Исследователи из Сарова начали разработку фотонного процессора

22 декабря 2017 года

Институт программных систем РАН, в котором ежегодно проходит Национальный Суперкомпьютерный Форум
Фото: Игорь Шелапутин

Лауреат Государственной премии РФ Сергей Александрович Степаненко (РФЯЦ-ВНИИЭФ, город Саров) рассказал про фотонные вычисления и разработку фотонных компьютеров, выступая на Национальном Суперкомпьютерном Форуме в Переславле (28 ноября 2017 года). Сергей Степаненко объяснил структуру фотонного процессора, алгоритмы его работы и дал оценку быстродействия.

Фотонный процессор позволит достичь экзафлопсной производительности при совсем небольшой потребляемой мощности.

Вопрос о фотонных компьютерах возникает, потому что виден предел в ускорении расчётов. Производительность нынешних гибридных компьютеров к 2020 году достигнет экзафлопса. Электронные компьютеры уже не станут быстрее, не пройдут за этот барьер. Пришло время обратиться к совершенно другим средствам.

Для дальнейшего роста производительности нужны и новые архитектуры компьютеров, и новые методы создания программ. Андрей Климов, заведующий сектором ИПМ имени Келдыша РАН, участник НСКФ

Фотонный процессор имеет привычную структуру: в нём есть арифметико-логическое устройство, коммутаторы и каналы связи. Вычислительное задание преобразуется в оптическую программу. Выполняя её, лазер посылает когерентные лучи в устройство ввода-вывода и дальше в процессорные блоки. Когерентность позволяет лучам взаимодействовать в оптических элементах.

Сергей Александрович Степаненко выступает с докладом
Фото: PereslavlFoto

Наука уже пыталась построить процессор на оптических элементах. Здесь возникали две проблемы. С одной стороны, время и энергия тратились на преобразования на стыке оптической и электронной частей, отчего фотонный процессор замедлялся. С другой стороны, оптические трансфазоры повторяли логику привычных транзисторов с управляющим воздействием на среду. Это снова требовало времени и энергии, а результат оставался недостаточно быстрым.

По мысли Сергея Степаненко, решение дают пассивные оптические элементы, в которых использована интерференция. Выходной световод может стоять в точке интерференционного минимума или в точке равных интенсивностей, работая как логический элемент NOT, OR или XOR. Так получается привычная нам система арифметико-логического устройства.

Логический элемент, рассчитанный на длину волны 1530 нм, должен быть размером около 65 мкм. Фотолитография хорошо освоила такие масштабы.

Расчёты показали, что производительность одного фотонного АЛУ меняется от 66 до 1000 терафлопс в зависимости от длины волны. Перейдя на ультрафиолетовое излучение с длиной волны 100 нм, можно в одном процессоре достичь экзафлопсной производительности, потратив только 100 Вт потребляемой мощности.

Имея размер литровой банки, такой процессор по скорости расчётов обгонит суперкомпьютеры размером со стадион.

Лучи с разными длинами волн не взаимодействуют друг с другом (не когерентны). Это позволяет одновременно выполнять несколько расчётов в одной машине.

Фотонные и электронные процессоры смогут решать одинаковый круг задач. Однако в работе фотонного процессора есть важное отличие: свет нельзя остановить и сохранить в памяти, поэтому вычисления должны идти по мере готовности операндов. Это потребует новых алгоритмических решений. В паре с фотонным вычислителем должен работать электронный процессор, который готовит очередь команд и данных, берёт их из памяти и сохраняет в память.

Николай Николаевич Непейвода
Фото: PereslavlFoto

Обсуждая доклад, профессор Непейвода рецензировал:

Мы боимся пересмотреть всё, потому что здесь — свет не остановишь. Оптимизации почти никакие не пройдут, потому что промежуточные переменные нужно запоминать, а они останавливают. На каждом буквально шагу вот такие вещи. Можно вычислять светом сразу матрицы, а не логические операции. Вы недооцениваете себя, смотря в парадигму Цузе и фон Неймана, хотя вам открываются совсем другие перспективы. Николай Непейвода, д. ф.-м. н., главный научный сотрудник ИПС РАН

Мы продолжим освещать выступления отдельных участников НСКФ и достижения этой промышленности.

Источники

• Национальный Суперкомпьютерный Форум.
• Запись доклада на YouTube.
• Степаненко, С. А. Фотонная вычислительная машина. Принципы реализации. Оценки параметров // Доклады академии наук. 2017. Т. 476. № 4. С. 389—394.
• Степаненко, С. А. Фотонный компьютер: структура и алгоритмы, оценки параметров // Фотоника. 2017. № 7. С. 72—83.

Комментарии

Викиновости и Wikimedia Foundation не несут ответственности за любые материалы и точки зрения, находящиеся на странице и в разделе комментариев.

Мнения

Пожалуйста, прочтите правила общения и оформления реплик на портале Викиновости

Если вы хотите сообщить о проблеме в статье (например, фактическая ошибка и т. д.), пожалуйста, используйте обычную страницу обсуждения.

Комментарии на этой странице могут не соответствовать политике нейтральной точки зрения, однако, пожалуйста, придерживайтесь темы и попытайтесь избежать брани, оскорбительных или подстрекательных комментариев. Попробуйте написать такие комментарии, которые заставят задуматься, будут проницательными или спорными. Цивилизованная дискуссия и вежливый спор делают страницу комментариев дружелюбным местом. Пожалуйста, подумайте об этом.

Несколько советов по оформлению реплик:

• Новые темы начинайте, пожалуйста, снизу.
• Используйте символ звёздочки «*» в начале строки для начала новой темы. Далее пишите свой текст.
• Для ответа в начале строки укажите на одну звёздочку больше, чем в предыдущей реплике.
• Пожалуйста, подписывайте все свои сообщения, используя четыре тильды (~~~~). При предварительном просмотре и сохранении они будут автоматически заменены на ваше имя и дату.

Обращаем ваше внимание, что комментарии не предназначены для размещения ссылок на внешние ресурсы не по теме статьи, которые могут быть удалены или скрыты любым участником. Тем не менее, на странице комментариев вы можете сообщить о статьях в СМИ, которые ссылаются на эту заметку, а также о её обсуждении на сторонних ресурсах.

Добавить комментарий

• Отличная новость. Только смутило несколько моментов. В заголовке написано про Саров, но в тексте ничего про этого нет. Кроме того интересно, как исследователи будут это делать. Сколько это будет стоить? И тому подобное. DonSimon (обсуждение) 09:54, 22 декабря 2017 (UTC)
  • Вы правы. Дописал к институту ВНИИЭФ город Саров, где они работают.
  • Что же до практики, то постройка в стекле и металле ещё далеко. Сейчас пытаются очертить контур задачи: как всё это может работать, будет ли прирост скорости, сколько энергии потребляет, можно ли построить это с доступной нам технологией (фотолитография и лазеры), из чего строить устройство, как программировать устройство, какая математика ему нужна.
  • Практические детали есть в статьях по ссылкам. Может быть, сослаться на ютуб с выступлением докладчика? --PereslavlFoto (обсуждение) 10:20, 22 декабря 2017 (UTC)
    • Было бы здорово. DonSimon (обсуждение) 11:13, 22 декабря 2017 (UTC)