Heterojen bilgi işlem - Heterogeneous computing

Heterojen bilgi işlem birden fazla türde işlemci kullanan sistemleri ifade eder veya çekirdek. Bu sistemler performans kazanır veya enerji verimliliği yalnızca aynı tür işlemcileri ekleyerek değil, benzer olmayanları ekleyerek yardımcı işlemciler, genellikle belirli görevleri yerine getirmek için özel işlem yetenekleri içerir.[1]

Heterojenlik

Bilgi işlem bağlamında genellikle heterojenlik[ne zaman? ] Farklıya yönerge kümesi mimarileri (ISA), ana işlemcinin bir diğerine sahip olduğu ve diğer işlemcilerin başka bir işlemciye sahip olduğu - genellikle çok farklı bir mimari (belki birden fazla), sadece farklı değil mikro mimari (kayan nokta sayı işleme bunun özel bir durumudur - genellikle heterojen olarak adlandırılmaz).

Geçmişte heterojen hesaplama, farklı ISA'ların farklı şekilde ele alınması gerektiği anlamına gelirken, modern bir örnekte, Heterojen Sistem Mimarisi (HSA) sistemleri[2] birden çok işlemci türü kullanırken (tipik olarak kullanıcı için) farkı ortadan CPU'lar ve GPU'lar[3]), genellikle aynı entegre devre, her iki dünyanın en iyisini sağlamak için: genel GPU işleme (GPU'nun iyi bilinen 3B grafik oluşturma yeteneklerinin yanı sıra, çok büyük veri kümelerinde matematiksel açıdan yoğun hesaplamalar da yapabilir), CPU'lar işletim sistemini çalıştırabilir ve geleneksel seri görevler.

Modern bilgi işlem sistemlerindeki heterojenlik düzeyi, fabrikasyon teknolojilerinin daha da ölçeklendirilmesi, daha önce ayrı bileşenlerin bir bilgisayarın entegre parçaları haline gelmesine izin verdiğinden, giderek artmaktadır. çip üzerinde sistem veya SoC.[kaynak belirtilmeli ] Örneğin, birçok yeni işlemci artık diğer cihazlarla arabirim oluşturmak için yerleşik mantık içeriyor (SATA, PCI, Ethernet, USB, RFID, radyolar, UART'lar, ve bellek denetleyicileri ) yanı sıra programlanabilir fonksiyonel birimler ve donanım hızlandırıcıları (GPU'lar, kriptografi ortak işlemciler, programlanabilir ağ işlemcileri, A / V kodlayıcılar / kod çözücüler, vb.).

Son bulgular, birden fazla ISA'nın sunduğu çeşitlilikten yararlanan heterojen bir ISA yonga çoklu işlemcisinin,% 23 enerji tasarrufu ve% 32'lik bir azalma ile en iyi aynı ISA homojen mimarisinden% 21 daha iyi performans gösterebileceğini göstermektedir. Enerji Gecikme Ürünü (EDP).[4] AMD'nin pin uyumlu ARM ve x86 SoC'lerine ilişkin 2014 duyurusu, kod adı Project Skybridge,[5]yapım aşamasında bir heterojen-ISA (ARM + x86) çipli çok işlemciyi önerdi.[kaynak belirtilmeli ]

Heterojen CPU topolojisi

Bir sistem heterojen CPU topolojisi aynı ISA'nın kullanıldığı, ancak çekirdeklerin hız bakımından farklı olduğu bir sistemdir.[6] Kurulum daha çok bir simetrik çok işlemcili. (Bu tür sistemler teknik olarak asimetrik çok işlemciler çekirdekler roller veya cihaz erişimi açısından farklılık göstermez.)

Bu tür topolojinin yaygın bir kullanımı, mobil SoC'lerde daha iyi güç verimliliği sağlamaktır. KOL büyük. KÜÇÜK daha hızlı yüksek güçlü çekirdeklerin daha yavaş düşük güçlü çekirdeklerle birleştirildiği prototip bir durumdur.[7] Elma Silikon benzer organizasyona sahip ARM çekirdekleri üretti. Intel ayrıca, kod adı Lakefield olan hibrit x86 çekirdeklerini üretti, ancak komut seti desteğinde büyük sınırlamalar olmadan.

Zorluklar

Heterojen bilgi işlem sistemleri, tipik homojen sistemlerde bulunmayan yeni zorluklar sunar.[8] Birden fazla işleme öğesinin varlığı, homojen paralel işleme sistemleriyle ilgili tüm sorunları ortaya çıkarırken, sistemdeki heterojenlik düzeyi, sistem geliştirmede, programlama uygulamalarında ve genel sistem becerisinde tekdüzelik olmamasına neden olabilir. Heterojenlik alanları şunları içerebilir:[9]

