התפתחות האדריכלות של המעבדים ב- Edge

מכשירים מחשוב קצה מעצבים מחדש את האופן שבו הנתונים נלכדים, מעובדים, ומתנהגים במקור.על ידי טיפול בחשיבה מקומית במקום להסתמך על שרתי ענן מרוחקים, מכשירים אלה להפחית באופן דרמטי את רוחב הפס, ומאפשרים קבלת החלטות בזמן אמת.בלב טרנספורמציה זו שוכנת טכניקת עיצוב ביקורתית: ביצוע סופרקלרית שפותחה במקור עבור ביצועים גבוהים לשרתים, טכניקות עלות, אשר כבר לפני כמה שנים הם רק רמות עלות לא מסולמות של כוח-על-על-ידי כך, רק עלות, רק עלות, רק עלות, רק עלות, וטכניקות עלות-ידי ביצועים לא-ידי ביצועים לא-ידי ביצועים מותאמות, רק לפני כמה שנים, רק עלות-על-ידי כמה שנים של מגבלות-על-ידי ביצועים לא-על-ידי ביצועים, ואפקטים של מגבלות-ידי ביצועים לא-ידי אימון, הם רק עלות-ידי ביצועים לא-ידי ביצועים לא-על-על-ידי כמה שנים, רק עלות, רק עלות, כי הם רק עלות-ידי ביצועים לא-ידי ביצועים גבוהים של כמה שנים, רק עלות של מגבלות-ידי ביצועים גבוהים של כמה שנים, הם רק עלות של מגבלות-ידי ביצועים לא-ידי ביצועים לא-ידי אימון, כי הם

מאמר זה חוקר כיצד ארכיטקטורות סופרקלאר עובדות, מדוע הן מתאימות במיוחד למחשוב קצה, וכיצד הן מאפשרות לדור הבא של מערכות חכמות, אוטונומיות.

תוצאות חיפוש Superscalar

מעבדי Superscalar נועדו לבצע יותר מאשר הוראה אחת לכל מחזור השעון.בעוד מעבד סקאנר מסורתי להשלים את ההוראה אחת בכל מחזור, סופרקלאר CPU מכיל יחידות ביצוע מרובות - כגון יחידות לוגיקה קידוד (ALUs), יחידות נקודת צף (FPUs), לטעון / יחידות עומס - אשר יכול לעבוד במקביל.

שקיפות ופינוי

הבסיס של עיצוב סופרקלאר הוא מקבילה ברמת ההוראה (ILP) במעבד מרופף, ביצוע הוראה נשבר לתוך שלבים (fetch,code, ביצוע, גישה זיכרון, כתיבה) מוקדם צינורות אפשר הוראה אחת להיכנס בכל שלב כל מחזור, נותן ערכת תיאורטית של הוראה אחת לכל מחזור.

עם זאת, השגת ILP גבוהה אינה התלות הטריוויאלית בין הוראות - סכנות נתונים, סיכונים בשליטה וסיכון מבני - יכול לעכב את הצינור.

  • (ב) [ה]ההוראות להורג של ה-FLT:1] - ההוראות מבוצעות ברגע שהאופרות שלהם מוכנות, ללא קשר לסדר התוכנית המקורי שלהן, כדי לשמור על יחידות ביצוע עסוקות.
  • (ב) ,0) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) ביצוע הוצאות להורג של FPFLT:1 - המעבד צופה את תוצאות הענפים ולבצע הוראות מראש, לאחר מכן מחק עבודה אם החיזוי היה שגוי.
  • (ב) חיזוי חיזוי ברזילי"ר (Sophisticated Predictors (למשל, שני צופים אדפטיים בעלי רמת הסתגלות, צופים עצביים) להשיג דיוק העולה על 95% בעיצובים מודרניים.

מנגנונים אלה פועלים יחד כדי להפיק מקבילות מקסימלית מזרם הוראה, מה שהופך מעבדים סופרקלאר יעילים מאוד לנצל את ILP הטבוע ביותר קוד.

