НОУ ИНТУИТ | Инструктивный синтез нанометровых вычислительных структур. От задач к вычислительным моделям и структурам . Лекция 8: Системотехнические аспекты перспективных компьютерных технологий

Учитесь и получайте официальные документы БЕСПЛАТНО. Вы можете поддержать наш проект.

Регистрация Вход

Твой путь к знаниям!

Опубликован: 03.04.2013 | Доступ: свободный | Студентов: 354 / 30 | Длительность: 34:17:00

Темы: Искусственный интеллект и робототехника, Программное обеспечение, Нанотехнологии

Специальности: Разработчик аппаратуры

Теги: наноэлектроника, нейрокомпьютеры, нейроны, отказоустойчивость, нейрокибернетика

|

Вам нравится? Нравится 21 студенту

| Поделиться |

Поддержать курс

| Скачать электронную книгу

7.4. Особенности нанометровой системотехники

(Нейро)компиляторы для (нейро)компьютеров нанометрового диапазона должны удовлетворять двум противоречивым требованиям:

учитывать специфику организации вычислений на физико-техническом или (био)молекулярном уровне;
быть инвариантными множеству структурно-функциональных схем гиперпараллельных вычислителей, адекватных задачам пользователя, либо на ограниченном интервале времени и с точностью до поток-операторов языков высокого уровня (в программируемых процессорах), либо в целом обслуживаемой программе (в спецпроцессорах).

Противоречие между этими требованиями заложено в том, что структурно-функциональная схема вычислителя должна быть в максимальной степени согласована с граф-потоком решаемой задачи [70], а организация вычислений должна по максимуму учитывать требования и ограничения эффективной аппаратной реализации.

В частности, взяв за главный и наиболее критичный для микроэлектроники того периода системообразующий фактор максимум "коротких" и "регулярных" пространственно-временных связей, разработчики МКМД-бит-процессорных СБИС [139] вынуждены были сохранить "единицу переноса" в каждом бит-процессоре. Это предопределило выбор последовательной арифметики, которая эффективно реализуется в режиме векторно-конвейерного распараллеливания вычислений на основе последовательных FIFO- регистровых каналов распространения данных по сверхбольшому коллективу таких вычислителей.

В гиперпараллельных нанометровых, супрамолекулярных и квантовых компьютерах структурно-функциональная схема "элементарных" вычислителей или базовых ячеек, блоков и устройств в библиотеках "нанокомпиляторов" будет диктоваться эффективными "схемотехническими" решениями, соподчиненными квантовым законам взаимодействия атомарных и (био)молекулярных структур, что требует переосмысления как минимум "системы ценностей" оптимального синтеза схем и архитектур таких компьютеров.

С этих позиций центральная системотехническая проблема наноме-тровых вычислителей связана с обеспечением продолжительного, устойчивого, пространственно-временного взаимодействия атомарных и/или (био)молекулярных структур, служащих вычислительным ядром, с потоками "свободной", высвобождаемой или перераспределяемой энергии, представляющими (кодирующими) потоки инструкций, входных, промежуточных и результирующих данных. Системотехнический аспект этой проблемы состоит в том, что нанометровые компоненты вычислительного ядра взаимодействуют друг с другом по законам квантовой механики, в то время как пространственно распределенные входные и выходные интерфейсы, обеспечивающие взаимодействие вычислительного ядра с внешними потоками инструкций и данных, функционируют по законам классической физики.

В традиционной (микро)электронике потоки инструкций и данных кодируются, как правило, одними и теми же значениями одной и той же физической переменной (обычно падением напряжения), а разделение этих потоков на управляющие и информационные осуществляется на системотехническом уровне организации вычислений:

в ОЗУ - разделением адресного пространства на память инструкций и данных;
в средствах коммутации - разделением на шины инструкций и данных;
в операционных устройствах - разделением на регистры инструкций и данных и т. п.

