Inovace v architektuře počítačů: Zdvojnásobení výkonu bez přídavného hardwaru!

před 2 měsíce 26

Představte si možnost zdvojnásobení výpočetního výkonu vašeho smartphonu, tabletu, osobního počítače nebo serveru využitím již existujícího hardwaru těchto zařízení. No zní to docela pohádkově, ne? Mnoho lidí by to dokonce označilo i jako magii, aneb jak se jednou vyjádřil Arthur C. Clarke, sci-fi spisovatel a vynálezce, „Každá dostatečně vyspělá technologie je pro běžného smrtelníka k nerozeznání od magie.“ Ve výsledku se spíše ale jedná o chytrá vylepšení v algoritmech

Hung-Wei Tseng, docent elektrotechniky a počítačového inženýrství na Kalifornské univerzitě v Riverside, představil v nedávném článku zásadní změnu v architektuře počítačů, jež má tento cíl uskutečnit, v práci nazvané „Simultaneous and Heterogeneous Multithreading“.

Tseng vysvětluje, že současné počítačové zařízení stále častěji obsahují grafické procesory (GPU), hardwarové akcelerátory pro umělou inteligenci (AI) a strojové učení (ML), nebo jednotky pro zpracování digitálních signálů jako základní součásti.

Obsah obrázku klipart, kresba, kruh, Grafika

Popis byl vytvořen automaticky

Obrázek 1 – DALL-E 3: robot na pláži

Dvakrát více výkonu za využití poloviny energie

Tyto komponenty zpracovávají informace samostatně, což vede k přesouvání informací z jedné zpracovatelské jednotky do druhé a vytváří úzké místo v procesu.

V jejich článku Tseng a doktorand počítačových věd na UCR Kuan-Chieh Hsu představují koncept „současného a heterogenního více vláknového zpracování“ neboli SHMT.

Dále také popisují vývoj navrhovaného rámce SHMT na platformě vestavěného systému, který současně využívá více jádrový procesor ARM, GPU NVIDIA a akcelerátor hardwaru Tensor Processing Unit, čímž dosáhli 1,96násobného zrychlení a 51% snížení spotřeby energie. 

Obzvláště snížená spotřeba energie je velmi významným prvkem, poněvadž v oblasti výpočetních technologií tvoří jeden z největších ekonomických nákladů. Kromě toho využívání sladkovodních zdrojů pro tento účel má nemalý dopad na životní prostředí.

Co je „současné a heterogenní vícevláknové zpracování“ (SHMT)?

Metoda SHMT představuje inovativní přístup v oblasti výpočetní techniky, kde se využívá kombinace různých výpočetních jednotek v rámci jednoho systému pro paralelní zpracování úloh. Cílem je optimalizovat využití dostupných zdrojů, jako jsou CPU, GPU a specializované akcelerátory, a tím zvýšit celkovou efektivitu a výkon zařízení.

Aplikace SHMT v praxi

V rámci výzkumu byl SHMT aplikován na vestavěném systémovém platformě, která integrovala více jádrový procesor ARM, grafický procesor NVIDIA a akcelerátor Tensor Processing Unit. Tato kombinace umožnila paralelní využití různých procesorů pro různé úlohy, což vedlo k výraznému zvýšení rychlosti zpracování a snížení energetické náročnosti. Konkrétně bylo dosaženo téměř dvojnásobného zrychlení a výrazné redukce spotřeby energie, což demonstruje potenciál SHMT pro širší využití v oblasti počítačové techniky.

Navýšení výkonu „zadarmo“

„Nové procesory přidávat nemusíte, protože ty již máte,“ říká Tseng. 

Současné využití stávajících zpracovatelských komponent by mohlo snížit náklady na počítačový hardware a současně redukovat uhlíkové emise z energie potřebné k provozu serverů v rozsáhlých datových centrech. Mohl by také klesnout požadavek na vzácnou sladkovodní vodu používanou k chlazení serverů.

Neradujme se ale předčasně

Nicméně, Tsengův článek upozorňuje, že pro odpovědi na několik otázek týkajících se implementace systému, podpory hardwaru, optimalizace kódu a typů aplikací, které by z toho mohly nejvíce těžit, je zapotřebí dalšího zkoumání. Jako vždy totiž platí, že jeden výzkum ještě nic neznamená.

Studie byla prezentována na 56. výročním sympoziu IEEE/ACM International Symposium on Microarchitecture konaném v říjnu v Torontu, Kanada, a získala uznání od Tsengových kolegů z Institutu elektrotechnických a elektronických inženýrů (IEEE), kteří ji vybrali mezi 12 prací zahrnutých do vydání „Top Picks from the Computer Architecture Conferences“, které bude publikováno příští léto.

Shrnutí

  • Docent Hung-Wei Tseng navrhl zásadní změnu v architektuře počítačů pro zdvojnásobení výkonu pomocí stávajícího hardwaru.
  • Nový přístup, současné a heterogenní vícevláknové zpracování (SHMT), zvyšuje efektivitu a snižuje spotřebu energie o dvojnásobek.
  • Metoda by mohla snížit náklady na hardware a zároveň omezit environmentální dopad datových center.
  • Je však ale potřeba dalšího výzkumu pro konkrétní implementaci a optimalizaci této inovativní technologie.

Zdroj:

  • ScienceDaily. (2024, February 21). Method identified to double computer processing speeds. ScienceDaily. https://www.sciencedaily.com/releases/2024/02/240221213907.htm

Článek Inovace v architektuře počítačů: Zdvojnásobení výkonu bez přídavného hardwaru! se nejdříve objevil na Ainovinky.cz.

Přečtěte celý článek