Лаборатория нейровычислительных систем

Заведующий лабораторией

Негров Дмитрий Владимирович – научный сотрудник, закончил факультет Физической и квантовой электроники МФТИ в 2010 г.

Автор более 30 научных статей, участник ежегодного рейтинга высокоцитируемых публикаций МФТИ в 2018 и 2019 гг. Заместитель руководителя Центра коллективного пользования (ЦКП) МФТИ.

Основные области научных интересов:

• Перспективные функциональные микроэлектронные устройства, в том числе системы хранения данных и устройства для реализации вычислительной памяти (computational RAM).
• Архитектуры для высокопроизводительных вычислений.
• Физика конденсированного состояния, в частности, микроскопические теории поведения сегнетоэлектриков и резистивно-переключаемых структур.
• Когерентные квантовые эффекты и квантовые вычисления.

Специализация лаборатории

Лаборатория создана в 2016 году. Научно-исследовательская работа лаборатории направлена на создание новых вычислительных архитектур для решения задач искусственного интеллекта, разработку энергоэффективных вычислительных устройств, использующих концепцию вычислительной памяти, а также применение разрабатываемых подходов в перспективных нейроинтерфейсных устройствах.

Разработки, реализуемые лабораторией, предполагают использование в следующих направлениях:

• Реализация устройств на основе алгоритмов глубокого машинного обучения для высокопроизводительных вычислений и применений, требующих высокой энергетической эффективности.
• Создание перспективных энергонезависимых запоминающих устройств.
• Создание нейроинтерфейсных систем для проведения фундаментальных исследований (изучение принципов работы мозга и его обратная инженерия), а также для проведения предклинических испытаний новых лекарственных препаратов и нейропротезирования.

Лаборатория имеет неограниченный доступ к технологическому и аналитическому оборудованию, размещенному на площадке ЦКП МФТИ (на фото вверху), что позволяет выполнять большую часть исследований непосредственно в стенах МФТИ — от прототипирования устройств до полной их диагностики и характеризации.

Тесное взаимодействие с лабораториями (в частности, с лабораторией Функциональных материалов и устройств наноэлектроники), а так же коллаборация с другими российскими и зарубежными научными центрами позволяет выполнять широкий спектр исследований. Кроме того, многолетнее сотрудничество с НИИМЭ/ АО «Микрон», начавшееся задолго до организации лаборатории, позволяет прототипировать разрабатываемые устройства с использованием заводских микроэлектронных технологий.

В составе лаборатории работают сотрудники, обладающие высокой квалификацией в таких областях, как технологии микроэлектронного производства, интегральная электроника, проектирование интегральных схем и вычислительных устройств, а так же в таких областях физики, как электронные свойства твердых тел и физика конденсированного состояния.

Ключевые разработки 

1. Архитектура и прототип специализированного нейросетевого сопроцессора 
 
Сотрудники лаборатории в феврале 2019 года продемонстрировали работу первого российского специализированного нейросетевого сопроцессора для энергоэффективного выполнения алгоритмов машинного обучения, основанных на математическом аппарате глубоких нейронных сетей.

Первый прототип нейросетевого процессора – NCore – был изготовлен на зарубежной фабрике по проектным нормам 65 нм, однако таким же способом были изготовлены прототипы разработанных ядер на отечественном предприятии «Микрон» в Зеленограде. При этом по достигнутому уровню энергоэффективности NCore сравним с графическими ускорителями, производимыми по проектным нормам 28 нм и менее.

В лаборатории нейровычислительных систем были разработаны основные элементы: процессорные ядра, интерфейсы и основное программное обеспечение.

Важная часть проекта — создание автоматического транслятора алгоритмов машинного обучения, разработанных в популярных пакетах TensorFlow, Caffe, Keras. Такая унификация позволит пользователям работать в привычных для них средах.

2. Прототип интегральной встраиваемой сегнетоэлектрической памяти

На основе многолетних исследований МФТИ в области встраиваемой памяти, был разработан прототип нейросетевого сопроцессора, снабженного локальным кешем данных, реализованным в виде энергонезависимой памяти на основе перспективных сегнетоэлектриков.

Прототипы были частично изготовлены по 90 нм технологическому процессу фабрики АО «Микрон», а затем, на экспериментальных мощностях ЦКП МФТИ, на кристаллах были созданы слои, содержащие сегнетоэлектрические ячейки памяти. Испытания показали, что созданные накопители обладают расчетной производительностью (время цикла доступа менее 30 нс) и энергопотреблением (менее 3 пДж на запись ячейки), а так же ресурсом, значительно превышающим 10¹⁰ циклов. Изготовленные прототипы являются одними из первых в мире, продемонстрировавшими возможность создания встраиваемой сегнетоэлектрической памяти на основе оксида гафния.

3. Устройства для нейрофизиологических исследований

В рамках работ по созданию перспективных нейроинтерфейсных устройств, к настоящему времени в лаборатории было разработано две системы – для in-vitro и in-vivo исследований. Данные системы позволяют измерять слабые электрические сигналы, индуцируемые нервной тканью. При этом они снабжены реконфигурируемыми вычислительными системами, способными нести в себе нейросетевые сопроцессоры, также разработанные в лаборатории, что позволяет выполнять обработку нейрофизиологических сигналов с помощью алгоритмов глубокого машинного обучения в реальном времени для реализации систем биологической обратной связи.
 
На фото: электрофизиологическая система in-vitro (слева) и in-vivo (справа)

Кроме того, был разработан ряд технологий, позволяющих реализовывать различные нейрофизиологические интерфейсы, в частности, для in-vivo применений был разработан подход, позволяющий создавать сверхтонкие многослойные электрокортикографические зонды, обеспечивающие относительно малоинвазивные измерения потенциалов, возникающих в коре головного мозга. Для in-vitro измерений также были разработаны технологии создания высокоплотных матриц интерфейсных электродов, позволяющие интегрировать в массив электродов светоизлучающие матрицы на основе органических светодиодов для проведения оптогенетических исследований.

На фото: пластина с изготовленными электрокортикографическими зондами (слева) и микроэлектродная матрица, установленная в in-vitro систему.

Партнеры лаборатории

ФПИ, Казанский федеральный университет, Исследовательский центр Юлих (Объединение им. Гельмгольца), Институт биофизики (Общество Макса Планка)