Chips als Mini Internet: CPU -Kerne kommunizieren nach Netzwerken anstelle von Bus

Da die Nachfrage nach schnelleren Computern weiter steigt, steigt auch die Nachfrage nach Mikrochips, die diese Computer mit Strom versorgen. Während die Idee, Kerne hinzuzufügen, wie eine einfache Lösung klingt, sehen wir bereits überall 6- und 8-Core-Prozessoren, aber Forscher glauben, dass Core Addition schwerwiegende Einschränkungen hat und an neuen Chips arbeitet, die auf eine Weise kommunizieren, ähnlich wie die Computer, die mit dem Internet verbunden sind.

Computerchips haben aufgehört, schneller zu werden. Um die Rechenleistung der Chips mit der Geschwindigkeit zu erhöhen, an die wir uns gewöhnt haben, geben die Chiphersteller ihnen stattdessen zusätzliche „Kerne“ oder Verarbeitungseinheiten.

Heute kann ein typischer Chip sechs oder acht Kerne haben, die alle über ein einzelnes Bündel von Drähten miteinander kommunizieren, der als Bus bezeichnet wird. Bei einem Bus kann jedoch nur ein Kernepaar gleichzeitig sprechen, was eine ernsthafte Einschränkung in Chips mit Hunderten oder sogar Tausenden von Kernen darstellt, die viele Elektroingenieure als Zukunft des Computers vorstellen.

Li-Shiuan Peh, Associate Professor für Elektrotechnik und Informatik beiMIT, möchte, dass die Kerne genauso kommunizieren, wie Computer, die mit dem Internet verbunden sind, dies tun: durch Bündelung der Informationen, die sie in „Pakete“ übertragen. Jeder Kern hätte seinen eigenen Router, der je nach Bedingung des Netzwerks als Ganzes ein Paket auf mehreren Wegen schicken könnte.

Auf der Design Automation Conference im Juni werden Peh und ihre Kollegen ein Papier präsentieren, das sie als „Zusammenfassung von 10 Jahren Forschung“ zu solchen „Netzwerken auf Chip“ beschreibt. Die Forscher stellen nicht nur theoretische Grenzen für die Effizienz von Paketnetzwerken auf dem Chip fest, sondern auch Messungen, die an einem Testchip durchgeführt wurden, in dem sie einige dieser Grenzen sehr nahe gelangt.

Letzte Haltestelle für Busse

Grundsätzlich sind Multicore-Chips schneller als Einzelkernchips, da sie Rechenaufgaben aufteilen und auf mehreren Kernen gleichzeitig ausführen können. Kerne, die an derselben Aufgabe arbeiten, müssen gelegentlich Daten teilen, aber bis vor kurzem war die Kernzahl für kommerzielle Chips niedrig, dass ein einzelner Bus die zusätzliche Kommunikationsbelastung bewältigen konnte. Das ändert sich jedoch bereits: „Busse haben ein Grenzwert erreicht“, sagt Peh. "Sie skalieren normalerweise etwa acht Kerne." Die 10-Kern-Chips, die in High-End-Servern gefunden wurden, fügen häufig einen zweiten Bus hinzu, aber dieser Ansatz funktioniert für Chips mit Hunderten von Kernen nicht.

Zum einen sagt Peh: "Busse nehmen viel Strom an, weil sie versuchen, lange Drähte zu acht oder zehn Kernen gleichzeitig zu fahren." In der Art der Netzwerkpeh schlägt andererseits jeder Kern nur mit den vier nächsten Kernen mit. „Hier fahren Sie kurze Kabelsegmente, sodass Sie die Spannung niedriger werden können“, erklärt sie.

In einem On-Chip-Netzwerk muss jedoch ein Datenpaket von einem Kern zum anderen an jedem Router anhalten. Wenn zwei Pakete gleichzeitig zu einem Router ankommen, muss einer von ihnen im Speicher gespeichert werden, während der Router den anderen behandelt. Laut Peh befürchten viele Ingenieure, dass diese zusätzlichen Anforderungen genügend Verzögerungen und Rechenkomplexität einführen, um die Vorteile der Paketschaltung auszugleichen. "Ich denke, das größte Problem ist, dass die Menschen in der Industrie derzeit nicht wissen, wie sie diese Netzwerke bauen sollen, weil es seit Jahrzehnten Busse ist", sagt Peh.

Vorwärts denken

Peh und ihre Kollegen haben zwei Techniken entwickelt, um diese Bedenken auszuräumen. Eines ist etwas, das sie als "virtuelle Umgehung" bezeichnen. Wenn ein Paket in einem Router eintrifft, überprüft der Router, wenn ein Paket ankommt, seine Adressierungsinformationen, bevor er entscheidet, welchen Pfad sie absendet. Bei virtueller Umgehung sendet jeder Router ein Vorabsignal zum nächsten, damit er seinen Schalter vorstellen kann und das Paket ohne zusätzliche Berechnung beschleunigt. In den Testchips ihrer Gruppe, so PEH, ermöglichte virtuelle Umgehungsstraße einen sehr engen Ansatz für die maximalen Datenübertragungsraten, die durch die theoretische Analyse vorhergesagt wurden.

Die andere Technik ist etwas, das als Signalübertragung mit niedrigem Schwing bezeichnet wird. Digitale Daten bestehen aus Einsen und Nullen, die über Kommunikationskanäle als hohe und niedrige Spannungen übertragen werden. Sunghyun Park, ein Doktorand, der sowohl von Peh als auch von Anantha Chandrakasan, dem Professor für Elektrotechnik von Joseph F. und Nancy P. Keithley, beraten wurde, entwickelte eine Schaltung, die den Schwung zwischen den hohen und niedrigen Spannungen von einem Volt auf 300 Millivolt reduziert. Mit seiner Kombination aus virtueller Bypass- und niedriger Signalübertragung verbrauchte der Testchip der Forscher 38 Prozent weniger Energie als frühere Testchips mit Paket. Die Forscher haben mehr Arbeit, sagt Peh, bevor der Stromverbrauch ihres Testchips so nahe an der theoretischen Grenze kommt wie die Datenübertragungsrate. Aber sie fügt hinzu: "Wenn wir ihn mit einem Bus vergleichen, erhalten wir Einsparungen der Mehrheit."

Luca Carloni, Associate Professor für Informatik beiColumbia UniversityWer auch Netzwerke auf Chip erforscht, sagt: „Die Jury ist immer noch nicht in der Zukunft des Chip-Designs aus, dass„ die Vorteile von Paketnetzwerken auf Chip überzeugend erscheinen “. Er betont, dass diese Vorteile nicht nur die betriebliche Effizienz der Chips selbst umfassen, sondern auch „ein Maß an Regelmäßigkeit und Produktivität zur Entwurfszeit, die sehr wichtig ist“. Und innerhalb des Feldes fügt er hinzu: "Die Beiträge von Li-Shiuan sind grundlegend."

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