В оптоэлектронике [214] такое разделение потоков реализуется с привлечением переменных разной физической модальности, когда для кодирования управляющих сигналов используются электрические, магнитные, акустические и т. п. "разности потенциалов", а для информационных - амплитуды и интенсивности потоков фотонов.

"Тирания" полимодальных пространственно-временных связей в квантовых системах [182, 215] делает проблематичной задачу продолжительного, устойчивого, пространственно-временного разделения управляющих и информационных потоков. Основные усилия исследователей в этой области сконцентрированы на поиске физико-технических методов и средств:

блокады активных центров атомарных и избирательного катализа или ингибирования (био)молекулярных структур [36, 182, 185];
линеаризации полимодальных взаимодействий [216], причем обе тенденции естественным образом реализуются в ФСК [191], инструктированный синтез которых по заранее заданным селективным свойствам представляет не менее сложную проблему в биохимии и генной инженерии.

Остроту проблемы избирательного взаимодействия потоков инструкций и данных в нанометровых компьютерах можно ослабить за счет ассоциативной организации вычислений, где "тирания" по крайней мере "сильных" полимодальных пространственно-временных взаимодействий используется как положительный фактор достаточно динамичной модификации потоков инструкций под воздействием обрабатываемых потоков данных. В основе такой организации вычислений лежит структурно-функциональный дуализм между потоками инструкций и данных, который

в совокупности с кодовым дуализмом Дж фон Неймана присущ каждому программируемому или, что одно и то же, адаптируемому вычислительному устройству и проявляется в том, что их выходная реакция формируется за счет взаимодействия формально неразличимых потоков, один из которых принято называть потоком инструкций, а другой - потоком данных. Наиболее четко структурно-функциональный дуализм между потоками инструкций и данных проявляется в операционных устройствах на селекторах-мультиплексорах (см. раздел 5.3), реализующих отображение $F _{\alpha} (X^n_s, U_{Q} )$ , где $X^n_s = (x^{s}_n, x^{s-1}_n, ... , x^{s}_{1})$ и $U_{Q} = (u _{0}, u_1, ..., u_Q)$ с параметрами $x_i^s \in\{0,1}$ ; $i=\overline{1,n}$ ; $s=\overline{0,Q}$ ; Q = 2^n-1 ; $u_s \in\{0,1\}$ ; $\alpha=\ovarline{0,M}$ ; $M= 2^{Q+1}-1$ . Если селектор-мультиплексор (рис. 7.8 для n =2) рассматривать как коммутационный автомат, то управляющими следует считать -переменные, -я комбинация значений которых задает соответствующий адрес информационной переменной u_s , формирующей выходную реакцию $F_{\alpha} ( X_s^n ,U_{Q} ) := u_s$ , $F_{\alpha}(X_n^s,U_Q):=u_s$ если $\bigwedge_{i=1}^{n}c_i$ , где $c_{i}:= x_i^s$ при x_i^s =1 и $с_i^s:=\overline{х_i^s}$ при x_i^s =0 .

Если селектор-мультиплексор рассматривать как комбинационный автомат, то управляющими следует считать s-, а информационными -переменные, так как содержимое первых задает таблицу истинности (код) реализуемой булевой функции (БФ): $F _{\alpha} (X_s^n ,U_{Q} ) := F _{\alpha} (X_n^s)$ , если $[ \alpha ]_2 =U_{Q}=const$ , где $[ \alpha ]_{2}$ - двоичное представление индекса $\alpha$ . В частности, при $U_{Q=3} = (0,1,1,0)$ селектор-мультиплексор рис. 7.8 реализует БФ "неравнозначность": $F_6(x_2,x_1) = \overline{x}_2 * x_1 + x_{2} *\overline{x}_1$ , а при $U_{Q=3} = (0,0,0,1)$ - БФ "И": $F_{1}(x_{1},x_{2})= x _{1}*x_{2}$ и т. д. для всех 16 БФ 2-х переменных.