  • ISA veya yönerge kümesi mimarisi
    • Hesaplama öğelerinin farklı komut seti mimarileri olabilir ve bu da ikili uyumsuzluğa yol açar.
  • ABI veya uygulama ikili arabirimi
  • API veya uygulama programlama Arayüzü
    • Kitaplık ve işletim sistemi hizmetleri, tüm hesaplama öğeleri için aynı şekilde kullanılamayabilir.[11]
  • Dil Özelliklerinin Düşük Düzeyde Uygulanması
    • İşlevler ve diziler gibi dil özellikleri genellikle işlev işaretçileri heterojen ortamlarda kullanıldığında ek çeviri veya soyutlama gerektiren bir mekanizma.
  • Bellek Arayüzü ve Hiyerarşi
    • Hesaplama öğeleri farklı olabilir önbellek yapılar önbellek tutarlılığı protokoller ve bellek erişimi tek tip veya tek tip olmayan bellek erişimi olabilir (NUMA ). Bazı işlemciler / birimler yalnızca bayt, kelime veya seri erişimleri gerçekleştirebildiğinden, isteğe bağlı veri uzunluklarını okuma becerisinde de farklılıklar bulunabilir.
  • Ara bağlantı
    • Hesaplama öğeleri, temel bellek / veri yolu arabirimlerinin yanı sıra farklı türlerde ara bağlantılara sahip olabilir. Bu, özel ağ arayüzlerini, Doğrudan bellek erişimini (DMA ) cihazlar, posta kutuları, FIFO'lar, ve karalama defteri anıları, vb. Ayrıca, heterojen bir sistemin belirli bölümleri önbellek uyumlu olabilirken diğerleri tutarlılık ve tutarlılığı korumak için açık yazılım katılımı gerektirebilir.
  • Verim
    • Heterojen bir sistem, mimari açıdan özdeş CPU'lara sahip olabilir, ancak çeşitli performans ve güç tüketim düzeylerine yol açan temel mikro mimari farklılıklara sahip olabilir. Opak programlama modelleri ve işletim sistemi soyutlamalarıyla eşleştirilmiş yeteneklerdeki asimetriler, özellikle karışık iş yüklerinde bazen performans öngörülebilirlik sorunlarına yol açabilir.
  • Veri Bölümleme
    • Verilerin homojen platformlarda bölümlenmesi genellikle önemsiz olsa da, genel heterojen durum için sorunun NP-Complete olduğu gösterilmiştir.[12] Az sayıda bölüm için, yükü mükemmel şekilde dengeleyen ve iletişim hacmini en aza indiren en uygun bölümlemelerin var olduğu gösterilmiştir. [13]

Örnek donanım

Heterojen bilgi işlem donanımı, yüksek kaliteli sunuculardan ve yüksek performanslı bilgi işlem makinelerinden cep telefonları ve tabletler dahil düşük güçlü yerleşik cihazlara kadar her alanda bulunabilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Shan Amar (2006). Heterojen İşleme: Moore Yasasını Arttırmak İçin Bir Strateji. Linux Journal.
  2. ^ "Hetergeneous System Architecture (HSA) Foundation". Arşivlenen orijinal 2014-04-23 tarihinde. Alındı 2014-11-01.
  3. ^ S. Mittal ve J.Vetter (2015), CPU-GPU Heterojen Hesaplama Teknikleri Üzerine Bir İnceleme, ACM Hesaplama Anketleri.
  4. ^ Venkat, Ashish; Tullsen, Dean M. (2014). ISA Çeşitliliğinden Yararlanma: Heterojen-ISA Çipli Çok İşlemcinin Tasarımı. 41. Uluslararası Bilgisayar Mimarisi Sempozyumu Bildirileri.
  5. ^ Anand Lal Shimpi (2014-05-05). "AMD, SkyBridge Projesi'ni Duyurdu: 2015'te Pin Uyumlu ARM ve x86 SoC'ler, Android Desteği". AnandTech. Alındı 2017-06-11. Önümüzdeki yıl AMD, entegre Graphics Core Next GPU ile düşük güçlü 20nm Cortex A57 tabanlı SoC'yi piyasaya sürecek.
  6. ^ "Enerjiye Duyarlı Planlama". Linux Kernel belgeleri.
  7. ^ Asimetrik Çok Çekirdekli İşlemcileri Tasarlamak ve Yönetmek İçin Teknikler Üzerine Bir İnceleme, ACM Computing Surveys, 2015.
  8. ^ Kunzman, D.M. (2011). Heterojen Sistemlerin Programlanması. Paralel ve Dağıtık İşleme Atölyeleri Uluslararası Sempozyumu. doi:10.1109 / IPDPS.2011.377.
  9. ^ Flachs Brian (2009). Heterojen İşlemcileri Ana Akıma Getirmek (PDF). Yüksek Performanslı Hesaplamada Uygulama Hızlandırıcıları Sempozyumu (SAAHPC).
  10. ^ "Bulut bilişimde genetik algoritma kullanarak heterojen bellek için maliyete duyarlı multimedya veri tahsisi" (PDF). IEEE. 2016. Alıntı dergisi gerektirir | günlük = (Yardım)
  11. ^ Agron, Jason; Andrews, David (2009). Heterojen Manycore Sistemleri için Donanım Mikro çekirdekleri. Paralel İşleme Çalıştayları, 2009. Uluslararası Paralel İşleme Konferansı (ICPPW). doi:10.1109 / ICPPW.2009.21.
  12. ^ Beaumont, Olivier; Boudet, Vincent; Rastello, Fabrice; Robert, Yves (Ağustos 2002). "Bir kareyi dikdörtgenlere bölmek: NP-tamlığı ve yaklaşım algoritmaları" (PDF). Algoritma. 34 (3): 217–239. CiteSeerX  10.1.1.3.4967. doi:10.1007 / s00453-002-0962-9.
  13. ^ Beaumont, Olivier; Becker, Brett; DeFlumere, Ashley; Eyraud-Dubois, Lionel; Lastovetsky, Alexey (Temmuz 2018). "Heterojen Platformlarda Paralel Hesaplama için Matris Bölümlemede Son Gelişmeler" (PDF). Paralel ve Dağıtık Hesaplamada IEEE İşlemleri.
  14. ^ Gschwind, Michael (2005). Hücre heterojen çip-çok işlemcili için yeni bir SIMD mimarisi (PDF). Hot Chips: Yüksek Performanslı Cipsler Sempozyumu.