Πληροφορική
Πρωτοποριακή ταυτόχρονη και ετερογενής τεχνολογία πολλαπλών νημάτων για να κάνει τους υπολογιστές ταχύτερους
Το Securities.io διατηρεί αυστηρά συντακτικά πρότυπα και ενδέχεται να λαμβάνει αποζημίωση από τους αναθεωρημένους συνδέσμους. Δεν είμαστε εγγεγραμμένοι επενδυτικοί σύμβουλοι και αυτό δεν αποτελεί επενδυτική συμβουλή. Δείτε το θυγατρική εταιρεία.
Αν και όλες οι νέες συσκευές από τεχνολογικούς γίγαντες όπως η Apple και η Google διαθέτουν σταδιακές βελτιώσεις—μονοψήφια αύξηση στη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, ένα λιγότερο νανόμετρο για τον επεξεργαστή, που δεν έχει ακόμη παράγει τη βέλτιστη απόδοση για τους κατασκευαστές ή μερικά επιπλέον megapixel—το ερώτημα προκύπτει: Είναι πραγματικά αρκετές τέτοιες μέτριες βελτιώσεις; Είναι η προσθήκη περισσότερου υλικού η λύση;
Όχι σύμφωνα με τον αναπληρωτή καθηγητή Hung-Wei Tseng από το Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Riverside (UCR). Αυτος λεει:
«Δεν χρειάζεται να προσθέσετε νέους επεξεργαστές επειδή τους έχετε ήδη.»
Ο καθηγητής Tseng, μαζί με μια ομάδα ερευνητών, ανέπτυξε ένα νέο πλαίσιο λογισμικού για παράλληλη επεξεργασία που ονομάζεται Ταυτόχρονη και Ετερογενής Πολυνηματική (SHMT). Σύμφωνα με τα αρχικά αποτελέσματα, το SHMT είναι έτοιμο να βελτιώσει σημαντικά την ταχύτητα επεξεργασίας και να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας αξιοποιώντας τις λανθάνουσες δυνατότητες των σημερινών επεξεργαστών σε προσωπικούς υπολογιστές, κινητά τηλέφωνα και άλλες συσκευές.
Το SHMT, που διαφημίζεται ως «πρωτοποριακό» από την τεχνολογική κοινότητα, στοχεύει να αφαιρέσει τα σημεία συμφόρησης στη ροή δεδομένων και να διευκολύνει την απρόσκοπτη συνεργασία πολλών μονάδων επεξεργασίας. Αυτή η ανακάλυψη μπορεί να επηρεάσει όχι μόνο τα προσωπικά ηλεκτρονικά, αλλά και τα κέντρα δεδομένων και άλλα είδη μαζικά παράλληλων υπολογιστών.
Breaking Down the Bottleneck
Προτού ξεκινήσουμε να εξερευνήσουμε την πλήρη δόξα του τι είναι εφικτό με ταυτόχρονη και ετερογενή πολλαπλών νημάτων, ας κατανοήσουμε πρώτα τους περιορισμούς των σημερινών υπολογιστικών συστημάτων.
Στις περισσότερες συσκευές, διάφορα εξαρτήματα, όπως η κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU), η μονάδα επεξεργασίας γραφικών (GPU) και η μονάδα επεξεργασίας τανυστή (TPU), χειρίζονται τις πληροφορίες χωριστά. Τα δεδομένα μεταφέρονται από τη μια μονάδα επεξεργασίας σε μια άλλη, με αποτέλεσμα συχνά «συμφορήσεις» που εμποδίζουν τη συνολική απόδοση του συστήματος.
Αυτό επιδεινώνεται περαιτέρω από τα παραδοσιακά μοντέλα προγραμματισμού, τα οποία συνήθως αναθέτουν εργασίες σε έναν μόνο τύπο επεξεργαστή, αφήνοντας έτσι άλλους πόρους αδρανείς και υποαξιοποιημένους. Αντανακλώντας αυτές τις παρατηρήσεις, η ερευνητική εργασία «Ταυτόχρονη και Ετερογενής Πολυνηματική Δημιουργία» των Kuan-Chieh Hsu και Hung-Wei Tseng αναφέρει:
«Τα εδραιωμένα μοντέλα προγραμματισμού επικεντρώνονται στη χρήση μόνο των πιο αποτελεσματικών μονάδων επεξεργασίας για κάθε περιοχή κώδικα, αξιοποιώντας ελάχιστα την επεξεργαστική ισχύ σε ετερογενείς υπολογιστές».