Рис. 7.8. Универсальный логический модуль на селекторе-мультиплексоре

Ассоциативное взаимодействие потоков инструкций и данных достаточно четко проявляется в конвейерном сумматоре (см. рис. 5.12), в котором управляющий вектор $U_{Q=3}(t) = (e(t - l),\overline{e(t - l)}, \overline{e(t - l)},e(t -1)) = \varphi[e(t -1)]$ на последующем такте работы селектора-мультиплексора формируется "единицей переноса" e(t-1) предыдущего такта работы.

Отсюда, в наноэлектронике, супрамолекулярной и квантовой электронике традиционные неассоциативные вычислители отличаются от ассоциативных тем, что допускают только "абсолютно упругие" (по отношению к потокам инструкций) взаимодействия с потоками данных, в то время как в ассоциативных в результате взаимодействия преобразуются не только потоки входных данных, но и исполняемые инструкции, причем правила модификации активных слов- и/или поток-инструкций в идеале должны порождать частично упорядоченную последовательность этих инструкций, задаваемую программой пользователя и содержимым потоков обрабатываемых данных.

Для реализации такой организации вычислений в нанометровых, супрамолекулярных и квантовых компьютерах необходимо:

а) чтобы под воздействием потоков данных модифицировались не реализованные, а реализуемые инструкции;
б) чтобы период неассоциативного (устойчивого) взаимодействия активных слов- и/или поток-инструкций с потоками данных был достаточным для накопления "слабых" ассоциативных возмущений, обеспечивающих с "вероятностью единица" скачкообразный переход к следующей поток-инструкции программы.

Первое условие требует введения в вычислительную технику понятий самоопределяемых и доопределяющих переменных, содержимое которых задает подмножество допустимых преобразований над ними. Как видно из базовой модели, в качестве таких переменных в СМК используются ФСК, в которых фермент доопределяет сy6cmpаm по (под)множеству допустимых над ними (химических) преобразований.

Второе условие регламентирует максимальную размерность циклически обрабатываемого потока данных, которая определяется не постановкой задачи, а периодом устойчивой реализации слов- и/или поток-оператора. В результате для согласования "меньшей физической" и "большей аналитической" размерностей потоков данных необходимо каскадное включение со сдвигом по фазе аппаратно реализованных и временно устойчивых слов- и/или поток-инструкций, что относится к системотехническому уровню организации вычислений.

В традиционной (микро)электронике проблема выбора структурного алфавита для информационных и управляющих переменных и физической модальности для их представления не стоит и решается автоматически заданием класса приборов: аналоговые, цифро-аналоговые или цифровые, технология проектирования которых поддерживается практически независимыми кремниевыми компиляторами.

Физические модальности информационных и управляющих переменных в (микро)электронных приборах идентичны, определены априори и представлены падением напряжений вне транзистора и током вну-

три него. Идентификационные переменные задаются вольт-амперными характеристиками таких приборов и являются неизменными (по значениям порогов "нуля" и "единицы") в цифровых компонентах и в аналоговых, параметрически перестраиваемыми. Значения идентификационных переменных являются стандартом однозначного кодирования "логических" переменных "физическими", который поддерживается в активных элементах и средствах коммутации схем по динамическим показателям и показателям точности в заранее заданном диапазоне изменения внешних и внутренних воздействующих факторов, что составляет центральную схемотехническую, топологическую, технологическую и (с учетом развития) физико-техническую проблему кремниевой компиляции.

Отсюда, (микро)электроника фактически базируется на преобразованиях физических модальностей двух типов: "разность потенциалов - ток" во входном контуре и "ток - разность потенциалов" в выходном контуре транзистора, причем второе преобразование поддерживает коммутационный стандарт всей схемы, обеспечивая "произвольное" соединение ее элементов, на что расходуется основная мощность потребления СБИС или УБИС.

