Energooszczędne równoległe przetwarzanie danych

Wiele przyszłych aplikacji multimedialnych będzie z natury w dużym stopniu polegać na równoległym przetwarzaniu ogromnych zestawów danych. Prostym przykładem jest obliczenie średniej z 1 000 000 liczb poprzez uśrednienie 1000 zestawów 1000 liczb a następnie wyciągnięcie średniej z tych 1000 średnich.

Finansowany przez UE projekt RAVEN10 został zainicjowany, aby opracować wysoce energooszczędną, wielordzeniową architekturę do równoległego przetwarzania danych z użyciem bardzo małych węzłów technologicznych (w skali nano) na użytek takich aplikacji. Co istotne, dynamiczna rekonfiguracja sterowania w technice on-chip pozwala ograniczyć koszty produkcji, które mogą wynosić nawet dziesiątki milionów euro w przypadku nowoczesnych chipów jednoaplikacyjnych.

Aby osiągnąć te cele naukowcy analizowali schematy dynamicznego skalowania napięcia i częstotliwości (DVFS). DVFS jest techniką zarządzania mocą i ciepłem, która dostosowuje napięcie lub częstotliwość procesora do zapotrzebowania obliczeniowego. Elastyczna architektura z egzekucją wątków wektorowych (ang. Resilient Architecture with Vector-thread Execution, RAVEN) pozwala zastosować takie schematy w każdym rdzeniu z niezależnym procesorem sterowania.

Zespół z powodzeniem zastosował rekonfigurowalne przetwornice DC-DC z przełączalnym kondensatorem, podtyp przetwornic DC-DC, które wydajnie konwertują napięcie. Jednakże pewne problemy techniczne wymagały rozwiązania, aby utrzymać precyzję schematów DVFS przy dużej liczbie procesorów.

Schematy zegara adaptacyjnego sprawiły, że straty na przełączalnym kondensatorze związane z opornością przetwornicy na wyjściu stały się zaletą. Naukowcy uzyskali mniejszą częstotliwość przełączania i dużą wydajność konwersji. Ponadto analiza energii systemu w przypadku zmiennego, a nie stałego dostarczania napięcia umożliwiła całościową optymalizację. System korzysta z punktu minimalnej energii dla każdego procesora podczas wykonywania każdego odrębnego zadania. Innowacyjne rozwiązanie przy skończonej liczbie współczynników energii pozwoliło ograniczyć zużycie energii w pojedynczym rdzeniu o 25% w porównaniu ze schematami DVFS o konwencjonalnym sterowaniu napięciem.

Chip testowy z całym schematem DVFS zastosowanym do pojedynczego rdzenia jest obecnie poddawany ocenie. Udane wdrożenie koncepcji RAVEN znacząco ograniczy zużycie energii i koszty przetwarzania filmów i mowy przez telefony komórkowe i tablety dzięki dynamicznej rekonfiguracji sterowania w technice on-chip. Możliwe oszczędności energii w skali roku ze stosowania telefonów komórkowych zaledwie jednej marki mogą odpowiadać zużyciu energii przez dziesiątki tysięcy gospodarstw domowych. To niezły wynik, zważywszy na liczbę urządzeń przenośnych będących w użyciu na całym świecie.