Çığır Açan Eş Zamanlı ve Heterojen Çok İşlemci Teknolojisi Bilgisayarları Hızlandırıyor

Tüm yeni cihazlar, teknoloji devleri gibi Apple ve Google’dan gelen cihazlar küçük geliştirmeleri içeriyor – pil ömründe tek basamaklı bir artış, işlemci için bir nanometre azalan boyut, üreticiler için optimal verimlilik sağlamayan veya birkaç ekstra megapiksel – ancak soru ortaya çıkıyor: Bu gibi mütevazi iyileştirmeler gerçekten yeterli mi? Daha fazla donanım eklemek çözüm mü?

Kaliforniya Riverside Üniversitesi (UCR) Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü’nden Yardımcı Profesör Hung-Wei Tseng’e göre değil. Tseng, “Yeni işlemciler eklemenize gerek yok, çünkü zaten onları sahipsiniz” diyor.

Tseng ve bir grup araştırmacı, paralel işlem için yeni bir yazılım çerçevesi geliştirdi, bu da Eş Zamanlı ve Heterojen Çok İşlemci (SHMT) olarak adlandırılıyor. İlk sonuçlara göre, SHMT kişisel bilgisayarlar, cep telefonları ve diğer cihazlardaki mevcut işlemcilerdeki gizli kapasiteleri kullanarak önemli ölçüde işlem hızını artırma ve enerji tüketimini azaltma potansiyeline sahip.

Teknoloji topluluğu tarafından “çığır açan” olarak nitelenen SHMT, veri akışı tıkanıklıklarını gidermeye ve birçok işlem biriminin sorunsuz bir şekilde işbirliği yapmasını sağlamaya yönelik. Bu atılım, yalnızca kişisel elektronik cihazları değil, aynı zamanda veri merkezleri ve diğer büyük ölçekli paralel hesaplama sistemlerini de etkileyebilir.

İleri nanofotonik ile daha iyi bir akıllı telefon nasıl yapılır öğrenmek için buraya tıklayın.

Tıkanıklığı Gidermek

Çok işlemci teknolojisini keşfetmeden önce, mevcut bilgisayar sistemlerinin sınırlarını anlamak önemlidir.

Çoğu cihazda, merkezi işlem birimi (CPU), grafik işlem birimi (GPU) ve tensor işlem birimi (TPU) gibi çeşitli bileşenler bilgiyi ayrı ayrı işler. Veri bir işlem birimidinden diğerine aktarılır, bu da genellikle genel sistem performansını engelleyen “tıkanıklıklara” neden olur.

Geleneksel programlama modelleri, genellikle görevleri tek bir işlemci türüne atayarak, diğer kaynakları boşta ve verimsiz bırakarak bu durumu daha da kötüleştirir. Kuan-Chieh Hsu ve Hung-Wei Tseng’in “Eş Zamanlı ve Heterojen Çok İşlemci” araştırması, “Koyu köklenmiş programlama modelleri, her kod bölgesi için yalnızca en verimli işlem birimleri kullanmaya odaklanıyor, heterojen bilgisayarlardaki işlem gücünü boşta bırakıyor” diyor.

SHMT, bu yaklaşımdan saparak, bir bilgisayar sistemindeki çeşitli bileşenlerin çeşitliliğini kullanıyor. Bu kavram, heterojenlik olarak biliniyor. SHMT, hesaplamaları parçalara ayırarak mevcut işlem birimlerine dağıtarak gerçek paralel işlemeyi sağlıyor.

Bu yaklaşım, hesaplamaları parçalara ayırarak ve çeşitli işlem birimlerine dağıtarak mevcut kaynakların kullanımını en üst düzeye çıkararak performansı artırma ve enerji tasarrufu sağlama potansiyeline sahip.

Araştırma, geleneksel programlama modellerinin “bir kod bölgesini yalnızca bir işlemci türüne atayabildiğini, diğer hesaplamalı kaynakları boşta bırakarak current fonksiyona katkıda bulunmadığını” belirtiyor. SHMT, her işlem biriminin özel becerilerini ve bir kod bölgesinde işbirliği yapmasını sağlayarak bu kısıtlamalardan kurtulmayı hedefliyor.