Το SHMT παίρνει μια απόκλιση από αυτήν την προσέγγιση εκμεταλλευόμενη την ποικιλομορφία πολλαπλών στοιχείων σε ένα υπολογιστικό σύστημα. Αυτή η έννοια είναι γνωστή ως ετερογένεια. Με την κατανομή των υπολογιστικών συναρτήσεων και τη διανομή τους μεταξύ των διαθέσιμων μονάδων επεξεργασίας, το SHMT διευκολύνει την πραγματική παράλληλη επεξεργασία.
Αυτή η προσέγγιση της αποσύνθεσης των υπολογιστικών συναρτήσεων και της διανομής τους σε πολλές μονάδες επεξεργασίας μεγιστοποιεί τη χρήση των διαθέσιμων πόρων για τη βελτίωση της απόδοσης και την εξοικονόμηση ενέργειας. Η ερευνητική εργασία αναλύει περαιτέρω τις ελλείψεις των παραδοσιακών μοντέλων προγραμματισμού δηλώνοντας ότι «μπορούν να εκχωρήσουν μια περιοχή κώδικα αποκλειστικά σε ένα είδος επεξεργαστή, αφήνοντας άλλους υπολογιστικούς πόρους σε αδράνεια χωρίς να συνεισφέρουν στην τρέχουσα λειτουργία».
Το SHMT, από την άλλη πλευρά, στοχεύει να απελευθερωθεί από αυτούς τους περιορισμούς αξιοποιώντας τις ξεχωριστές δεξιότητες κάθε μονάδας επεξεργασίας και τη συνεργατική τους εργασία σε μια κοινή περιοχή κώδικα. Οι συγγραφείς επισημαίνουν επίσης ότι η σύγχρονη τεχνολογία υπολογιστών είναι αναμφισβήτητα ετερογενής, καθώς όλες οι πλατφόρμες υπολογιστών ενσωματώνουν πολλαπλούς τύπους μονάδων επεξεργασίας και επιταχυντές υλικού. Αυτό απαιτεί ένα μοντέλο προγραμματισμού που μπορεί να αξιοποιήσει αποτελεσματικά τη δύναμη αυτών των διαφορετικών στοιχείων (κάτι που ακριβώς επιδιώκει να επιτύχει το SHMT).
Ως εκ τούτου, το SHMT ανοίγει το δρόμο για ταχύτερο και πιο αποτελεσματικό υπολογισμό αντιμετωπίζοντας τα σημεία συμφόρησης στην πλέον παραδοσιακή πληροφορική.
Πώς λειτουργεί η ταυτόχρονη και ετερογενής τεχνολογία πολλαπλών νημάτων;
Όπως είναι προφανές, η διαχείριση και η αποτελεσματική διανομή υπολογιστικών δραστηριοτήτων μεταξύ διαφορετικών στοιχείων υλικού είναι η βασική αρχή πίσω από το SHMT.
Το πλαίσιο περιλαμβάνει μια συλλογή εικονικών λειτουργιών (VOPs) για τη διευκόλυνση της μεταφόρτωσης εργασιών από μια εφαρμογή CPU σε εικονική συσκευή υλικούΣύμφωνα με τη μελέτη, «Ένα σύνολο εικονικών λειτουργιών (VOPs) επιτρέπει σε ένα πρόγραμμα CPU να «μεταφορτώσει» μια λειτουργία σε μια εικονική συσκευή υλικού». Αυτά τα VOPs μεσολαβούν στην επικοινωνία και την ανάθεση εργασιών δημιουργώντας ένα φράγμα μεταξύ του προγράμματος και του υλικού.
Ένα σύστημα εκτέλεσης (runtime system) βελτιστοποιεί την απόδοση αξιολογώντας τις δυνατότητες κάθε πόρου υλικού και λαμβάνοντας έξυπνες αποφάσεις προγραμματισμού κατά την εκτέλεση της εφαρμογής. Σύμφωνα με τη μελέτη, «Κατά την εκτέλεση ενός προγράμματος, ένα σύστημα εκτέλεσης (runtime system) οδηγεί το εικονικό υλικό ταυτόχρονης και ετερογενούς πολυνηματοποίησης (multithreading), μετρώντας την ικανότητα του πόρου υλικού να λαμβάνει αποφάσεις προγραμματισμού». Για να μεγιστοποιήσει την αποδοτικότητα των πόρων και να προσαρμοστεί στις ανάγκες της κάθε εργασίας, το SHMT αξιολογεί δυναμικά τις δυνατότητες του υλικού.
