Будущее не за простым наращиванием числа ядер в процессорах, а за «умными» аппаратными ускорителями, которые специально «затачиваются» под конкретные задачи. Это открывает путь к созданию высокопроизводительных и энергоэффективных суперкомпьютеров для искусственного интеллекта, криптографии и анализа больших данных прямо «на лету». Вы когда-нибудь замечали, как тормозит ноутбук, если открыть сразу сотню вкладок браузера? Примерно с той же проблемой сталкиваются и мощные серверы, когда им приходится обрабатывать терабайты информации в реальном времени. Классические универсальные процессоры хороши для выполнения любых сменяющих друг друга задач, но в небольших объемах, а вот для массовых однотипных операций — например, обработка видео или поиск в огромных базах данных, — их возможностей перестаёт хватать.
Учёные из РТУ МИРЭА предложили элегантное решение. Вместо того чтобы бесконечно увеличивать количество ядер в процессоре (что упирается в так называемый «закон Амдала» — закон ограничения скорости при параллельных вычислениях), они разработали методику проектирования для процессоров общего назначения специализированных «помощников». Эти помощники — аппаратные ускорители — берут на себя разнообразную, самую массовую, но специализированную обработку информации.
Андрей Зуев, кандидат технических наук, заведующий кафедрой квантовых информационных технологий, практической и прикладной информатики РТУ МИРЭА: «Достаточно сложно звучит фраза ″массово-параллельная потоковая обработка″. На деле это просто — как будто у вас не один повар на кухне, а целая команда, которая одновременно и непрерывно чистит, режет и жарит, но каждый участник команды выполняет только свою специализированную задачу. Так сказать, специализация и разделение труда между процессорами. Наша методика позволяет заранее понять, сколько и каких специализированных ″поваров″ целесообразно разместить на одном кристалле и какой объём работы им давать, чтобы интерфейсы передачи данных не стали ″узким горлышком″».
Обычно создание аппаратных ускорителей напоминает игру в «испорченный телефон» между специалистами из трех направлений: математическое обеспечение и микроархитектура, проектирование, технологии изготовления (литография). Подход РТУ МИРЭА позволяет оценить эффективность будущего ускорителя ещё на самых ранних этапах, буквально «на салфетке». Разработанная методика объединяет сразу три направления: архитектуру самого чипа, мастерство компилятора (который переводит команды на язык железа) и тонкости технологического процесса изготовления микропроцессоров.
Илья Тарасов, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры корпоративных информационных систем Института информационных технологий РТУ МИРЭА: «Загружать универсальный процессор большими объемами специализированных задач — это как пытаться забить гвоздь микроскопом. Наша разработка — это дорожная карта для разработчиков гетерогенных систем. Мы показываем, как именно использовать специализированные аппаратные ускорители с массовым параллелизмом вычислений и, что особенно важно, с независимо программируемыми специализированными процессорными ядрами».
Это особенно важно сейчас, когда эпоха безудержного роста частоты процессоров закончилась. На смену закону Деннарда (по которому транзисторы становились все компактнее, а тактовая частота все выше) пришла эра специализации вычислителей. Проще говоря, бесконечно повышать производительность «железа» добавлением мегагерц уже не получится — нужно умное проектирование гибридных(гетерогенных) вычислительных систем.
Пётр Советов, кандидат технических наук, доцент кафедры корпоративных информационных систем Института информационных технологий РТУ МИРЭА: «В отличие от известных подходов к поиску архитектурных решений, предлагаемая нами методика позволяет оценить варианты реализации аппаратных ускорителей на самых ранних этапах проектирования — с учетом версий алгоритма их функционирования и альтернатив их реализации, влияющих на оптимизацию аппаратной архитектуры, а также с учетом технологического процесса изготовления. Для практического применения методики также важно развивать технологии быстрого прототипирования компиляторов, в чем у нас уже накоплен определенный опыт».
Умение проектировать эффективные гетерогенные вычислительные системы напрямую повлияет на появление более быстрых серверов, «интеллектуальных» камер видеонаблюдения, которые распознают лица без задержек, и экономичных чипов для носимой электроники. Учёные РТУ МИРЭА сделали важный шаг к тому, чтобы в любой системе — от смартфона до дата-центра — всегда были «специальные профессионалы» (то есть аппаратные ускорители), которые отвечают только за своё «дело», делают его идеально и максимально быстро.
Исследование было опубликовано в журнале «Russian Technological Journal».
Источник информации и фото: пресс-служба РТУ МИРЭА
