Zrób to albo zgiń – krajowy neuromorficzny chip „Altai”
Płyta z 16 procesorami Altay. Źródło: motivnt.ru
Zjechać na pobocze
Rosyjska mikroelektronika doskonali obecnie produkcję układów scalonych w topologiach 350 nanometrów, wykorzystując rodzimy sprzęt. Dotyczy to fotolitografii Progress STP-350, opracowanej we współpracy z białoruską firmą Planar. Z perspektywy globalnej mikroelektroniki, Rosja ma pozostać w tyle o 25-30 lat. Tajwan, Japonia i Korea Południowa korzystają obecnie z topologii 3-5 nm. Prognozy są bardzo pesymistyczne: w dającej się przewidzieć przyszłości krajowa baza przemysłowa będzie w stanie nadrobić tę lukę, w najlepszym razie w ciągu 10-15 lat.
Teraz i w najbliższej przyszłości Rosji będzie brakowało przede wszystkim mikroprocesorów do systemów sztucznej inteligencji. Sztuczna inteligencja już teraz odgrywa znaczącą rolę w planowaniu i prowadzeniu operacji wojskowych, a jej wpływ wkrótce stanie się fundamentalny. Na przykład w obronie strategicznej, gdy sieci neuronowe uczą się przewidywać i podejmować decyzje. Trzeba coś zrobić, zanim będzie za późno.
Krajowy neuromorficzny mikroprocesor „Ałtaj”, zaprezentowany Michaiłowi Miszustinowi we wrześniu ubiegłego roku, był próbą prześcignięcia i przewyższenia tego. Powiedzmy sobie jasno: to nawet nie jest prototyp przedprodukcyjny, a jedynie demonstrator technologii. A jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, Rosja rzeczywiście ma szansę stworzyć suwerenny przemysł mikroelektroniczny, w niczym nie ustępujący liderom rynku, skoncentrowany przede wszystkim na sztucznej inteligencji.
Najpierw trochę teorii i HistorieJeśli kiedykolwiek słyszałeś, że centra danych dużych firm z branży AI zużywają tyle energii elektrycznej, co mały kraj, to nie ma w tym nic przesadnego. Istnieją nawet propozycje budowy elektrowni jądrowych w ich pobliżu, aby zapewnić dostęp do niedrogiej energii. Wytrenowanie pojedynczego, dużego modelu językowego, takiego jak GPT, pochłania setki megawatogodzin.
Problem nie polega na tym, że same obliczenia są skomplikowane. Problemem jest sposób, w jaki projektowane są współczesne procesory. Wszystkie – od standardowego laptopa po serwerowy układ obliczeniowy w centrum danych – są zbudowane zgodnie z projektem zaproponowanym przez matematyka Johna von Neumanna w 1945 roku. Idea jest prosta: istnieje osobna pamięć, w której przechowywane są dane, oraz osobny procesor, który je przetwarza. Dane nieustannie przepływają tam i z powrotem przez magistrale elektryczne – i to właśnie ten niekończący się transfer danych pochłania większość energii. Inżynierowie nazywają to „ścianą von Neumanna”: im mocniejszy procesor, tym bardziej dotkliwy staje się ten problem.
Przyjrzyjmy się teraz ludzkiemu mózgowi. Zużywa około 20 watów – mniej więcej tyle, co słaba żarówka. Mimo to wykonuje zadania, z którymi żaden superkomputer na świecie nie mógłby sobie poradzić. Sekret jest prosty: w mózgu nie ma podziału na „pamięć” i „procesor”. Każdy neuron jest zarówno jednostką obliczeniową, jak i lokalną pamięcią informacji o swoim stanie. Dane nie wędrują – są przetwarzane tam, gdzie są przechowywane.
Na forum Mikroelektronika 2025 neuromorficzny mikroprocesor został zaprezentowany premierowi przez Siergieja Własowa, zastępcę dyrektora Centrum Rozwoju Zaawansowanej Mikroelektroniki w Instytucie Kurczatowa, oraz Giennadija Krasnikowa, prezesa Rosyjskiej Akademii Nauk. Źródło: motivnt.ru
Właśnie taką ideę ucieleśnia neuromorficzny układ Altay (AltAI), będący wspólnym dziełem nowosybirskiego startupu Motiv NT i Kaspersky Lab. Jego matematyczną podstawą są sieci neuronowe oparte na impulsach (SNN). W przeciwieństwie do konwencjonalnych sieci neuronowych, w których neurony nieustannie wymieniają się danymi, neurony Altay przez większość czasu pozostają nieaktywne, przesyłając jedynie krótki sygnał binarny – impuls – w razie potrzeby. Przez resztę czasu połączenia synaptyczne są nieaktywne i nie zużywają energii. To dokładna replika działania ludzkiego mózgu.