מספר נושאים וסופרקלאר Width

המונח "סופרקלאר" מתייחס במיוחד ליכולת להעביר מספר הוראות למחזור.רוחב מעבד סופרקלאר - מספר ההוראות שהוא יכול להעביר כל מחזור - גדל בהתמדה.עיצובים מוקדמים כמו Intel i960CA (1990) הוציאו שני הוראות למחזור, בעוד שרת CPUs של היום גבוה של היום יכול להנפיק עד שמונה או יותר.עבור מכשירים קצה, האתגר הוא מוכוון לצריכת רוחב גבוהה כגון: 2 נקודות קצה (R) או לחץ גבוה של עיצוב על בסיס גבוה של מערכת על בסיס גבוה של מערכת CPU CPU CPUs (R.

עבור יותר על יסודות טכניים, מתייחס המאמר:0Wikipedia על מעבדי סופרקלאר 1 .

The Role of Superscalar Techniques in Edge

מכשירים צוק פועלים תחת מגבלות קפדניות: תקציבי חשמל מוגבלים, מגבלות של פירוק תרמי, ולעתים קרובות גורמים קטנים צורה.אבל הם חייבים לעבד עומסי עבודה מורכבים יותר ויותר - מאנליזה וידאו בזמן אמת כדי חיישן היתוך בכלי רכב אוטונומיים. עיבוד סופרקלאר מציע נתיב לביצועים גבוהים יותר ללא עלייה דרסטית במהירות השעון, אשר אחרת תוביל לעלייה משמעותית של כוח במקום, עיצובים על פני השטח לשיפור ביצועים עבור מחזור עבודה יותר.

ביצועים ללא מהירות שעון עולה

מכיוון שמעבדי סופרקלאר מבצעים מספר הוראות לכל מחזור, הם יכולים להשיג גבוה יותר דרך מחשב מאשר מעבד מדרגי פועל באותו תדר השעון.זה קריטי עבור מכשירים קצה שאינם יכולים להרשות לעצמם את כוח של מעבד שעון גבוה. לדוגמה, ליבת סופרסקלאר כפול ב 1 GHz יכול, בתנאים אידיאליים, לספק פעמיים את ההוראות לשנייה של ליבה של סקארית באותו תדירות, כלומר בטווח של 30% של עבודה על ידי טמפרטורות גבוהות של 30%.

חדר ביצועים זה מאפשר למכשירי קצה להתמודד עם משימות תובעניות יותר באופן מקומי, כגון הפעלת הקצוץ ברשתות עצביות עמוקות (DNN) לאיתור אובייקטים, או עיבוד זרמי וידאו ברזולוציה גבוהה מבלי לשלוח נתונים לענן.

אנרגיה ותוחלת חיים

אחד היתרונות החשובים ביותר של ארכיטקטורות סופרקלאר מכשירים קצה הוא שיפור יעילות האנרגיה.על ידי ביצוע הוראות ביעילות רבה יותר - באמצעות פחות מחזורים לתכנית - המעבד יכול להשלים עומס עבודה נתון מוקדם יותר ולאחר מכן להיכנס למצב דל כוח idle כוח נמוך. גישה זו "גזע לישון" היא אסטרטגיה מוכחת לצמצום צריכת האנרגיה הכוללת. מחקרים הראו כי ליבה מעוצבת היטב יכול להיות מספר פעמים יותר מאשר משככי אנרגיה.

יתר על כן, עיצובים סופרקלאר כוללים לעתים קרובות מתח דינמי ותדירות (DVFS) יכולות, המאפשרים למעבד להתאים את רמת הביצועים שלו בהתבסס על הביקוש המיידי. בשילוב עם כוח אינטליגנטי של יחידות ביצוע לא בשימוש, טכניקות אלה עוזרות להאריך חיי סוללה במכשירים ניידים כגון מזל"טים, סורקים ידניים וחיישנים לבישים.

זמן אמת-Time Responsiveness

מקרים רבים של שימוש במחשוב קצה דורשים תשובות רציונאליות, נמוכות יחסית - לשקול מערכת ביקורת בטיחות ברכב אוטונומי כי חייב להגיב למכשול בתוך מעבדי מילימטרים. Superscalar, עם היכולת שלהם להתמודד עם משימות מרובות והוראות preempt, יכול לשפר את זמני ביצוע הגרועים (WCET) עבור נתיבי קוד קריטיים על ידי סדר גבוה גם לשלב תכונות כמו רפלקציה בזמן הנכון כדי להבטיח את התרגילים מתקדמים (PT) כדי לתקן בעיות תכנון זמן הנכון) עבור תוכניות ביצועים.