Аналоговый (непрерывный по времени и/или аргументу) характер физических представителей информационных, управляющих и идентификационных переменных предопределяет выбор двузначного структурного алфавита для цифровых СБИС или УБИС, так как для реализации многозначного алфавита приходится использовать не физико-технические параметры транзисторов (токи "отсечки" и "насыщения"), а схемотехнические решения [59, 212], обеспечивающие стабилизацию потенциалов и токов внутри динамического диапазона их изменения. В итоге аппаратные затраты возрастают, а помехозащищенность многозначных вентилей падает, что не окупает выигрыш от снижения разрядности переменных, а значит, и от числа связей по отношению к схемам на двузначных вентилях.

В оптоэлектронике [214, 217] выбор структурного алфавита осуществляется тем же путем, но многообразие используемых физических модальностей гораздо шире, что увеличивает количество маршрутных и операционных карт технологических процессов, обслуживаемых "оптоэ-лектронными компиляторами".

В отличие от СМК спектр поглощения (излучения) в КК обычно дискретен, энергетические уровни квантованы, а переходные процессы между ними скачкообразны по времени и по значениям, что создает идеальные условия для работы в структурном алфавите конечной знач-ности, который влияет не только на схемо-, но и на системотехнические решения, создавая предпосылки для распараллеливания вычислений на уровне "элементарных" бинарных функций. Действительно, если переходные процессы в квантовой системе позволяют (в пределе) созда-

вать множество всевозможных подмножеств из составляющих спектра поглощения (излучения), то за счет частотной избирательности можно реализовать не одну многозначную (задающую) дискретную функцию, а некоторое множество "сателлитных" бинарных функций, кодируемых наличием или отсутствием соответствующей составляющей спектра. При этом уровням "нуля" и "единицы" разных бинарных функций будут соответствовать разные частотные составляющие спектра, а коэффициент МКОД-параллелизма будет определяться шириной спектра и полосой избирательности. (МКОД - схема распараллеливания по принципу "множество инструкций - одно данное".)

Коммутационный стандарт в КК, как и в СМК, является полимодальным и зависит от "длины" связи (см. рис. 7.4 [182]). Связи, соизмеримые с линейными размерами активных элементов (1-2 нм), можно обеспечить туннельным взаимодействием. В противном случае необходимо прямое усиление кулоновских взаимодействий (10-20 нм), квантовых обменов (100-200 нм) и электромагнитных волн (10-20 мкм). Это приводит к необходимости включения в такие компьютеры распределенных, специфических, бимодальных входных и выходных согласователей, встроенных в активные элементы или автономные от них. Именно такие буферные каскады способны обеспечить высокий уровень избирательного взаимодействия "сложных" квантовых структур и требуемую продолжительность периода их декогерентизации под воздействием потоков энергии, кодирующих управляющие, информационные и идентификационные переменные.

В отличие от микроэлектронных схем, работа которых осуществляется с расходом энергии и поддерживается глобальными шинами "земля - питание" от унимодального источника, в КК диссипация энергии носит деструктивный характер. Получить обратимые КК невозможно, и поэтому имеет смысл включить в их состав аккумуляторы энергии, которые, как и в СМК, должны быть распределенными, полимодальными и должны решать не столько задачу ее доставки, сколько пространственно-временного перераспределения и поддержания энергетического баланса в системе (в том числе и теплового). Сложность этой достаточно новой для вычислительной техники проблемы можно оценить на примере синтеза молекул АТФ (аде-нозинтрифосфата). АТФ является основным, но не единственным аккумулятором и источником парциальной энергии, пространственно-временное накопление и использование которой регулируется субклеточными механизмами от генного до мембранного ур овней взаимодействия [218, 219].

Производство АТФ рассмотрим исходя из достаточно грубой 2-фазной схемы метаболизма глюкозы в клетке, которая включает:

гликолиз (окисление глюкозы), который может протекать анаэробно (в отсутствии поставляемого в клетку гемоглобином кислорода) и в результате которого из 1 молекулы глюкозы образуются 2 молекулы пировиноградной кислоты;
декарбоксилирование пировиноградной кислоты на основе цикла лимонной кислоты, запускаемого и замыкаемого при наличии в клетке щавелево-уксусной кислоты (рис. 7.9).