Wyniki tego podejścia są zdumiewające: według obliczeń deweloperów, potwierdzonych eksperymentalnie, rozwiązania neuromorficzne przewyższają podobne systemy oparte na klasycznych mikroprocesorach pod względem efektywności energetycznej ponad 1000 razy. Jest to fizycznie uzasadniona konsekwencja wyeliminowania głównego źródła strat w klasycznych architekturach. Projekt rozpoczął się w 2015 roku w nowosybirskim Akademgorodku, miejscu o długiej tradycji nauk podstawowych i silnej uczelni inżynierskiej. Pierwszy prototyp, „Ałtaj-1”, powstał w 2020 roku. W 2022 roku Kaspersky Lab dołączył do projektu jako inwestor strategiczny, przenosząc rozwój na nowy poziom i przekształcając go z projektu akademickiego w platformę komercyjną.
Jak działa Altai?
Architektura procesora neuromorficznego Altai naśladuje korę mózgową i przypomina szachownicę niezależnych rdzeni działających równolegle i asynchronicznie. Każdy rdzeń komunikuje się z czterema sąsiadami, jednocześnie przetwarzając i przechowując dane. Składa się z trzech bloków: konfiguratora (kontroli), pamięci (parametrów i wag neuronów) oraz routera (transmisji sygnału impulsowego). W pełnej konfiguracji układ zawiera 256 takich rdzeni, które razem symulują 131 072 neurony i 67 milionów połączeń synaptycznych.
Procesor Altai wykorzystuje model sztucznego neuronu, który precyzyjnie naśladuje zachowanie żywej komórki. Działa jak skarbonka: zbiera przychodzące sygnały, ale jeśli nowe sygnały nie zostaną odebrane przez długi czas, stare po prostu „wyparowują”. Gdy zgromadzi się krytyczna ilość ładunku, neuron natychmiast się uaktywnia, przesyła impuls dalej i całkowicie resetuje. Miliony tych jednocześnie działających „skarbonek” pozwalają procesorowi rozwiązywać najbardziej złożone problemy z szybkością niewyobrażalną dla konwencjonalnych komputerów.
Jaki jest wynik?
Przy poborze mocy mniejszym niż 0,5 W układ jest w stanie:
- przetwarzanie strumieni wideo z prędkością do 2200 klatek na sekundę;
- wykonać do 67 miliardów operacji obliczeniowych na jednostkę czasu;
- Wszystko to znajduje się w obudowie o wymiarach 9 x 9 mm, która nadaje się do montażu w dowolnym urządzeniu, od prostego czujnika po system pokładowy warkot.
Źródło: motivnt.ru
Dla zobrazowania tego, typowy akcelerator AI NVIDIA Jetson używany w robotyce i systemach bezzałogowych zużywa 15–60 watów. Altai rozwiązuje porównywalne problemy z 0,3–0,8 wata – różnica 50–200-krotna. Gdy tysiące takich układów zostanie wdrożonych w hipotetycznym centrum danych, różnica ta przekłada się na oszczędności rzędu megawatogodzin rocznie. Jeśli chodzi o system pokładowy małego warkot z baterią 50 Wh - różnica oznacza czas lotu wynoszący kilka minut lub kilka godzin.
Układy neuromorficzne nie są rosyjską innowacją. Eksperymenty z tą nową architekturą trwają również za granicą. Porównanie z globalnymi konkurentami pokazuje, że Altai ma silną pozycję. IBM TrueNorth, najbardziej energooszczędny komercyjny układ neuromorficzny dostępny obecnie na rynku, przetwarza 1738 klatek na sekundę przy poborze mocy 0,2 wata. Intel Loihi generuje 296 klatek na sekundę przy poborze mocy 0,11 wata. Altai generuje 1000–2200 klatek na sekundę przy poborze mocy 0,3 wata. Pod względem wydajności absolutnej rosyjski układ dorównuje TrueNorth i wyprzedza Loihi; pod względem efektywności energetycznej IBM utrzymuje przewagę. Kontekst jest istotny: rynek układów neuromorficznych jeszcze nie dojrzał, a żaden z konkurentów nie stał się ostatecznym standardem — a to samo w sobie oznacza, że pole jest nadal otwarte dla wszystkich. Oprogramowanie dla układu neuromorficznego jest opracowywane przez programistów Kaspersky. Produkt nosi nazwę Kaspersky Neuromorphic Platform.
Ałtaj dla wojny
Dyskutując o rosyjskim suwerennym mikroprocesorze, nie możemy pominąć jego potencjału militarnego. A jest on praktycznie nieograniczony.