Το σύστημα χρόνου εκτέλεσης αναλύει τα VOP σε λειτουργίες υψηλού επιπέδου (HLOP) για να τα διανείμει σε διάφορες ουρές εργασιών υλικού. Σύμφωνα με τη μελέτη, «Το σύστημα χρόνου εκτέλεσης διαιρεί τα VOP σε μία ή περισσότερες λειτουργίες υψηλού επιπέδου (HLOP) για να χρησιμοποιεί ταυτόχρονα πολλούς πόρους υλικού». Η αποσύνθεση των VOP σε HLOP επιτυγχάνει λεπτομερή έλεγχο της κατανομής εργασιών και μέγιστη αξιοποίηση κάθε μονάδας επεξεργασίας.
Η πολιτική προγραμματισμού SHMT χρησιμοποιεί μια προσέγγιση κλοπής εργασίας με επίγνωση της ποιότητας (QAWS), διασφαλίζοντας την αποτελεσματική αξιοποίηση των πόρων και ποικίλα φόρτα εργασίας. Σύμφωνα με τη μελέτη, «το SHMT χρησιμοποιεί μια πολιτική προγραμματισμού κλοπής εργασίας με επίγνωση της ποιότητας (QAWS) που δεν καταναλώνει πόρους, αλλά βοηθά στη διατήρηση του ποιοτικού ελέγχου και της ισορροπίας του φόρτου εργασίας». Εκτός από την αποτελεσματική κατανομή της εργασίας σε όλο το σύστημα, αυτή η προσέγγιση εμποδίζει οποιαδήποτε μονάδα επεξεργασίας να συσσωρεύει πόρους.
Εάν το SHMT θέλει να μεγιστοποιήσει την απόδοση χωρίς να θυσιάζει την ποιότητα, χρειάζεται την πολιτική προγραμματισμού QAWS. Η μελέτη αναφέρει ότι «Η SHMT πρέπει να διασφαλίζει το αποτέλεσμα χωρίς να επιβαρύνει σημαντικά τα έξοδα». Για να εγγυηθεί ότι η παραγωγή από ετερογενείς μονάδες επεξεργασίας είναι ακριβής και συνεπής, η SHMT ενσωματώνει τεχνικές ποιοτικού ελέγχου στον προγραμματισμό.
Η ικανότητα του SHMT να κάνει χρήση των ειδικών δυνατοτήτων κάθε εξαρτήματος υλικού είναι ένα σημαντικό πλεονέκτημα. Όπως σημειώνει η μελέτη, «Το SHMT μπορεί να διασπάσει τον υπολογισμό από την ίδια συνάρτηση σε πολλούς τύπους υπολογιστικών πόρων και να εκμεταλλεύεται ετερογενείς τύπους παραλληλισμού στο μεταξύ». Το SHMT βελτιώνει σημαντικά την απόδοση επειδή χρησιμοποιεί τον παραλληλισμό σε ετερογενή συστήματα για την εκτέλεση εργασιών ταυτόχρονα σε πολλές μονάδες επεξεργαστή.
Μια άλλη πτυχή του SHMT που υποτίθεται ότι είναι ευέλικτη και προσαρμοστική είναι το σύστημα χρόνου εκτέλεσης. Και σύμφωνα με τη μελέτη, «Καθώς τα HLOP είναι ανεξάρτητα από το υλικό, το σύστημα χρόνου εκτέλεσης μπορεί να προσαρμόσει την ανάθεση εργασιών όπως απαιτείται». Λόγω της προσαρμοστικότητάς του, το SHMT μπορεί να αντιδρά εν κινήσει σε αλλαγές στη διαθεσιμότητα υλικού ή στις απαιτήσεις φόρτου εργασίας, διατηρώντας το σύστημα σε κορυφαία απόδοση και απόδοση.
