211service.com
App-specifieke processors om Dark Silicon te bestrijden
Een processor geëtst met circuits die zijn afgestemd op de meest gebruikte apps op Android-telefoons, zou de levensduur van de batterij van de apparaten kunnen verlengen. Onderzoekers van de University of California, San Diego hebben software gemaakt die het besturingssysteem en een verzameling van de meest populaire apps scant en vervolgens een processorontwerp genereert dat is afgestemd op hun eisen. Het resultaat kan 11 keer efficiënter zijn dan de huidige typische smartphone-chip voor algemeen gebruik, zegt Michael Taylor, die de leiding heeft over de GroeneDroid project met collega Steven Swanson.
Langer leven: Microprocessors die zijn ontworpen rond de meest gebruikte apps, kunnen smartphones energiezuiniger maken.
Chipontwerp voor mobiele telefoons moet om twee redenen worden herzien, zegt Taylor. Een daarvan is om hun gebruik van de beperkte energie die beschikbaar is voor een telefoon te verbeteren, en de andere is om een probleem aan te pakken dat donker silicium wordt genoemd en dat conventionele chipontwerpen nog minder efficiënt zal maken.
Donker silicium is een deel van een microchip dat ongebruikt blijft. Hoewel het tegenwoordig ongebruikelijk is, wordt verwacht dat donker silicium over twee of drie jaar nodig zal zijn, omdat ingenieurs niet in staat zullen zijn om de bedrijfsspanningen van chips verder te verlagen om de toename van het stroomverbruik en de afvalwarmte die wordt geproduceerd door kleinere, snellere chips te compenseren.
Het bedienen van krimpende transistors met lagere spanningen was traditioneel de ontsnappingsklep die meer rekenkracht mogelijk maakte zonder meer warmteafgifte, zegt Taylor, maar nu is er geen plaats om naartoe te gaan. Bedrijfsspanningen zijn dicht bij een fundamentele limiet gekropen waarbij transistors praktisch niet meer werken. Dit betekent dat binnenkort, naarmate transistors steeds kleiner worden, elke generatie chips minder efficiënt zal zijn dan de vorige, zegt hij. Als je de hele chip zou blijven gebruiken, zou elke generatie twee keer zoveel warmte genereren als de vorige. Om het energieverbruik constant te houden, moeten slechts bepaalde delen van een chip tegelijkertijd worden ingeschakeld.
Het GreenDroid-ontwerp van Taylor en Swanson omzeilt dit door de hoofdkern van een processor - het deel van een chip dat instructies uitvoert - te omringen met 120 kleinere die elk zorgen voor één stukje code dat vaak nodig is voor de apps die het meest op een telefoon worden gebruikt. De circuits van elke kern bootsen de structuur van de code waarop ze zijn gebaseerd nauw na, waardoor ze tot 10.000 keer efficiënter zijn dan een processorkern voor algemeen gebruik die dezelfde taak uitvoert. Als je de chip vult met zeer gespecialiseerde kernen, kan het deel van de chip dat tegelijkertijd wordt verlicht, het meest energiezuinig zijn voor die specifieke taak, zegt Taylor.
In plaats van de broncode handmatig in processorkernen te vertalen, heeft het UCSD-team software ontwikkeld om dit te doen. Ze registreren de rekenkundige eisen van het Android-besturingssysteem bij het uitvoeren van populaire apps voor onder meer e-mail, kaarten, video en de webradioservice Pandora, en op basis van die informatie genereert de software het GreenDroid-chipontwerp.
Omdat ongeveer 70 procent van die code wordt gedeeld tussen meerdere apps of delen van het besturingssysteem, kunnen de gespecialiseerde kernen van een GreenDroid veel van het meest energieverslindende werk van een telefoon aan. Gedetailleerde simulaties van een complete GreenDroid-processor bewijzen zijn superieure efficiëntie, zegt Taylor. We sturen het eerste ontwerp op om in juni te worden vervaardigd en hebben een bord ontworpen zodat we het kunnen aansluiten, Android en apps kunnen installeren en vervolgens kunnen vergelijken met conventionele ontwerpen, zegt hij.
Het laten maken van een aangepaste processor is extreem duur en zeldzaam in de academische wereld. De chip zal kleinere transistors gebruiken dan die momenteel op de markt zijn, met afmetingen van slechts 28 nanometer. Processoren met functies van 32 nanometer zijn pas onlangs op de markt gekomen en het is in de volgende generatie, op 22 nanometer, dat donker silicium naar verwachting een serieuze uitdaging zal worden.
Kevin Squadron , een professor aan de Universiteit van Virginia, zegt dat de UCSD-strategie goed past bij smartphones, omdat apps nauw zijn geïntegreerd met het besturingssysteem van een smartphone. Ze doen er verstandig aan zich op Android te richten, zegt hij, omdat op een telefoon het besturingssysteem verantwoordelijk is voor een groot deel van het werk van de processor. Dat betekent dat elke gebruiker van elke telefoon zal profiteren van hun gespecialiseerde kernen. Van telefoons met een processor in GreenDroid-stijl kan worden verwacht dat ze langer meegaan dan conventionele telefoons met dezelfde batterij, of dezelfde levensduur hebben met een slanker ontwerp, zegt hij.
De gespecialiseerde hardware van deze aanpak heeft echter nadelen die het minder bruikbaar maken voor niet-mobiele apparaten, zegt Skadron. Met een pc of server is het uitdagender, omdat het besturingssysteem minder invloed heeft op wat de processor doet. De applicaties daarbovenop zijn het belangrijkst, en ze verschillen veel meer tussen gebruikers.
Dat nadeel van specialisatie kan ook van toepassing zijn op telefoons, bijvoorbeeld als er nieuwe apps verschijnen die anders zijn dan de apps die worden gebruikt om een GreenDroid-ontwerp te genereren. Voor mobiele telefoons maken we ons niet al te veel zorgen, omdat mensen ze zo snel vervangen, zegt Taylor. En omdat upgrades van apps en besturingssystemen eerder evolutionair dan revolutionair zijn, zegt hij, is het onwaarschijnlijk dat veel van de gespecialiseerde kernen van een GreenDroid-chip volledig onbruikbaar worden tijdens de korte levensduur van een smartphone. Taylor en Swanson hebben wel functies aan hun ontwerp toegevoegd waarmee de conserveringskernen enigszins kunnen worden aangepast aan de nieuwe code, maar sommige upgrades zullen daarvoor te groot zijn. Als dat gebeurt, zou je telefoon niet stoppen met werken, maar de energie-efficiëntie zou dalen, zegt Taylor, waarbij hij opmerkt dat dit vooruitzicht de fabrikanten waarschijnlijk toch niet al te veel problemen zou bezorgen.