Каждый цикл лимонной кислоты порождает 15 молекул АТФ и является вложенным в процесс расщепления глюкозы до углекислоты и воды, в гликолитической фазе которого образуется 2 молекулы пировиноград-ной кислоты, что в сумме по двум циклам дает 30 молекул АТФ. В самом гликолизе, включающем порядка 12 стадий типа (7.1), образуется 8 молекул АТФ, то есть в полном метаболизме 1 молекулы глюкозы вырабатывается 38 молекул АТФ, что составляет 38х8 = 304 Ккал на грамм-молекулу глюкозы (180 г).

При непосредственном сгорании такого количества глюкозы в атмосфере кислорода выделяется 673 Ккал, то есть эффективность многостадийного аккумулирования и расходования в пригодной для клетки форме энергии не превышает 45 % (без учета "накладных" расходов, так как АТФ служит энергетической "валютой" для метаболических процессов [219]).

Рис. 7.9. Цикл лимонной кислоты

При недостатке глюкозы (углеводное голодание) источником энергии в организме служат менее эффективные реакции окисления жирных кислот, а в случае и их дефицита организм начинает "сжигать" жизненно необходимые белки.

Деструкция аминокислот белка в АТФ:

приводит к накоплению опасного для клеток аммиака, вывод которого из организма представляет самостоятельную биохимическую и физиологическую проблему;
требует специфических схем окисления в зависимости от аминокислотного состава сжигаемых белков.

Общим у этих схем является только принцип: отделение от аминокислоты аминогруппы, превращение образовавшегося соединения в вещество, лежащее на прямом пути окисления глюкозы или жирных кислот, и выход на одну из стадий схем окисления последних [219]. С учетом [218], из приведенных данных видно:

многостадийностъ аккумулирования и расходования АТФ как энергетической "валюты" является узловым механизмом ее пространственно-временного перераспределения на субклеточном уровне;
в основе этих процессов лежат преобразования ФСК, в инструктированном синтезе которых задействованы механизмы генного регулирования;
"(био)молекулярная гигиена" процессов синтеза ФСК поддерживается полупроницаемыми мембранами рибосом, а АТФ - мембранами митохондрий (в животных клетках) и хлоропластов (в растительных), обеспечивающих избирательный (вплоть до ионного) полимодальный обмен компонентами с цитоплазмой.

Отсюда, в частности, следует: для создания твердотельных нано-метровых вычислителей требуется технологическое оборудование, обеспечивающее субнанометровые топологические нормы проектирования и субнанометровый уровень "электронно-вакуумной гигиены" для их производства, а возможно, и эксплуатации.

На основе приведенных данных можно заключить:

Структурно-функциональный дуализм между потоками инструкций и данных в совокупности с кодовым дуализмом Дж. фон Неймана является атрибутом любого вычислительного процесса, и его можно использовать:
- в сверхпараллельных БВС с элементной базой субмикронного уровня для локального ассоциативного управления потоками данных, в рамках которого инициализация последующей инструкции заменяется модификацией предыдущей инструкции с использованием обрабатываемой или специально сформированной переменной;
- в нанометровых и квантовых вычислителях для ассоциативного управления ходом вычислительного процесса, в котором локальное рассеяние энергии при выполнении предыдущего поток-оператора трансформирует структурно-функциональную схему алгоритмически ориентированного вычислителя под требования граф-потока последующего поток-оператора решаемой задачи.
Для повышения "времени жизни" вычислителей нанометрового диапазона необходимо использовать комплекс системотехнических мер, включающий:
- полимодальное кодирование управляющих, идентификационных и информационных переменных, которое минимизирует паразитные квантовые взаимодействия по типу "каждый с каждым";
- аккумуляцию и отвод рассеянной в квантовом "рабочем теле" энергии на основе специфических структур типа АТФ.

Дальше >>

Авторизоваться

Инструктивный синтез нанометровых вычислительных структур. От задач к вычислительным моделям и структурам

Системотехнические аспекты перспективных компьютерных технологий

7.4. Особенности нанометровой системотехники

Вопросы и ответы