SHMT, çağdaş bilgisayar teknolojisinin şüphesiz heterojen olduğunu, tüm bilgisayar platformlarının birden fazla işlem birimi ve donanım hızlandırıcıları entegre ettiğini vurguluyor. Bu, bu çeşitli bileşenlerin gücünü etkili bir şekilde kullanabilecek bir programlama modeli gerektiriyor (ki SHMT bunu başarmayı amaçlıyor).

Bu nedenle, SHMT, mevcut bilgisayar sistemlerindeki tıkanıklıkları gidererek daha hızlı ve daha verimli hesaplama için yol açıyor.

Eş Zamanlı ve Heterojen Çok İşlemci Teknolojisi Nasıl Çalışır?

SHMT’nin temel ilkesi, farklı donanım bileşenleri arasında hesaplama faaliyetlerini verimli bir şekilde yönetmek ve dağıtmaktır.

Çerçeve, CPU uygulamalarından sanal bir donanım cihazına görevleri devretmek için sanal işlemler (VOP’ler) içerir. Çalışmaya göre, “Sanal işlemler (VOP’ler), bir CPU programının bir işlevi sanal bir donanım cihazına ‘devretmesine’ izin veriyor.”

Bir çalışma zamanı sistemi, donanım kaynaklarının yeteneklerini değerlendirerek ve uygulamanın yürütülmesi sırasında akıllı zamanlama kararları alarak performansı optimize ediyor. Çalışmaya göre, “Çalışma zamanı sistemi, eş zamanlı ve heterojen çok işlemcinin sanal donanımını yöneterek, donanım kaynağının yeteneklerini değerlendirerek zamanlama kararları alıyor.”

Çalışma zamanı sistemi, VOP’leri yüksek düzeyli işlemlere (HLOP’ler) ayırarak bunları çeşitli donanım görev kuyruklarına dağıtıyor. Çalışmaya göre, “Çalışma zamanı sistemi, VOP’leri birden fazla donanım kaynağının aynı anda kullanılmasını sağlamak için bir veya daha fazla yüksek düzeyli işlem (HLOP) haline getiriyor.”

SHMT zamanlama politikası, kaynakların verimli kullanımını ve çeşitli iş yüklerini sağlayan bir kalite odaklı iş çalmaya (QAWS) yaklaşımını kullanıyor. Çalışmaya göre, “SHMT, kaynakları tüketmeyen, ancak kalite kontrolünü ve iş yükü dengesini sağlayan bir kalite odaklı iş çalmaya (QAWS) zamanlama politikası kullanıyor.”

SHMT, performansı artırmadan kaliteyi feda etmeden QAWS zamanlama politikasına ihtiyaç duyuyor. Çalışmaya göre, “SHMT, sonucu önemli bir ek yük olmaksızın güvence altına almalıdır.” SHMT, heterojen işlem birimleri tarafından üretilen çıktının doğru ve tutarlı olmasını sağlamak için zamanlamada kalite kontrol tekniklerini entegre ediyor.

SHMT’nin her bir donanım parçasının özel yeteneklerini kullanabilmesi önemli bir avantaj. Çalışmaya göre, “SHMT, aynı işlevin hesaplamasını birden fazla işlem birimi türüne ayırabilir ve aynı zamanda heterojen paralellik türlerini kullanabilir.” SHMT, heterojen sistemlerde paralellik kullanarak birden fazla işlem birimi boyunca işleri aynı anda çalıştırarak performansı önemli ölçüde artırıyor.

SHMT’nin bir diğer esnek ve uyarlanabilir yönü, çalışma zamanı sistemidir. Çalışmaya göre, “HLOP’ler donanım bağımsızdır, bu nedenle çalışma zamanı sistemi görev atamalarını gerektiği gibi ayarlayabilir.” SHMT, donanım kullanılabilirliği veya iş yükü taleplerindeki değişikliklere anında tepki vererek sistemi en yüksek verimlilikte ve performansı korur.

Genel olarak, çalışma, SHMT’nin nasıl çalıştığını, kritik parçaları ve süreçleri vurgulayarak, heterojen hesaplama ortamlarında şaşırtıcı bir verimlilik ve etkinlik sağladığını gösteriyor. SHMT, VOP’ler, HLOP’ler ve QAWS zamanlama stratejisi kullanarak paralel işlemeyi devrimleştirerek, verimli ve güçlü bir hesaplama çağı doğuyor.

