App-spezifische Prozessoren zur Bekämpfung von Dark Silicon

Ein Prozessor, der mit Schaltkreisen ausgestattet ist, die auf die am häufigsten verwendeten Apps auf Android-Telefonen zugeschnitten sind, könnte dazu beitragen, die Akkulaufzeit der Geräte zu verlängern. Forscher der University of California in San Diego haben eine Software entwickelt, die das Betriebssystem und eine Sammlung der beliebtesten Apps scannt und dann ein auf ihre Anforderungen zugeschnittenes Prozessordesign generiert. Das Ergebnis kann 11-mal effizienter sein als der typische Allzweck-Smartphone-Chip von heute, sagt Michael Taylor, Leiter der GreenDroid Projekt mit seinem Kollegen Steven Swanson.



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Länger leben: Mikroprozessoren, die für die am häufigsten verwendeten Apps entwickelt wurden, könnten Smartphones energieeffizienter machen.

Das Chipdesign für Mobiltelefone muss aus zwei Gründen überdacht werden, sagt Taylor. Eine besteht darin, die begrenzte Energie, die einem Telefon zur Verfügung steht, besser zu nutzen, und die andere besteht darin, ein Problem namens Dark Silicon zu bekämpfen, das konventionelle Chipdesigns noch weniger effizient machen wird.





Dunkles Silizium ist ein Teil eines Mikrochips, der ungenutzt bleibt. Obwohl heute ungewöhnlich, wird dunkles Silizium voraussichtlich in zwei oder drei Jahren erforderlich sein, da Ingenieure die Betriebsspannungen der Chips nicht weiter reduzieren können, um den Anstieg des Stromverbrauchs und die Abwärme kleinerer, schnellerer Chips auszugleichen.

Der Betrieb von schrumpfenden Transistoren mit niedrigeren Spannungen war traditionell das Ausweichventil, das mehr Rechenleistung ohne mehr Wärmeabgabe ermöglichte, sagt Taylor, aber jetzt gibt es keine Lösung mehr. Die Betriebsspannungen haben sich nahe an eine fundamentale Grenze geschlichen, bei der Transistoren praktisch nicht mehr funktionieren. Das bedeutet, dass bald, wenn die Transistoren immer kleiner werden, jede Chipgeneration weniger effizient sein wird als die vorherige, sagt er. Wenn Sie den gesamten Chip weiterhin verwenden würden, würde jede Generation die doppelte Wärme erzeugen wie die vorherige. Um den Energieverbrauch konstant zu halten, müssen nur bestimmte Teile eines Chips gleichzeitig eingeschaltet werden.

Das GreenDroid-Design von Taylor und Swanson umgeht dies, indem es den Hauptkern eines Prozessors – den Teil eines Chips, der Anweisungen ausführt – mit 120 kleineren Einheiten umgibt, die sich jeweils um einen Code kümmern, der häufig von den Apps benötigt wird, die auf einem Telefon am häufigsten verwendet werden. Die Schaltkreise jedes Kerns ahmen die Struktur des Codes, auf dem sie basieren, genau nach, wodurch sie bis zu 10.000 Mal effizienter sind als ein universeller Prozessorkern, der dieselbe Aufgabe erfüllt. Wenn Sie den Chip mit hochspezialisierten Kernen füllen, kann der Bruchteil des Chips, der gleichzeitig aufleuchtet, für diese spezielle Aufgabe am energieeffizientesten sein, sagt Taylor.



Anstatt den Quellcode manuell in Prozessorkerne zu übersetzen, hat das UCSD-Team dafür eine Software entwickelt. Sie zeichnen die Rechenanforderungen des Android-Betriebssystems beim Ausführen beliebter Apps unter anderem für E-Mail, Karten, Video und den Webradiodienst Pandora auf, und aus diesen Informationen generiert die Software das GreenDroid-Chipdesign.

Da etwa 70 Prozent dieses Codes von mehreren Apps oder Teilen des Betriebssystems geteilt werden, können die spezialisierten Kerne eines GreenDroid einen Großteil der energieraubendsten Arbeit eines Telefons bewältigen. Detaillierte Simulationen eines kompletten GreenDroid-Prozessors belegen seine überlegene Effizienz, sagt Taylor. Wir schicken das erste Design zur Fertigung im Juni und haben ein Board entworfen, damit wir es anschließen, Android und Apps installieren und dann mit herkömmlichen Designs vergleichen können, sagt er.

Die Herstellung eines kundenspezifischen Prozessors ist extrem teuer und in der akademischen Welt selten. Der Chip wird Transistoren verwenden, die kleiner sind als die derzeit auf dem Markt befindlichen, mit Strukturgrößen von nur 28 Nanometern. Prozessoren mit 32-Nanometer-Features sind erst seit kurzem auf dem Markt, und in der nächsten Generation mit 22 Nanometern wird dunkles Silizium voraussichtlich zu einer ernsthaften Herausforderung.

Kevin Squadron , ein Professor an der University of Virginia, sagt, dass die UCSD-Strategie gut zu Smartphones passt, da Apps eng in das Betriebssystem eines Smartphones integriert sind. Es sei klug, Android anzusprechen, sagt er, da das Betriebssystem auf einem Telefon für einen großen Teil der vom Prozessor geleisteten Arbeit verantwortlich ist. Das bedeutet, dass jeder Benutzer jedes Telefons von seinen spezialisierten Kernen profitiert. Von Telefonen mit GreenDroid-Prozessoren ist zu erwarten, dass sie länger halten als herkömmliche Telefone mit dem gleichen Akku oder die gleiche Lebensdauer mit einem schlankeren Design haben, sagt er.

Die spezielle Hardware dieses Ansatzes hat jedoch Nachteile, die ihn für nicht mobile Geräte weniger nützlich machen, sagt Skadron. Bei einem PC oder Server ist es schwieriger, da das Betriebssystem weniger Einfluss auf die Leistung des Prozessors hat. Darüber hinaus sind die Anwendungen am wichtigsten, und sie variieren viel stärker zwischen den Benutzern.

Dieser Nachteil der Spezialisierung könnte auch für Telefone gelten – zum Beispiel, wenn neue Apps auftauchen, die sich von denen unterscheiden, die zum Generieren eines GreenDroid-Designs verwendet werden. Bei Mobiltelefonen machen wir uns keine Sorgen, weil die Leute sie so schnell ersetzen, sagt Taylor. Und da Upgrades von Apps und Betriebssystemen eher evolutionär als revolutionär seien, sei es unwahrscheinlich, dass viele der spezialisierten Kerne eines GreenDroid-Chips während der kurzen Lebensdauer eines Smartphones völlig nutzlos würden. Taylor und Swanson haben ihrem Design Funktionen hinzugefügt, die eine leichte Anpassung der Konservierungskerne an neuen Code ermöglichen, aber einige Upgrades werden dafür zu groß sein. Wenn das passiert, würde Ihr Telefon nicht aufhören zu funktionieren, aber seine Energieeffizienz würde sinken, sagt Taylor und merkt an, dass diese Aussicht die Hersteller wahrscheinlich sowieso nicht allzu sehr stören würde.

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