הקשר הרחב של מחשוב מוסבר היטב ב-FLT:0IBM Cloud Learn Guide to Edges מחשוב FLT:1.

יישומים אמיתיים של מכשירים מבוססי Superscalar-Powered Edge

השילוב של עיבוד סופרקלאר מחשוב קצה מאפשר מגוון רחב של יישומים חדשניים. להלן הם כמה תחומים שבהם הטכנולוגיה הזו עושה השפעה מוחשית.

רכב אוטונומי ו- ADAS

כלי רכב מודרניים הם בעצם מרכזי נתונים על גלגלים, ניצול נתונים ממצלמות, LiDAR, מכ"ם וחיישנים קוליים.כל זרם חיישן דורש עיבוד גבוה עם מעבדי כבדות נמוכים. Superscalar ביחידות הבקרה האלקטרונית של הרכב (ECUs) או בקרים דומיין מטפלים באלגוריתמים כגון היתוך, תכנון והגדרה.

תעשייה IoT ומוצרים חכמים

במפעלים, מכשירים קצה לפקח על מכונות, רובוטים שליטה וניתוח נתוני קו הייצור בזמן אמת. ⁇ מבוסס סופרסקלאר (מתקני לוגיקה יעילים) ושערי קצה יכולים להפעיל לולאות שליטה מורכבות עם דרישות תזמון הדוקות.לדוגמה, מערכת תחזוקה חיזוי עשוי להיות צורך לעבד נתונים רטט מחיישנים מרובים בעת ביצוע FFT (ארבעה אלגוריתמים מהירים) - משימות כי ליהנות ישירות הוראה ממקבילה, יתר על פני יעילות גבוהה יותר, או סוללות לעתים קרובות.

מצלמות חכמות ו- Video Analytics

מצלמות אבטחה מבוססות צוק פועלות יותר ויותר על ניתוח וידאו - זיהוי אנשים, כלי רכב או omalies - ולא הזרמת כל וידאו לשרת מרכזי.זה דורש מעבד המסוגל להפעיל הן את קוד הווידאו והן את מנוע הסימון ברשת העצבי.על ליבות סופרקלאר להתמודד עם החלקים הלא-נוניים של הצינור (למשל, עיבוד תמונה, עיבוד תנועה, אופטימיזציה יעילה, מערכת הפעלה אוטומטית) תהליך כפול של AIKericericericericericericer עבור מעבדים מרובים של 4.Aex.Aex.Aex.com-A.

Drones ו- Unmanned Aerial Vehicles (UAVs)

ד"רונים דורשים משקל הדוק מאוד תקציבי חשמל.בקר הטיסה חייב לעבד נתוני חיישן (gyroscope, accelerometer, GPS) ולבצע אלגוריתמים שליטה עם מעבדים נמוכים. Superscalar, כגון אלה המבוססים על ARM Cortex-M7, לספק את הביצועים הדרושים ללא ראש של מעבד יישום מלא.בנוסף, יותר מל"טים מתקדמים משתמשים בתוכנות על גבי שבבים על גבי סוללות (ARMx-II) ו-Lexation) כדי למנוע החלטות הפעלה במקביל (L.

מציאות מדומה ומציאות

ראשי AR / VR דורשים מהירויות נמוכות מאוד - מתחת 20 מילישניות - כדי למנוע מחלות תנועה.מערכת המשנה הניתוק חייב להפוך גרפיקה, לעקוב אחר תנועות ראש, לרוץ בתוך אלגוריתמים מעקב אחר אלגוריתמים. מעבדי סופרקלאר, לעתים קרובות בשילוב עם בלוקים GPU מותאם אישית, להתמודד עם עומס העבודה המורכב. פלטפורמת Qualcomm Snapdragon XR2, בשימוש בראשים גבוהים רבים, כולל CPUcaltex, תוך שמירה על טמפרטורות מתוחכמות, עם CPUlyx.

אתגרים בביצוע Superscalar ב- Edge

בעוד טכניקות סופרקלאר מציעים יתרונות ברורים, האימוץ שלהם במכשירי קצה אינו ללא מכשולים. מעצבים חייבים לאזן את הביצועים, הכוח, האזור והעלות.

