الإلكترون E1: بنية تدفق البيانات الفعالة

هناك حاجة متزايدة إلى وحدات المعالجة المركزية التي يمكن أن تعيش الحياة على الحافة. وهذا يعني أن الحوسبة لفترة طويلة مضمنة في الأماكن التي يصعب الحصول عليها والبقاء على قيد الحياة على طاقة البطارية أو الطاقة التي يمكنهم الخروج من البيئة. عند الإحباط من عدم الكفاءة المتأصلة في بنية المعالجات الدقيقة للقوة الفائقة ، قرر مؤسسو الكمبيوتر المفعول في بدء التشغيل إعادة اختراع المعالج للأغراض العامة من الألف إلى الياء من أجل كفاءة الطاقة.

يقول براندون لوسيا المؤسس: “نحن نفعل شيئًا لديه قدرة وحدة المعالجة المركزية ولكنه واحد أو اثنين من الطلبات أكثر كفاءة”.

والنتيجة ، الإلكترون E1 ومترجمه المصاحب ، يتجه الآن إلى المطورين والشركاء الأوائل. وفقًا لـ Lucia ، يقدم المعالج C-Programmable ما بين 10 و 100 مرة كفاءة أفضل من وحدات المعالجة المركزية للسلطة الفائقة الفائق في مهام الأنظمة المدمجة النموذجية ، مثل إجراء تحويل فورييه السريع على بيانات المستشعرات أو القيام بالمرابح للتعلم الآلي.

كان الابتكار الرئيسي هو ابتكار بنية يمكن أن تضع تعليمات أي البرنامج من الناحية المكانية على شريحة بدلاً من توصيلها بالتتابع من الذاكرة كما هو الحال الآن في المعالجات التي تتبع بنية Von Neumann ، كما تقول لوسيا.

سيطرت فون نيومان بنية الحوسبة على مدى عقود. إنه يأخذ بشكل أساسي تعليمات من الذاكرة تخبر المعالج بما يجب فعله بالبيانات – قم بإضافة شيء ما ، يقلبها ، أيا كان – ويضع النتيجة في الذاكرة. ثم يختار التعليمات التالية ، والآخر ، وهلم جرا.

يبدو الأمر بسيطًا ، لكنه يأتي بالفعل مع الكثير من النفقات العامة. تقول لوسيا: “عدة مليارات مرة في الثانية ، فأنت تسحب تعليمات من الذاكرة. هذه العملية تكلف بعض الطاقة”. بالإضافة إلى ذلك ، لمنع العملية من المماطلة ، يتعين على وحدات المعالجة المركزية الحديثة أن تخمن بالتعليمات التي تأتي بعد ذلك ، مما يتطلب منطقًا يسمى التنبؤ بالفرع وما زال أكثر النفقات العامة.

بدلاً من ذلك ، يقوم E1 بتخطيط تسلسل التعليمات كمسار مكاني تتحرك من خلاله البيانات. في الأساس ، فإن E1 عبارة عن مجموعة من “البلاط”. يشبه كل منهما جوهر معالج مجرّد-قابل للتشكيل من أداء مجموعة من التعليمات ولكن يفتقر إلى جلب التعليمات والتنبؤ الفرعي وغيرها من النفقات العامة. يتم ربط البلاط معًا في شبكة مصممة خصيصًا وقابلة للبرمجة.

يقرأ برنامج التحويل البرمجي لـ E1 ، الذي يطلق عليه برنامج التحويل البرمجي لـ EFCC ، البرنامج ، والذي يمكن كتابته باللغة C أو اللغات والمنصات الشائعة الأخرى ، ويعين كل تعليمات في البرنامج إلى البلاط. ثم يقوم بإعداد الشبكة بحيث تدخل البيانات في بلاط واحد ، تتم معالجتها ، وتتصدر النتيجة إدخال البلاط التالي في التسلسل الصحيح لتشغيل البرنامج. عندما يفرع التسلسل ، مثل عندما يواجه البرنامج if/then/else ، فإن النمط المكاني للبلاط. تقول لوسيا: “إنه مثل مسار التبديل في خط السكك الحديدية”.

“كانت هناك بنيات أخرى على غرار بيانات البيانات” ، تلاحظ لوسيا. على سبيل المثال ، تم تصميم رقائق TPUs من Google و Amazon’s Indipentia ، على سبيل المثال ، حول بنية تدفق البيانات تسمى صفيف انقباضي. لكن لوسيا إن المصفوفات الانقباضية وغيرها من جهود تدفق البيانات تقتصر على مجموعة فرعية من جميع برامج مسارات البيانات المحتملة التي قد تتطلبها برامجها.

في المقابل ، يسمح نسيج شبكة E1 بأي مسار تعسفي يمكن أن يطلبه البرنامج. من الأهمية بمكان أن تكون قدرة النسيج على دعم ما يسمى التكرار التعسفي ، مثل “بينما الحلقة”. (فكر: “في حين أن الضوء أحمر ، قم بإبطال الفرامل”.) تتطلب هذه الحلقات مسار ردود الفعل. تقول لوسيا: “اتضح أن هذا أصعب مما يبدو عندما تنظر إليه لأول مرة”. يمكن أن يحمل نسيج E1 قيمًا حول مسارات التغذية المرتدة بطريقة تسمح بالحوسبة العامة للأغراض. “الكثير من بنيات تدفق البيانات الأخرى لا تفعل غرضًا عامًا لأنها لم تتمكن من كسر هذا الجوز … استغرق الأمر سنوات للحصول عليها بشكل صحيح.”

وفقًا للكمبيوتر الفعال ، يستهلك E1 طاقة أقل من معالجات ذراع متنافسة في ثلاث مهام شائعة: مضاعفة المصفوفة للتعلم الآلي ، وتحويل فورييه السريع ، والالتفاف لرؤية الكمبيوتر.كمبيوتر فعال

وفقًا لأستاذ علوم الكمبيوتر والهندسة بجامعة ميشيغان تود أوستن ، فإن الرقائق مثل E1 هي مثال جيد على بنية فعالة ، لأنها تقلل من أجزاء من السيليكون المشارك في أشياء لا يتم حسابها بحتة ، مثل إحضار تعليمات ، وتخزين البيانات المؤقتة ، والتحقق من استخدام طريق الشبكة.

يقول راكش كومار ، المهندس المعماري للكمبيوتر بجامعة إلينوي أوربانا شامبين ، إن فريق لوسيا “يقوم بالكثير من الأعمال الذكية للسماح لك بالحصول على قوة منخفضة للغاية للحوسبة للأغراض العامة”. ويتوقع أن يكون التحدي لبدء التشغيل هو الاقتصاد. “لقد واجهت شركات الطاقة الفائقة وقتًا عصيبًا بسبب منافسة قوية في موكّنات الدقيقة المنخفضة ، والتحدي الرئيسي في تحديد قدرة جديدة” والحصول على العملاء على دفع ثمنها.