Συνολικά, η μελέτη καθορίζει όλα τα απαραίτητα βήματα για την κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του SHMT, εφιστώντας την προσοχή στα κρίσιμα μέρη και τις διαδικασίες που του επιτρέπουν να επιτύχει αξιοσημείωτη απόδοση και αποτελεσματικότητα σε ετερογενή υπολογιστικά περιβάλλοντα. Χάρη στο SHMT, το οποίο χρησιμοποιεί VOP, HLOP και τη στρατηγική προγραμματισμού QAWS για να φέρει επανάσταση στην παράλληλη επεξεργασία, μια νέα εποχή αποτελεσματικών και ισχυρών υπολογιστών πρόκειται να ανατείλει.
Θετικά ευρήματα από την αρχική δοκιμή του πρωτοτύπου
Για να αποδείξουν ότι το SHMT λειτουργεί, οι ερευνητές στο UCR διεξήγαγαν αυστηρές δοκιμές σε ένα πρωτότυπο σύστημα που μιμούνταν τις δυνατότητες του κέντρου δεδομένων, χρησιμοποιώντας εξαρτήματα που είναι τυπικά για τα σύγχρονα κινητά τηλέφωνα. Το πρωτότυπο περιελάμβανε μια TPU Google Edge ενσωματωμένη μέσω της υποδοχής M.2 Key E του συστήματος, μια μονάδα NVIDIA Jetson Nano με τετραπύρηνο επεξεργαστή ARM Cortex-A57 και 128 πυρήνες GPU αρχιτεκτονικής Maxwell.
Για να αξιολογήσουν την απόδοση του πλαισίου SHMT υπό διαφορετικές συνθήκες φόρτου εργασίας, οι ερευνητές εξέτασαν το πρωτότυπο σε μια σειρά από προγράμματα αναφοράς. Το αποτέλεσμα ήταν εντυπωσιακό: η κορυφαία στρατηγική QAWS όχι μόνο μείωσε την κατανάλωση ενέργειας κατά 51%, αλλά και βελτίωσε την απόδοση επεξεργασίας κατά 1.95 φορές σε σύγκριση με την βασική τεχνική.
Τα αποτελέσματα υπογραμμίζουν τις δυνατότητες της SHMT να βελτιώσει σημαντικά την απόδοση επεξεργασίας και την ενεργειακή απόδοση σε ένα ευρύ φάσμα συσκευών και εφαρμογών λογισμικού. Η SHMT απέδειξε ότι είναι δυνατό να αξιοποιήσετε στο έπακρο την τρέχουσα εγκατάστασή σας αξιοποιώντας καλύτερα όλους τους πόρους της, χωρίς να χρειάζεται να ξοδέψετε μια περιουσία σε νέο υλικό.
Με τη διαρκώς αυξανόμενη ανάγκη για ταχύτερο και πιο αποτελεσματικό υπολογισμό, οι ανακαλύψεις όπως η ταυτόχρονη και ετερογενής πολυνηματική λειτουργία θα γίνονται όλο και πιο κρίσιμες για τη διαμόρφωση της μελλοντικής τροχιάς της τεχνολογίας. Το έργο της ερευνητικής ομάδας UCR καθιστά σαφές ότι η εύρεση μακροπρόθεσμων λύσεων υπολογιστών υψηλής απόδοσης ικανών να προσαρμοστούν στις δυναμικές απαιτήσεις του ψηφιακού μας κόσμου δεν ήταν ποτέ ευκολότερη από το έργο της ερευνητικής ομάδας UCR.
Συνέπειες και μελλοντικές κατευθύνσεις ταυτόχρονης και ετερογενούς πολυνηματικής
Η δημιουργία και η δοκιμή του SHMT αντιπροσωπεύουν μια βαθιά αλλαγή στο μέλλον της πληροφορικής. Έχει τη δυνατότητα να φέρει επανάσταση στο σχεδιασμό και τη χρήση υπολογιστικών συσκευών σε πολλές εφαρμογές, προσφέροντας σημαντικές αυξήσεις απόδοσης και εξοικονόμηση ενέργειας με το υπάρχον υλικό.