כוח ו-Thermal Constraints

גם עם יעילות משופרת, ליבות סופרקלאר לצרוך יותר כוח למחזור השעון מאשר ליבות קשקשים בשל חומרה נוספת עבור מספר סוגיה, לוגיקה מחוץ לסידור, ולהרשם renaming.במכשירים עם קירור פסיבי או סוללות קטנות, הכוח הנוסף יכול להיות נטל משמעותי.כדי לטפל בזה, שבבים ליישם כוח מבוזר, שבו יחידות הוצאה להורג לא משומשות כבויות, ודינמיקה כדי להפחית את הפעילות הכפולה של לחץ על ידי לחיצה על פני ריצוף נמוך יותר.

שטח הסיליקון ועלויות

לוגיקה סופרסקלאר היא שטח- inensive.החומרה עבור רישום renaming, reorder buffers, תחנות הזמנה, יחידות ביצוע מרובות יכול להכפיל או משולש את אזור הליבה בהשוואה עיצוב מדרגים רגישים, זה יכול להיות מחסום.עם זאת, כמו סמי מוליכים למחצה התקדמות (למשל, 7nm, 5nm, שטח ענישה), מופחת, ניתן יותר מקובל עלות עלות עלות גבוהה תכונות גבוהות יותר של ליבות (כמו הרבה יותר) עם הרבה יותר עלות סופר-קליות (כמו הרבה יותר) עם הרבה יותר עלות) עלות גבוהה יותר עלות (כמו הרבה יותר עלות) עם הרבה יותר עלות עלות עלות עלות עלות עלות (כמו הרבה יותר עלות) עליות קטנות יותר עליות קטנות יותר עליות (למשל, כמו הרבה יותר עלות גבוהה יותר עליות (למשל, 7nm, 000) עם הרבה יותר עלות גבוהה יותר עלות גבוהה יותר עלות גבוהה יותר עלות גבוהה יותר על גבי כדוריות (כמו הרבה יותר עלות) עם הרבה יותר עלות גבוהה יותר עלות גבוהה יותר עלות) עם הרבה יותר עלות) עם הרבה יותר עלות גבוהה יותר עלות גבוהה יותר עלות גבוהה יותר עלות גבוהה יותר על

אופטימיזציה תוכנה

כדי לנצל באופן מלא את ביצוע superscalar, המדפים חייבים להיות מיומנים בתזמון הוראה וגלולה ללא רישום. בסביבה קצה, שבו הקוד עשוי להיות מותאם אישית עבור מיקרו-ארכיטקטורה ספציפית, מפתחים צריכים להבין כיצד לכתוב קוד שחשוף ILP. בנוסף, מערכות הפעלה בזמן אמת (RTOS) חייב להיות מודע להתנהגות caches ו דוכנים כדי לענות על מועדים, כמו LLCC / אופטימיזציה רבים.

חידושים נהיגה בדור הבא של Superscalar Edge מעבדים

האבולוציה של טכניקות סופרקלאר ממשיכה, עם כמה מגמות מתפתחות שיגבירו עוד יותר את מכשירי מחשוב קצה.

הוצאה להורג של Superscalar

מעבדים עתידיים עשויים להתאים באופן דינמי את רוחב העל שלהם המבוסס על תכונות עומס עבודה ומצב כוח.לדוגמה, במהלך משימה ביקורתית-כבדה, ה- CPU יכול לאפשר רוחב נושאים רחב יותר; במהלך תקופות של idle, זה יכול לקריסה למצב סקאלר יחיד כדי לחסוך כוח. עיצובים הסתגלות כאלה מסתמכים על מערכי למידת מכונה המנבאים את התצורה האופטימלית בזמן אמת.

שילוב עם AI Accelerators

Superscalar CPUs הם יותר ויותר עם יחידות עיבוד עצביות ייעודיות (NPUs) או מעבדי וקטורים. CPU מטפל זרימה שליטה והנתונים מראש /פוסט-מעבד, בעוד המאצ'ר מטפל בפעולות ממטריקס אינטנסיביות חישוביות. גישה heterogeneous מאפשרת לכל חלק כדי להיות מותאם למשימה שלה - ה-CPU העל-קלסר לשליטה בלתי סדירה ו-NPU עבור מערכות חישוביות מהירות זו מאפשרת ביצועים אלה.

