Гонка кремниевых архитектур: как DARPA выбирает между транзисторами и конденсаторами для боевого ИИ

С 2023 года DARPA реа­ли­зу­ет про­грам­му OPTIMA с общим бюд­же­том в 78 мил­ли­о­нов дол­ла­ров. Ее основ­ная зада­ча — пре­одо­леть фун­да­мен­таль­ный кри­зис совре­мен­ной вычис­ли­тель­ной тех­ни­ки и создать сверх­эф­фек­тив­ные ИИ-уско­ри­те­ли на базе вычис­ле­ний в мас­си­вах памя­ти. Одна­ко вме­сто того что­бы вкла­ды­вать­ся в еди­ный стан­дарт, Пен­та­гон рас­пре­де­лил финан­си­ро­ва­ние меж­ду дву­мя кон­ку­ри­ру­ю­щи­ми физи­че­ски­ми кон­цеп­ци­я­ми: кон­сор­ци­ум Прин­сто­на и стар­та­па EnCharge AI полу­чил основ­ную сум­му в 18,6 млн дол­ла­ров, в то вре­мя как сто­рон­ни­ки тран­зи­стор­но­го под­хо­да — Georgia Tech и UCLA — полу­чи­ли 9,1 млн и 8 млн дол­ла­ров соот­вет­ствен­но.

Источ­ник изоб­ра­же­ния: Тг-канал «Сек­ре­ты DARPA и ЦРУ»

Пово­дом взгля­нуть на внут­рен­ние дета­ли про­ек­та ста­ла недав­няя пуб­ли­ка­ция патен­та Тех­но­ло­ги­че­ско­го инсти­ту­та Джор­джии на архи­тек­ту­ру FAST?CIM. В этом доку­мен­те они рас­кры­ва­ют, на что сде­ла­ли став­ку инже­не­ры тран­зи­стор­но­го направ­ле­ния.

Что­бы понять, о чем их тех­но­ло­гия, нуж­но вспом­нить клас­си­че­скую архи­тек­ту­ру фон Ней­ма­на. В обыч­ных про­цес­со­рах вычис­ле­ния и хра­не­ние раз­де­ле­ны физи­че­ски: дан­ные непре­рыв­но дви­жут­ся меж­ду памя­тью и вычис­ли­тель­ным ядром. При обра­бот­ке ней­ро­се­тей на этот бес­по­лез­ный тран­зит, а так­же на посто­ян­ное пре­об­ра­зо­ва­ние сиг­на­лов из ана­ло­го­вой реаль­но­сти дат­чи­ков в циф­ру, ухо­дит до 80–90% всей энер­гии.

FAST?CIM пол­но­стью меня­ет эту схе­му. Инже­не­ры заста­ви­ли ячей­ки памя­ти напря­мую скла­ды­вать и умно­жать ана­ло­го­вые токи, не пере­во­дя про­ме­жу­точ­ные дан­ные в нули и еди­ни­цы. Дина­ми­ка про­цес­сов запо­ми­на­ет­ся на кон­ден­са­то­рах встро­ен­ной схе­мы, обра­зуя экви­ва­лент авто­ном­но­го «спин­но­го моз­га». В резуль­та­те вре­мя откли­ка пада­ет до рекорд­но низ­ких 13,8 нано­се­кунд, энер­го­по­треб­ле­ние сни­жа­ет­ся на 86% — до 0,68 ват­та, а сам чип реа­ги­ру­ет на вход­ной сиг­нал как био­ло­ги­че­ский рефлекс.

Одна­ко у этой физи­ки есть и «тем­ная сто­ро­на» — тех­но­ло­ги­че­ский брак и каприз­ность. В ана­ло­го­вых тран­зи­сто­рах малей­шее откло­не­ние гео­мет­рии кри­стал­ла при лито­гра­фии иска­жа­ет ток, пре­вра­щая точ­ные веса ней­ро­се­ти в хао­тич­ный шум. Кро­ме того, тран­зи­стор­ный ток силь­но зави­сит от тем­пе­ра­ту­ры: сто­ит мик­ро­схе­ме нагреть­ся, как ее логи­ка «плы­вет».

Из-за этих огра­ни­че­ний область при­ме­не­ния FAST?CIM — это кине­ти­че­ские пере­хват­чи­ки ближ­не­го боя, ком­плек­сы актив­ной защи­ты бро­не­тех­ни­ки и про­ти­во­д­ро­но­вые сна­ря­ды. В сце­на­рии, где бое­вой кон­такт длит­ся доли секун­ды, тем­пе­ра­тур­ный дрейф не успе­ет про­явить­ся. Зато огром­ная ско­рость реак­ции в 13,8 нано­се­кунд гаран­ти­ру­ет уни­что­же­ние ско­рост­ной воз­душ­ной цели пря­мо на под­ле­те.

Имен­но этот баланс рис­ков объ­яс­ня­ет, поче­му Прин­стон полу­чил вдвое боль­ше средств. Их кон­ден­са­тор­ная тех­но­ло­гия (на базе MOM-кон­ден­са­то­ров) хоть и усту­па­ет в пре­дель­ной плот­но­сти и ско­ро­сти, зато прак­ти­че­ски невос­при­им­чи­ва к пере­па­дам тем­пе­ра­тур. Глав­ное же пре­иму­ще­ство емкост­но­го под­хо­да — пред­ска­зу­е­мость в про­из­вод­стве: такие чипы мож­но штам­по­вать мил­ли­он­ны­ми сери­я­ми на стан­дарт­ных ком­мер­че­ских фаб­ри­ках с выхо­дом год­ных кри­стал­лов под 99%, созда­вая фун­да­мент для даль­но­бой­ных дро­нов и стра­те­ги­че­ских сен­со­ров.

Сек­ре­ты DARPA и ЦРУ