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.

Mindent vivő munkahelyek

Mindig voltak olyan informatikai munkahelyek, melyek nagyon jól fekszenek az önéletrajzban.

Mindent vivő munkahelyek Mindig voltak olyan informatikai munkahelyek, melyek nagyon jól fekszenek az önéletrajzban.

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.

Kubernetes képzéseinket már közel 300 szakember végezte el. A nagy sikerre való tekintettel a tanfolyamot aktualizált tananyaggal június 18-án újra elindítjuk! A 8 alkalmas, élő képzés képzés órái utólag is visszanézhetők, és munkaidő végén kezdődnek.

a címlapról