RISC-V Superscalar מרחיבים

הקוד הפתוח RISC-V הוראה להגדיר אדריכלות (ISA) הוא צובר מתחים במחשוב קצה. RISC-V יישום, כגון אלה מ Si Five ו Esperanto Technologies, כוללים ליבות סופרקלאר עם הרחבות מותאמות אישית.התקן RISC-V ISA כבר תומך בלוקי הבניין הדרושים, והקהילה מפתחת באופן פעיל דרכים סטנדרטיות לתאר מספר רב ומחוץ לתכונות קצה זה מאפשר לתקני בקרה מדויקים כדי להתאים את המטרות שלהם.

להפחתה עמוקה יותר בפוטנציאל של RISC-V, ראו את האתר הבינלאומי של RISC-V.

תחזית שרשרת מתקדמת לעומס עבודה בזמן אמת

חיזוי סניף מסורתי אופטימיזציה לביצועים ממוצעים, אך למכשירים קצה לעתים קרובות יש מגבלות זמןיות קשות.טכניקות חיזוי חדשות, כגון צופים המבוססים על perceptron ומדכאי ביטחון במשקל, יכולות להפחית את מספר התקלות באופן משמעותי. בשילוב עם מנגנוני התאוששות מדויקים, התחזיות המתקדמות הללו מאפשרות מערכות בזמן אמת ליהנות מביצועים סופרקלאריים ללא עונשים בלתי צפויים.

כיוונים עתידיים ו- Outlook

כמחשוב קצה ממשיך את ההתרחבות המהירה שלו, מעבדי סופרקלאר יישארו בליבת ההיררכיה הקומית.הדחף למכשירים אינטליגנטיים יותר, אוטונומיים הפועלים תחת כוח נוקשה ותקציבי שקיפות יסיעו עוד יותר זיכוך של טכניקות סופרקלאר.

  • (FLT:0)Widers רוחב של 1:1 במכשירי קצה גבוהים, אולי עד 6 issue, אבל עם ניהול כוח אגרסיבי כדי לשמור על TDP בתוך גבולות.
  • (FLT:0Closer אינטגרציה עם זיכרון HierarchiesssveFLT:1) - באמצעות עיצובים מטמון ברמה האחרונה ואלגוריתמים prefetching אשר מנצלים מקבילות סופרקלאר כדי להסתיר את הגינות הזיכרון.
  • (FLT:0) מעבדים של סימולמטיביים של ההרחבה: 1 (FLT:0) שמשתמשים במכונה של שבב למידה כדי tweak Bring ו- Send מדיניות בזמן אמת, למקסם את הביצועים לכל וואט.
  • (FLT:0) תכונות אבטחה של קונסול 1 (FLT:1) בנוי לתוך צינורות סופרקלאר, כגון ספקולציות קשיחות נגד התקפות ערוץ צד כמו Spectre ומלטה לאחור, אשר חשובים במיוחד בהתקני קצה שעשויות להיות נגיש פיזית.

הגבולות בין קצה וענן גם מטשטשים.שרתים מסוימים מצוידים כעת ב- Superscalar CPU שמתחרה בעמיתיהם במרכז הנתונים, המאפשרים עיבוד מקומי של זרמי נתונים מסיביים של IoT. בקצה השני של הספקטרום, מיקרו-בקרים אולטרה-עוצמה נמוכה מאמצים תכונות סופר-קלריות מוגבלות - כגון צינורות דו-מונים - כדי לשפר את היעילות ללא עלויות נמוכות יותר.

מסקנה

טכניקות סופרקלאר התפתחו מתכונת נישה של מעבדים שולחניים יקרים לגורם קריטי של מחשוב קצה ביצועים גבוה.על ידי מתן הוראות מרובות לביצוע כל מחזור שעון, ארכיטקטורות אלה מספקות את כוח העיבוד הדרוש לניתוח בזמן אמת, אי-ההתאמה של AI וקבלת החלטות אוטונומית - כל הכוח הדוק ומעטפות תרמי של מכשירים קצה.

ככל שטכנולוגיות Semiconductor מתקדמות ואופטימיזציה מיקרו-אדריכלית חדשה עולה, העתיד של מחשוב קצה נראה בהיר יותר מאי פעם. מעצבים אשר מבינים כיצד לרתום מקבילות ברמת ההוראה, בעוד ניהול אנרגיה ועלויות יהיו ממוקמים היטב כדי ליצור את הדור הבא של מכשירים חכמים.עבור קריאה נוספת על ההשפעה של מעבד בסביבה קצה, ה-FLT:0Armary כניסה על superscalaralscalF מספקת סקירה טכנית.