Szerző: Bodnár Ádám

2013. július 9. 11:43

Beáldozni a pontosságot a sebesség oltárán?

Érdekes kutatások folynak a houstoni Rice Egyetemen: tudósok egy csapata olyan processzort fejlesztett, ami pontatlanul számol, cserébe rendkívül gyors és keveset fogyaszt. Médiafeldolgozási feladatokra kiváló lehet, vélik a mérnökök.

Biztos sokan emlékeznek az Intel Pentium megjelenését beárnyékoló FDIV hibát kifigurázó viccekre, amelyek általában arról szóltak, hogy a processzor gyorsan kiszámolja egy számítás eredményét, de rosszul. A viccek kiötlői valószínűleg nem gondoltak arra, hogy egyszer a téma ennyire komollyá válik, és a számítógépek hajlandóak lesznek beáldozni a pontosságot a sebesség oltárán.

Pontatlan, de gyors processzorok

A Rice Egyetemen évek óta folynak kutatások a pontatlan számítástechnikával ("inexact computing") kapcsolatban. Az intézet mérnökei a Berkeley Egyetemmel, a svájci Center for Electronics and Microtechnologyval (CSEM), valamint a szingapúri Nanyang Műszaki Egyetemmel közösen most megalkották az első prototípust, amelyen igazolni tudták elgondolásuk helyességét. Az eredményekről írt publikációt a Cagliariban tartott ACM International Conference on Computing Frontiers rendezvényen prezentálták, ahol a résztvevők legjobb publikációnak jár díjat szavazták meg.

A "pontatlan számítástechnika" abból indul ki, hogy egyes alkalmazások vagy műveletek elvégzéséhez nincs szükség pontos végeredményre, néha belefér egy-egy hiba, ha ezzel le lehet csökkenteni egy áramkör méretét, a fogyasztását vagy meg lehet növelni a teljesítményét. Az ilyen chipek egyik feladata lehet a médiafeldolgozás: az emberi szem rendelkezik afféle természetes hibajavító algoritmussal is, így egy pontatlanul feldolgozott képet vagy videót nem tud megkülönböztetni a pontostól, amennyiben a hibák száma alacsony.

"Megkérdőjelezzük a számítástechnika egyik régóta élő szabályát, amely szerint az információ definíció szerint helyes és pontos" - mondta a Rice Egyetem professzora, a kutatást vezető Krishna Palem. "Valójában az emberi agy rendszeresen elboldogul helytelen vagy kevés információval is. A célunk egy olyan új számítógép-architektúra létrehozása, amely ezt az emberi képességet használja ki annak érdekében, hogy csökkentse a fogyasztást és lefaragja a chiptervezés költségeit."

Zajból a jelet, elég jól

A CMOS processzorok esetében a bináris 0 és 1 jelek élesen elkülönülnek egymástól, az 1 ugyanis akkora feszültségszintű jelet jelent, amely könnyen elválasztható az áramköri zajtól. A feszültség növekedése viszont a fogyasztás növekedését is okozza (az arányosság ráadásul négyzetes), így a cél minél kisebb feszültséggel működő processzorok létrehozása. A PCMOS (probabilistic CMOS) áramkörök esetében nem egy kiugróan magas feszültségű 1 jel létrehozása a cél, hanem a zajból minél nagyobb valószínűséggel felismerni a jelet.

A tapasztalatok szerint a 0 és 1 mintegy 90 százalékos valószínűségű elkülönítéséhez már egy nagyságrenddel kisebb feszültség is elegendő, ami jelentős fogyasztáscsökkenést eredményez. A futtatott feladat típusától függően a processzor kevesebb vagy több hibát véthet, például egy kép vagy hang feldolgozásakot több hiba "fér bele" mint egy pénzügyi számítás esetén például. A másik módszer a pontatlan processzorok építésekor a "metszés" ("pruning"), ami a gyakorlatban annyit tesz, hogy az áramkörök feleslegesnek ítélt, ritkán használt részeit egyszerűen levágják a kutatók, mint a növények nem kívánatos hajtásait.

A 2011-ben publikált, még szimulációkon alapuló adatok alapján egy pontatlan processzor kétszer akkora teljesítményű lehet mint egy pontos, miközben fele akkora a mérete és fele annyit is fogyaszt. A tényleges prototípussal végzett mérések azonban még ennél is biztatóbbak: a pontatlan processzor majdnem 90 százalékkal fogyasztott kevesebbet mint az eredeti, és csak az esetek 0,25 százalékában adott más eredményt. "Ha figyelembe vesszük a méretcsökkenést és a teljesítménynövekedést, ezek a chipek hét és félszer hatékonyabbak a hétköznapi processzoroknál. Azok a chipek, amik az esetek 8 százalékában adtak pontatlan eredményt, már tizenötször gyorsabbak voltak" - mondta Avinash Lingamneni, a Rice Egyetem diákja, a kutatás résztvevője, a publikáció társszerzője.

Van, amire kiváló

A kutatók próbaképpen egy digitális videofeldolgozó algoritmust futtattak a processzoron és azt találták, a kapott eredmény még 0,5 százalék feletti hibaarány felett is megkülönböztethetetlen az emberi szem számára az eredetitől. 7 százalékos hibaarány körül azonban már jól láthatóak voltak a hibák. A "pontatlan" processzorokat először feltehetően olyan médiafeldolgozási feladatokra alkalmazzák majd, ahol fontos az alacsony fogyasztás és a kis méret, a gép hibáit pedig az emberi agy kiküszöböli. Ilyenek lehetnek például hallásjavító mobil készülékek vagy a mobil médialejátszók, fényképezőgépek és kamerák.

A második kép 0,5 százalékos, a harmadik pedig 7 százalék körüli hibaarányt mutat

Egy másik lehetőség annyira alacsony fogyasztású számítógépek építése, amelyek a számológépekben használatos napelemekről is működni tudnak. A kutatásokat irányító Krishna Palem ugyanis az egyetemen működő Institute for Sustainable and Applied Infodynamics (ISAID) vezetője is, ennek a szervezetnek az egyik célja a fejletlen országokban is használható, oktatási célú számítógépek létrehozása - az indiai iskoláknak fejlesztett készülék neve I-Slate. A szakember szerint még idén elkészülhetnek a pontatlan chipekre épülő első olcsó tabletek és hallókészülékek prototípusai - utóbbiak akár négy-ötször tovább bírhatják egy feltöltéssel mint a jelenlegi modellek.

A témáról bővebben a Rice Egyetem publikációiban lehet olvasni.

a címlapról

dualsense

0

Bemutatkozott a PS5 kontrollere

2020. április 8. 12:30

A Sony az elődökhöz képest alaposan átrajzolt vezérlője DualSense néven debütál.