Główną zaletą Altai jest wyjątkowo niskie zużycie energii. Dla małych bezzałogowych statków powietrznych oznacza to fundamentalnie nową równowagę możliwości: samolot nie musi już wybierać między zasięgiem a inteligentną elektroniką pokładową. Wizja komputerowa, rozpoznawanie obiektów i autonomiczna nawigacja mogą być wykorzystywane na pokładzie praktycznie bez utraty czasu lotu ani ładunku.
Altai jest szczególnie ważny w połączeniu z kamerą wideo, która rejestruje jedynie zmiany w scenie z rozdzielczością mikrosekundową, a nie pełną klatkę. Pozwala to na przetwarzanie informacji w miarę ich pojawiania się, bez opóźnień związanych z przechowywaniem i analizą całego obrazu. W rezultacie czas reakcji skraca się do poziomu poniżej milisekundy – szybciej niż w przypadku tradycyjnych systemów, a nawet szybciej niż w przypadku operatora. Krótko mówiąc, Altai idealnie nadaje się dla robotów – umożliwia maszynom szybsze podejmowanie decyzji i nawigowanie.
Otwiera to równie ważne możliwości dla sieci czujników rozpoznawczych. Układ umożliwia tworzenie czujników, które działają tygodniami na małym panelu słonecznym, stale analizując warunki akustyczne, sejsmiczne i termiczne oraz przesyłając gotowe wnioski zamiast surowych danych: na przykład „ruch kolumny” lub „dźwięk”. czołg silnika." To drastycznie zmniejsza ruch radiowy i sprawia, że taki system jest znacznie mniej widoczny dla wrogich systemów rozpoznania radiowego.
Ałtaj jest również szczególnie obiecujący w kontekście amunicji kierowanej i broni autonomicznej. W warunkach zagłuszania sygnału GPS i zakłóceń w kanale naprowadzania, potrzebny jest procesor, który jednocześnie spełnia wymagania dotyczące masy, zużycia energii i odporności na silne obciążenia mechaniczne. Układ neuromorficzny spełnia te wymagania znacznie lepiej niż większość tradycyjnych rozwiązań. Co więcej, sieci neuromorficzne pozostają mniej zbadanym celem dla przeciwników pod kątem przeciwdziałania, wabików optycznych i wzorów kamuflażu.
W dziedzinie walki elektronicznej zalety są również oczywiste. Altai potrafi przetwarzać sygnały radiowe jako strumień zdarzeń, szybko klasyfikować modulacje i protokoły komunikacyjne oraz dostosowywać się do zmian w operacjach wroga szybciej niż tradycyjne techniki i metody. W formacie przenośnym otwiera to drogę do indywidualnych środków. elektroniczna wojna- zabezpieczenie, które może działać przez wiele dni na jednej baterii.
Neuromorficzny mikroprocesor ALTAI na wystawie w Instytucie Kurczatowa. W centrum znajduje się neuromorficzny akcelerator procesora pierwszej generacji. Źródło: motivnt.ru
Zastosowanie Altai w cyberbezpieczeństwie również rokuje nadzieje. Zamiast wyszukiwać dopasowania w bazie danych znanych ataków, system może analizować zachowanie urządzeń i identyfikować anomalie w czasie rzeczywistym, izolując potencjalnie zagrożone węzły bez dostępu do centralnego systemu bezpieczeństwa. To główna zaleta mikroprocesorów neuromorficznych – nie wymagają one dużych ilości pamięci ani przestrzeni dyskowej w chmurze.
Ale nie obyło się bez wyzwań. Po pierwsze, neuromorficzny chip jest wciąż w fazie rozwoju. Nie wiadomo, ile czasu zajmie wprowadzenie go do produkcji, a nawet czy w ogóle powstanie. Po drugie, Altai został zaprojektowany do procesu 28 nm. Rosja nie posiada własnego sprzętu litograficznego do takich zadań – ani krajowego, ani importowanego. Produkcja będzie musiała odbywać się w Chinach. A to znacząca zależność. Altai mógłby oczywiście zostać przeprojektowany do procesów 65–90 nm dostępnych w Mikron, ale wtedy utracona zostałaby unikalna efektywność energetyczna chipa. Po trzecie, modele treningowe dla neuromorficznych chipów AI będą musiały zostać opracowane od nowa. Standardowe modele, takie jak te używane w ChatGPT czy Grok, nie będą działać.
Bez wątpienia opracowanie mikroprocesora Altai to przełom technologiczny. Nie jest to przeróbka chińskiego projektu, ale prawdziwie światowej klasy, niezależny produkt. Rzadkie, a zatem cenne zjawisko w dzisiejszych czasach.
Informacja