Prototipin İlk Testlerinden Elde Edilen Olumlu Sonuçlar

SHMT’nin çalıştığını kanıtlamak için UCR araştırmacıları, çağdaş cep telefonlarında bulunan parçaları kullanarak bir prototype sistemi oluşturdular. Prototip, sistemdeki M.2 Key E yuvası aracılığıyla entegre edilen bir Google Edge TPU, bir NVIDIA Jetson Nano modülü ve 128 Maxwell mimarisi GPU çekirdeği içeriyordu.

Araştırmacılar, SHMT çerçevesinin farklı iş yükü koşullarında performansını değerlendirmek için prototype’u çeşitli benchmark programlarından geçirdiler. Sonuç, etkileyiciydi: En iyi performans gösteren QAWS stratejisi, yalnızca enerji tüketimini %51 azaltmakla kalmadı, aynı zamanda temel teknikten 1.95 kat daha iyi bir performans gösterdi.

Sonuçlar, SHMT’nin geniş bir cihaz ve yazılım uygulaması yelpazesi boyunca işlem performansını ve enerji verimliliğini önemli ölçüde artırma potansiyelini vurguluyor. SHMT, yeni donanımlar satın almaya gerek kalmadan mevcut kurulumun tüm kaynaklarını daha iyi kullanarak en iyi performansı elde etmenin mümkün olduğunu gösteriyor.

Hızlı ve verimli hesaplama ihtiyacının sürekli artmasıyla, eş zamanlı ve heterojen çok işlemci gibi atılımlar, teknolojinin gelecekteki yönünü şekillendirmede giderek daha önemli hale gelecek. UCR araştırma ekibinin çalışması, uzun vadeli, yüksek performanslı hesaplama çözümlerinin, dinamik dijital dünyamızın taleplerine uyum sağlayabilecek şekilde bulunmasının hiç bu kadar kolay olmadığını gösteriyor.

Eş Zamanlı ve Heterojen Çok İşlemci Teknolojisinin Sonuçları ve Gelecekteki Yönleri

SHMT’nin geliştirilmesi ve test edilmesi, hesaplamanın geleceğinde önemli bir değişimi temsil ediyor. Mevcut donanımla önemli performans artışları ve enerji tasarrufu sağlayarak, çeşitli uygulamalar ve cihaz tasarımlarını devrimleştirme potansiyeline sahip.

SHMT daha geniş bir kabul gördükçe, tüketiciler pahalı donanım güncellemelerinden kaçınabilir ve daha hızlı, daha duyarlı mobil cihazlar, tabletler, dizüstü bilgisayarlar ve masaüstü bilgisayarlar deneyimleyebilir. Bu, daha fazla insanın yüksek performanslı bilgisayarlara erişmesini sağlayarak dijital uçurumu kapatmaya yardımcı olabilir.

Veri merkezleri ve diğer büyük ölçekli hesaplama sistemleri de SHMT’yi, performansını feda etmeden maliyetleri ve enerji tüketimini azaltmak için değerli bir araç olarak görebilir. Ayrıca, enerji verimliliği ve sürdürülebilirliği teşvik eden yenilikler, teknolojinin çevresel etkileri arttıkça daha önemli hale gelecek.

UCR araştırma ekibi, masih birçok engel ve daha fazla araştırma ve geliştirme fırsatlarının olduğunu biliyor. SHMT’yi geniş ölçekte uygulamak için yazılım mühendisleri ve donanım üreticilerinin yakın bir şekilde çalışması gerekecek. Bu, teknolojinin tüm cihazlarda ve platformlarda sorunsuz bir şekilde çalışmasını garantileyecek.

Bununla birlikte, akademisyenler ve işletmeler, SHMT’nin vaat edilen ilk sonuçlarına dikkat çekiyor. Bu çığır açan teknolojinin bilgisayar endüstrisini dönüştürme olasılığı, araştırmaların ilerlemesi ve işbirliklerinin kurulmasıyla birlikte giderek daha çekici hale geliyor.

Geleneksel programlama modellerinin sınırlamalarını aşmak için SHMT gibi yenilikçi teknolojilere ihtiyaç duyuluyor. Ancak, bu teknolojilerin geliştirilmesi ve uygulanması, donanım ve yazılım arasındaki kompleks etkileşimleri dikkate alarak dikkatli bir şekilde ele alınmalıdır.