Нейроморфные технологии давно перестали быть исключительно предметом академических исследований. Они становятся реальным инструментом, способным трансформировать такие области как BCI (brain-computer interfaces), робототехника и обработка сигналов в реальном времени. Компания «Поликетон» разработала собственное решение — Систему Автоматизированного Проектирования (САПР) MemriLAB - инструмент, который упростит процесс разработки, сделает его более удобным и эффективным. Сегодня мы готовы поделиться первыми результатами нашей работы, рассказать подробнее о возможностях MemriLAB и продемонстрировать в действии модуль MemriTest, созданный для автоматизации и снижения трудозатрат при проведении методик испытаний мемристивных устройств - кандидатов на роль компонентной базы для нейроморфных систем.

О КОМПАНИИ

Компания «Поликетон» занимается разработкой и производством фоторезистов для литографии (160 – 10нм), химических особо чистых веществ, тонкопленочных структур. Значимость технологий оценена на уровне федерального и регионального Министерства промышленности РФ, научно-экспертным сообществом в области микроэлектроники. С 2022 года компания консолидирует компетенции в области создания мемристивных устройств, системной архитектуры и нейроморфных систем. С 2023 года является участником акселератора «Микроэлектроника».

ЗАЧЕМ НУЖНЫ НЕЙРОМОРФНЫЕ СИСТЕМЫ

Наша миссия - создание инвазивных BCI (brain-computer interfaces), и в этом контексте нейроморфные системы играют ключевую роль, так как для работы с мозгом нужны миниатюрные энергоэффективные чипы для многофакторных вычислений высокой плотности в условиях реального времени и зашумленных данных.

Современные нейросетевые архитектуры полностью зависят от операций матрично-векторного умножения (MAC), которые составляют 90% всех вычислений в CNN и более 60% времени выполнения в трансформерах. По консервативным оценкам, глобальный объем MAC-операций для ИИ достиг порядка 10 в 26 степени операций в год, с прогнозом роста до 10 в 31 степени к 2030 году.

ВЫЗОВ ОТРАСЛИ

Наверное, многие из вас замечали, как стремительно развиваются технологии ИИ - каждый месяц появляются новые модели, новые возможности, и кажется, что мы не успеваем за этим прогрессом. И это не просто ощущение - вычислительная сложность современных систем растет экспоненциально, требуя все больше ресурсов и энергии.

С каждым новым витком прогресса в технологиях ИИ усиливаются ограничения: производительности, энергоэффективности, масштабирования.

Но природа уже давно нашла решение этих проблем. Наш мозг работает по принципам, которые мы сейчас пытаемся воспроизвести в нейроморфных системах - это:

  • массово-параллельная архитектура;
  • асинхронная обработка;
  • локальное обучение, за счет физической реализация синаптических весов;
  • спайковая передача информации;
  • вычисления в памяти.

Однако, несмотря на огромный потенциал, данное направление сталкивается с серьезными вызовами:

  • Отсутствует единая программная среда и стандарты разработки нейроморфных систем. Используются разрозненные, не специализированные продукты иностранного производства.

  • Сложности в проведении методик испытаний новой электронно-компонентной базы. Тестирование предельных характеристик и изучение режимов работы мемристив-ных устройств проводятся с существенными технологическими ограничениями.

  • Дефицит компетенций в области нейроэлектроники и нейроморфных систем. Для развития отрасли требуется обучать не менее 1 тыс. специалистов ежегодно.

Решение указанных проблем существенно повлияет на увеличение скорости создания технологий коммерческого производства нейроморфных систем, позволит развивать технологии, являющиеся основой инновационного и устойчивого развития России.

НАШЕ РЕШЕНИЕ - САПР

Для решения этих проблем мы разработали собственную Систему Автоматизированного Проектирования MemriLAB для нейроморфных систем, которая состоит из трех ключевых компонентов:

  1. Виртуальная лаборатория - это облачная платформа, предназначенная для обучения разработчиков и предоставления доступа к прототипам нейроморфных систем.

  2. Система автоматизированного проектирования - это расширяемый и масштабируемый программный продукт на базе кроссплатформенной веб-технологий.

В состав САПР входят:

  • подсистема проектирования для создания нейроморфных схем на аппаратном уровне и уровне архитектуры нейросетей;
  • подсистема моделирования для расчета допусков и других параметров;
  • подсистема тестирования, интегрированная с аппаратной платформой;

  • расширяемые библиотеки и алгоритмы автоматизации.

  • Аппаратная платформа - обеспечивает проведение испытаний и демонстрацию принципов работы прототипов нейроморфных систем.

картинка- Архитектура САПР MemriLAB. Логическая схема

Наш продукт направлен на решение задач автоматизации:

  • исследования мемристивных ячеек и кроссбаров;
  • моделирования нейроморфных систем;
  • проектирования нейрогибридной электроники;

В наши долгосрочных планах - разработка ПАК для симуляции и программирования гибридных СБИС и их аппаратное тестирование.

ОБОЛОЧКА САПР

Любая САПР - это в первую очередь пользовательский интерфейс и мы разрабатываем удобную оболочку, которую планируем распространять по модели open-source. Программная платформа представляет масштабируемую кросс-платформенную веб-технологию, которая может быть запущена на любой ОС или в облаке.

пара картинок интерфейса

Оболочка САПР:

  • управление проектами и системными параметрами ПАК;
  • доступ к модулям;
  • редактор для подготовки отчетов и выпуска комплекта КД;
  • мастер-классы для обучения инженеров (ближайший наш мастер-класс будет посвящен биореалисточной пластичности синапсов и практической работе на нашем ПАК).

МОДУЛЬ ТЕСТИРОВАНИЯ

Сегодня мы хотим подробнее рассказать, как работает модуль MemriTest, который предназначен для тестирования предельных характеристик и изучения режимов работы мемристивных устройств, а также нейроморфных систем, созданных в САПР MemriLAB. С помощью модуля тестирования и аппаратной платформы можно проводить практическую работу с мемристивными кроссбарами.

Возможности модуля MemriTest: - тесты с ячейками; - генератор произвольного сигнала; - тесты матрично-векторного умножения в памяти; - тесты биореалистичной синаптической пластичности; - мониторинг хода эксперимента.

Чтобы продемонстрировать возможности MemriTest, мы подготовили серию видеороликов, в которых пошагово показано, как управлять экспериментами на практике.

  1. Создание теста Очередь эксперимента позволяет создать тест любой сложности и длительности. Библиотека тестов содержит 12 вариантов рекомендованных тестов, а также есть возможность создавать собственные варианты тестов на базе атомарных операций. Тесты могут проводиться, как на одной ячейке, так и на их массиве.