Καθώς το SHMT κερδίζει ευρύτερη υιοθέτηση, οι καταναλωτές μπορεί να είναι σε θέση να αποφύγουν τις ακριβές ενημερώσεις υλικού και να απολαύσουν πιο γρήγορες, πιο ευαίσθητες κινητές συσκευές, tablet, φορητούς υπολογιστές και επιτραπέζιους υπολογιστές. Εξαιτίας αυτού, περισσότεροι άνθρωποι θα μπορούν σύντομα να αγοράζουν και να έχουν πρόσβαση σε υπολογιστές υψηλής απόδοσης, συμβάλλοντας στο κλείσιμο του ψηφιακού χάσματος.
Τα κέντρα δεδομένων και άλλα συστήματα υπολογιστών μεγάλης κλίμακας ενδέχεται επίσης να θεωρήσουν ότι η τεχνολογία SHMT αποτελεί απαραίτητο εργαλείο για τη μείωση του κόστους και της κατανάλωσης ενέργειας χωρίς να θυσιάζεται η απόδοση. Επιπλέον, οι καινοτομίες που προάγουν την ενεργειακή απόδοση και τη βιωσιμότητα, όπως η SHMT, θα αποκτήσουν σημασία καθώς οι ανησυχίες για τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις της τεχνολογίας κλιμακώνονται.
Παρά τις καλύτερες προσπάθειές της, η ερευνητική ομάδα του UCR αναγνωρίζει ότι υπάρχουν ακόμα εμπόδια που πρέπει να κατακτηθούν και ευκαιρίες για περισσότερη έρευνα και πρόοδο στο μέλλον. Οι μηχανικοί λογισμικού και οι κατασκευαστές υλικού θα πρέπει να συνεργαστούν στενά για να εφαρμόσουν το SHMT σε μεγάλη κλίμακα. Αυτό θα εγγυηθεί ότι η τεχνολογία λειτουργεί καλά σε όλες τις συσκευές και τις πλατφόρμες. Ωστόσο, απαιτείται περαιτέρω έρευνα για να καθοριστεί ποιες εφαρμογές και φόρτος εργασίας είναι πιο κατάλληλοι για τη χρήση αυτής της επαναστατικής τεχνολογίας.
Παρά τα εμπόδια αυτά, ακαδημαϊκοί και επιχειρήσεις έχουν λάβει υπόψη τα πολλά υποσχόμενα πρώτα αποτελέσματα του SHMT. Η πιθανότητα αυτή η πρωτοποριακή τεχνολογία να μεταμορφώσει τη βιομηχανία υπολογιστών γίνεται ολοένα και πιο ελκυστική καθώς οι μελέτες προχωρούν και οι συνεργασίες εδραιώνονται.
Όπως πολλές άλλες λαμπρές ιδέες, η ταυτόχρονη και ετερογενής πολλαπλή νήμα φαίνεται να είναι προϊόν κοινής λογικής, αλλά ο διάβολος βρίσκεται στις λεπτομέρειες. Ενώ η ιδέα μιας κοινής κρυφής μνήμης μεταξύ CPU και GPU είναι ενδιαφέρουσα, είναι πιθανό να απαιτεί μια πλήρη αναθεώρηση της αρχιτεκτονικής υλικού.
Θα δικαιολογούσε την απομάκρυνση από την τρέχουσα αρχιτεκτονική x86-64 και ένας τέτοιος σχεδιασμός θα απαιτούσε την ανάπτυξη μιας νέας αρχιτεκτονικής επεξεργαστή με κοινόχρηστη κρυφή μνήμη L3 ή L4. Αυτό, με τη σειρά του, θα αύξανε την πολυπλοκότητα της CPU και δυνητικά θα αναιρούσε τα οφέλη που αποκομίζονται από την κοινόχρηστη κρυφή μνήμη.
Επιπλέον, η προσωρινή μνήμη είναι συνήθως πολύ μικρότερη σε σύγκριση με τη μνήμη RAM του συστήματος και δεν είναι κατάλληλη για εφαρμογές GPU, οι οποίες απαιτούν μεγάλες ποσότητες μνήμης υψηλού εύρους ζώνης. Ωστόσο, εξελίξεις όπως καθολική μνήμη μπορεί να αντιμετωπίσει αυτές τις ανησυχίες. Καθώς η έρευνα για το SHMT συνεχίζεται, θα είναι συναρπαστικό να δούμε πώς αυτή η καινοτόμος τεχνολογία εξελίσσεται και επηρεάζει το μέλλον της παράλληλης επεξεργασίας και των ετερογενών υπολογιστών.
