Power Play: hledání energeticky úsporných čipů

Úsporné procesorypřicházejí právě včas a ne náhodou. Dobývají mobilní ICT i servery. Hovoří-li se o výkonno...


Úsporné procesorypřicházejí právě včas a ne náhodou. Dobývají mobilní ICT i
servery.

Hovoří-li se o výkonnosti počítačů, zpravidla se poukazuje na taková kritéria
jako Mips, MHz a MFlops (Million InstructionsPer Second, Megahertz, Million
FLoating-point Operations PerSecond). Ale Wu-Chun Feng, počítačový konstruktér
z Národní laboratoře v Los Alamos v Novém Mexiku, se domnívá, že takový přístup
se v tomto desetiletí změní. Je podle něj nejvyšší čas, aby si počítačová
komunita osvojila jiná kritéria hodnocení výkonnosti. "Víc než o rychlost,"
říká, "jde o spolehlivost, dostupnost a efektivnost."
Jde tu o víc než jen o jakési slovíčkaření, které má význam jen pro zasvěcené a
které je vzdáleno od praktického života. ASC Q, obrovský superpočítač v Los
Alamos, pracuje s 8 192 procesory. Každý lze označit jako mimořádně spolehlivý
a rychlý, ale i přesto je jich tolik, že tento počítač selže 114krát za měsíc,
čili jednou během každé osmihodinové směny.
Hlavní problém představuje teplo,říká Feng, a to se zdaleka netýká jen
superpočítačů. Potřebný elektrický příkon a jemu odpovídající teplo vyzářené na
jednotkovou plochu procesorů stoupá podle Mooreova zákona, takže se každých18
až 24 měsíců zdvojnásobí. Koncentrace energie v čipech běžných procesorů
používaných v osobních počítačích je dnes vysoká stejně jako v nukleárních
reaktorech. Míra poruchovosti procesoru, jak říká Feng, se zdvojnásobí při
každém nárůstu teploty o 10 stupňů.

Chladnější chod
Vědci a výzkumní pracovníci ovšem přicházejí s novými vynálezy,které umožňují,
aby rostla spolehlivost čipu, aniž by vzrůstala teplota a spotřeba proudu.
V roce 2002 vytvořili v Los Alamos240uzlový počítač jménem Green Destiny. V
prašném, neventilovaném skladišti běžel bezchybně dva roky, a to přesto, že
průměrná teplota se tam pohybovala okolo 29,5 stupňů Celsia. Tajemství úspěchu
spočívalo v použití procesorů od firmy Transmeta, z nichž každý měl spotřebu 6
wattů. Pro srovnání, běžné mikroprocesory té doby spotřebovávaly kolem 100
wattů.
Green Destiny vděčí za tyto charakteristiky nízký příkon, malé zahřívání a
vysokou spolehlivost své architektuře. Předchozí parametry neovlivňují ani
aplikace, které na počítači běží. Nyní však Feng a jeho kolegové vyvíjejí
software, který dokáže měnit příkon procesoru podle aktuální potřeby každého
programu.
Elektrická energie využívaná procesorem je přímo úměrná jeho frekvenci a
napětí. Dnešní notebooky dovedou po určité době, kdy s nimi uživatel nepracuje,
snížit obě hodnoty tak, aby se zbytečně nevybíjela baterie. Ale tohle nelze
dělat u počítačů používaných k vědeckým účelům, jež polykají obrovská kvanta
čísel, ani u velkých serverů zpracovávajících rozsáhlé transakce. "Procesor
budí dojem, že běží téměř neustále,srovnáme-li to třeba s prací na textovém
dokumentu," vysvětluje Feng.

Softwarové řešení
Laboratoř proto vyvíjí a v současnosti vylepšuje software pro dynamické
vyvažování (dynamic scaling),který rozpoznává charakteristiky aplikace během
jejího chodu.Software dovede předvídat, kdy objem práce výrazně poklesne tím,že
se od operací silně zatěžujících procesor přechází k činnostem,které probíhají
mimo čipy, a které tudíž nevyžadují vysoký taktovací kmitočet CPU ani vysoké
napětí; a právě tehdy se tyto parametry dočasně sníží.
Vyvažováním, upozorňuje Feng, můžeme zredukovat příkon až o 70 %. Výkonnost u
jednoprocesorových aplikací klesá při nasazení této technologie pouze o 1 až 5
%. Úspora energie dosahuje v průměru okolo 25 %. "Když se ušetří 25 %
energie,znamená to, že můžeme k systému přidat o 25% více procesorů a přitom
zůstáváme na stejné úrovni tepelné zátěže," říká Feng.
Výhodnější než provádět vyvažování aditivním softwarem během chodu aplikace je
docílit téhož efektu tím, že necháme programátory, aby svůj kód přímo
uzpůsobili požadovanému účelu. To jest tomu, aby jejich aplikace vyžadovaly
redukci energie vždy ve chvíli, kdy se rozebíhají operace neprobíhající na
čipu. Půjde pravděpodobně o příliš velkou zátěž pro programátory, kteří jsou
nadto ještě zaměstnáni psaním kódu pro paralelní zpracování, podotýká Feng.
Jiná možnost, dodává,je přenechat implementaci technologie vyvažování
kompilátoru,který ovšem nemůže vědět, jaká data bude muset program
zpracovávat,přičemž podstatná část funkcionality vyvažování frekvence a napětí
závisí právě na datech.
Feng poukazuje na to, že tohoto postupu lze použít při zpracování transakcí, ve
webových službách nebo v databázových serverech, u nichž je hodně vstupů a
výstupů,které často plně nezatěžují procesor. Říká, že pro firmy, jež používají
tisíce procesorů, jako je například Google, není zásadním technickým požadavkem
mít co nejrychlejší procesory, nýbrž vysokáspolehlivost při nízkých nákladech.
"Pro Google," říká, "prostor znamená peníze a elektřina jsou peníze."

Více nastavení
Výzkum opravdu začíná používat podobných monitorovacích technik u všech aspektů
elektrické energie a u všech částí čipu, domnívá se BabakFalsafi, profesor
výpočetní techniky a elektrotechniky na univerzitě Carnegie Mellon v Pittsburgu.
"U procesorových čipů, a dokonce i u dynamických pamětí RAM, budeme svědky
jemného vyvažování zdrojů (resource scaling), takového, jakým je například
vyvažování napětí a frekvence," předvídá Falsafi. "Nyní se technologie týká
celého procesoru, ale v budoucnu budeme mít přísnější kontrolu různých zdrojů,
takže budeme moci provádět vyvažování přímo na čipu samotném, což povede k
daleko většímu počtu nastavení, jež budeme využívat, a k daleko větší
flexibilitě."
Falsafi se svými studenty vyvinul inovativní uspořádání vyrovnávací paměti,
které sleduje chování programu za chodu a samostatně se nastavuje tak,aby se
přizpůsobilo požadované vyrovnávací paměti a organizaci.Nepoužívané oblasti
cache jsou uváděny do spánkového režimu,takže nespotřebovávají žádný proud.
Budoucí konstrukční provedení,předpovídá Falsafi, budou mít takové vyvažování
zdrojů zabudované ve všech čipových strukturách, díky čemuž se významně sníží
spotřeba elektrické energie.
Budou jednoho dne všechny počítače, od notebooků po superpočítače, používat
těchto technik? "Budou muset," říká Falsafi. "S blížícím se rokem 2015 budou na
procesorech přibývat další a další miliardy tranzistorů. Nemáme pro ně tolik
energie."









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.