ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СОЗДАНИЯ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ И ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ ДЛЯ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

РЕФЕРАТ Отчет 158 с., 56 рис., 11 табл., 152 источн. Ключевые слова: САПР, параллельная потоковая вычислительная система, реконфигурируемые системы на кристалле, трехуровневый логический синтез, искусственный интеллект, сверточные нейросети, адаптивные цифровые фильтры, топологическое проектирование, SPICE-модель, схемотехническое моделирование, магнитная память, скирмион, спин-орбитальный вращательный момент, спиновый эффект Холла, свободный ферромагнитный слой. Объект исследования: высокопроизводительные вычислительные системы повышенной надежности и элементная база для них. Цель исследования: создание новых принципов организации и аппаратной реализации высокопроизводительных вычислительных систем и их программного обеспечения, а также разработка новых методов автоматизации проектирования и элементной базы для этих систем, включая нейрочипы, устройства цифровой обработки сигналов, и запоминающие элементы на базе новых физических принципов. Метод или методология проведения работы: теоретический анализ, математическое моделирование, аналитические и численные расчеты, экспериментальные исследования. В ходе выполнения НИР получены следующие научные результаты: 1) Разработана обобщенная теоретико-графовая модель программируемых логических блоков гетерогенных ПЛИС и реконфигурируемых СнК для выполнения задач технологического отображения и логического архитектурно-ориентированного ресинтеза. 2) Разработаны алгоритмы технологического отображения на основе обобщенной модели программируемых логических блоков с возможностью отображения на целевую архитектуру ПЛИС или реконфигурируемой СнК результатов технологически зависимого и технологически независимого логического синтеза. 3) Разработаны алгоритмы логического ресинтеза проектируемых интегральных схем на основе обобщенной модели программируемых логических блоков с учетом особенностей целевых архитектур гетерогенных ПЛИС и реконфигурируемых СнК. 4) Разработаны принципы отображения элементов «классических» алгоритмов на вычислительную систему, реализующую потоковую модель вычислений с динамически формируемым контекстом. 5) Сформулированы методические рекомендации по написанию потоковых параллельных программ в парадигме «раздачи» для программистов, работающих в императивной парадигме программирования. 6) Разработан программно-аппаратный комплекс для определения параметров SPICE-моделей позволяющий ускорить получение достоверных экспериментальных данных по характеристикам и параметрам электронных компонентов в заданных диапазонах воздействия температуры и радиации. 7) Предложен подход редукции моделей, учитывающий количественные оценки избыточности редуцируемых моделей уже на этапе построения базиса проекционных матриц. Введена концепция избыточности редуцированных моделей для задач схемотехнического моделирования. 8) Разработан метод трехуровневой логической минимизации на основе базовых алгоритмов Espresso. Произведена адаптация наиболее трудоемких вычислений для переноса их выполнения на графические аппаратные ускорители. 9) Проведено тестирование разработанного программного средства трехуровневой минимизации на большом наборе логических схем и его сравнение с алгоритмом Espresso по различным метрикам эффективности. 10) Разработаны и исследованы адаптивные фильтры на базе RLS-алгоритмов, а также адаптивные антенные решетки с пониженной вычислительной сложностью. Разработаны бесфазовые алгоритмы калибровки антенных решеток с малым числом измерений выходной мощности. 11) Предложен подход к решению задач классификации на трёхмерных изображениях на базе высокопроизводительных вычислительных систем за счёт адаптации существующих моделей нейронных сетей и применения трёхмерных свёрток. 12) Разработана математическая модель элемента памяти SOT-MRAM цилиндрической формы c планарной анизотропией свободного слоя, помещенная в магнитное поле, параллельное оси легкого намагничивания. Предложена двухтактная схема управления таким элементом. Продукция – научные статьи, опубликованные в рецензируемых изданиях: по результатам работы в 2022 году опубликовано 35 статей в рецензируемых научных изданиях, а также 17 статей в изданиях, индексируемых в Scopus и Web of Science.