваемой архитектурой способен реализовать любой уровень ИИ.

3D кремниево-фотонная технология ООО «ОЭС» реализует 3D фотон-электронные матричные, многоканальные связи в обеих плоскостях чипов, изготовленных по кремниевой или арсенид-галлиевой технологии. 3D ФЭ нейрочипы для 3D ФЭ нейропроцессоров более эффективны, чем нейрочипы для нейропроцессоров, изготовленных по 2D полупроводниковой технологии с планарными электрическими выводами. Изделия с 3D кремниево-фотонной технологией ООО «ОЭС» полностью реализуются на российских предприятиях.

3D кремниево-фотонная технология ООО «ОЭС» и 3D ФЭ конструкторские и технологические решения позволяют создавать 3D ФЭ изделия с ИИ и применять их в специальных системах, например, беспилотных летательных аппаратах и в гражданских системах для создания сервера с программно-сетевой адаптацией и большим объёмом памяти искусственного мозга.

Серверы с ИИ для медицинской нейроинформатики позволяют устранять непрофессиональные диагнозы врачей и избежать таких трагедий, которая произошла с моей женой, которую я потерял, прожив совместно 50 лет счастливой жизни.


Поделиться:



Комментарии

Текст сообщения*
Защита от автоматических сообщений