App-specifikke processorer til at bekæmpe mørkt silicium

En processor ætset med kredsløb skræddersyet til de mest udbredte apps på Android-telefoner kan hjælpe med at forlænge enhedernes batterilevetid. Forskere ved University of California, San Diego har skabt software, der scanner styresystemet og en samling af de mest populære apps og derefter genererer et processordesign, der er skræddersyet til deres krav. Resultatet kan være 11 gange mere effektivt end nutidens typiske smartphone-chip til generelle formål, siger Michael Taylor, der leder GreenDroid projekt med kollega Steven Swanson.

Leve længere: Mikroprocessorer designet omkring de mest brugte apps kan gøre smarttelefoner mere energieffektive.

Chipdesign til mobiltelefoner skal genovervejes af to grunde, siger Taylor. Den ene er at forbedre deres brug af den begrænsede energi, der er tilgængelig for en telefon, og den anden er at angribe et problem kaldet mørkt silicium, som skal gøre konventionelle chipdesign endnu mindre effektive.

Mørk silicium er en del af en mikrochip, der efterlades ubrugt. Selvom det er usædvanligt i dag, forventes mørkt silicium at blive nødvendigt om to eller tre år, fordi ingeniører ikke vil være i stand til at reducere chipsens driftsspændinger yderligere for at opveje stigninger i strømforbrug og spildvarme produceret af mindre, hurtigere chips.

Betjening af krympende transistorer med lavere spændinger var traditionelt den escape-ventil, der muliggjorde mere beregningskraft uden mere varmeydelse, siger Taylor, men nu er der ikke noget sted at tage hen. Driftsspændinger har sneget sig tæt på en fundamental grænse, hvor transistorer holder op med at fungere praktisk talt. Det betyder, at snart, som transistorer bliver ved med at blive mindre, vil hver generation af chips være mindre effektiv end den før, siger han. Hvis du blev ved med at bruge hele chippen, ville hver generation generere dobbelt så meget varme som den før. At holde energiforbruget konstant kræver kun at tænde visse dele af en chip på ethvert tidspunkt.

Taylor og Swansons GreenDroid-design omgår dette ved at omgive en processors hovedkerne - den del af en chip, der udfører instruktioner - med 120 mindre, der hver tager sig af et stykke kode, der ofte er brug for af de apps, der bruges mest på en telefon. Hver kernes kredsløb efterligner nøje strukturen af ​​den kode, som de er baseret på, hvilket gør dem op til 10.000 gange mere effektive end en processorkerne til generelle formål, der udfører den samme opgave. Hvis du fylder chippen med højt specialiserede kerner, så kan den del af chippen, der lyser op på én gang, være den mest energieffektive til netop den opgave, siger Taylor.

I stedet for manuelt at oversætte kildekoden til processorkerner har UCSD-teamet udviklet software til at gøre det. De registrerer de beregningsmæssige krav fra Android OS, når de kører populære apps til blandt andet e-mail, kort, video og webradiotjenesten Pandora, og ud fra den information genererer softwaren GreenDroid-chipdesignet.

Fordi omkring 70 procent af den kode deles mellem flere apps eller dele af operativsystemet, kan en GreenDroids specialiserede kerner håndtere meget af en telefons mest energikrævende arbejde. Detaljerede simuleringer af en komplet GreenDroid-processor beviser dens overlegne effektivitet, siger Taylor. Vi sender det første design afsted for at blive fremstillet i juni og har designet et board, så vi kan tilslutte det, installere Android og apps og derefter benchmarke mod konventionelle designs, siger han.

At få fremstillet en specialfremstillet processor er ekstremt dyrt og sjældent i den akademiske verden. Chippen vil bruge transistorer, der er mindre end dem, der i øjeblikket er på markedet, med funktionsstørrelser så små som 28 nanometer. Processorer med 32 nanometer funktioner er først for nylig nået på markedet, og det er i næste generation, med 22 nanometer, at mørk silicium forventes at blive en seriøs udfordring.

Kevin Squadron , en professor ved University of Virginia, siger, at UCSD-strategien passer godt sammen med smartphones, fordi apps er tæt integreret med en smartphones OS. De gør klogt i at målrette mod Android, siger han, for på en telefon er operativsystemet ansvarligt for en stor del af det arbejde, som processoren udfører. Det betyder, at hver bruger af hver telefon vil drage fordel af deres specialiserede kerner. Telefoner med GreenDroid-lignende processorer kan forventes at holde længere end konventionelle telefoner med samme batteri, eller at have samme levetid med et slankere design, siger han.

Men den specialiserede hardware i denne tilgang har ulemper, der gør den mindre nyttig til ikke-mobile enheder, siger Skadron. Det er mere udfordrende med en pc eller server, fordi styresystemet har mindre indflydelse på, hvad processoren gør. Applikationerne oven i købet er vigtigst, og de varierer meget mere mellem brugerne.

Denne ulempe ved specialisering kan også gælde for telefoner - for eksempel hvis nye apps dukker op, der er i modsætning til dem, der bruges til at generere et GreenDroid-design. For mobiltelefoner er vi ikke så bekymrede, fordi folk udskifter dem så hurtigt, siger Taylor. Og fordi opgraderinger til apps og operativsystemer har en tendens til at være evolutionære snarere end revolutionerende, siger han, er det usandsynligt, at mange af en GreenDroid-chips specialiserede kerner ville blive fuldstændig ubrugelige i løbet af en smartphones korte levetid. Taylor og Swanson føjede funktioner til deres design, der tillader en lille justering af konserveringskerner for at passe til ny kode, men nogle opgraderinger vil være for store til det. Hvis det sker, ville din telefon ikke holde op med at fungere, men dens energieffektivitet ville falde, siger Taylor og bemærker, at denne udsigt sandsynligvis ikke ville genere producenterne for meget alligevel.

skjule