Edge of Processor Architecture at the Edge

Edge bilgisayar cihazları temel olarak verilerin nasıl ele alındığını, işlendiğini ve kaynağın üzerinde hareket ettiğini yeniden şekillendiriyor. uzak bulut sunucularına güvenmek yerine yerel olarak hesaplamak, bu cihazlar hızla gecikmiş, bant genişliğini koruyor ve gerçek zamanlı karar verme süreçlerini sağlıyor.Bu dönüşümün kalbinde kritik bir işlemci tasarımı yatıyor: süperscalar infazı.

Bu makale süperscalar mimarisinin nasıl çalıştığını araştırıyor, neden özellikle kenar hesaplamaları için iyi bir şekilde uygunlar ve bir sonraki akıllı, otonom sistemler nesline nasıl izin verdiklerini araştırıyoruz.Gerçek dünya uygulamalarını, mevcut zorlukları inceleyeceğiz ve kenar cihazlarının daha yetenekli hale getirilmesi için söz konusu yenilikleri inceleyeceğiz.

Superscalar Execution

Superscalar işlemciler, saat döngüsünde bir öğretimden daha fazla uygulamak için tasarlanmıştır. geleneksel bir ölçekleyici işlemci her döngüde tamamlarken, süperscalar CPU birden çok uygulama birimi içerir - arithmetic mantık birimleri (ALUs), yüzen-point birimleri (FPUs), ve yük / mağaza birimleri - bu aynı anda birden fazla talimat vererek, aynı anda birden fazla talimatları da beraberinde getirir ve işlemci, saat frekansında orantılı bir artış gerektirmeden daha yüksek başarı sağlar.

Öğretim-Level Paralelliği ve Pipelining

Süperscalar tasarımının temeli, her aşamaya bir öğretime izin verilir, bir boru hattında bir öğretimin uygulanması, birden fazla hattın uygulanması, birden fazla paralel şerit oluşturma, uygulama, bellek erişim, yazma) Erken boru hattı her döngüye girebilme izin verilir, tasarıma bağlı olarak. Superscalar mimarisi bu konsepti genişletir.

Ancak, yüksek ILP'ye ulaşmak önemsiz değildir. Talimatlar arasında bağımlılıklar - veri tehlikeleri, kontrol tehlikeleri ve yapısal tehlikeler - bu boru hattını durdurabilir. Bu, süperscalar işlemcileri gibi gelişmiş teknikleri çalıştırabilir:

  • [FONT:0]Öylegenin uygulanması[[[Dönetici: 1) Talimatlar, operaları hazır, orijinal program siparişlerinden bağımsız olarak, iş birimleri meşgul tutmak için hazır olduğu sürece yapılır.
  • [FONT:0]Yönister yeniden ifade[[Döncükler: 1), mantıksal kayıtların daha büyük bir fiziksel kayıt havuzuna haritasını haritalayarak yanlış bağımlılıklar.
  • [FONT:0]Speculative execution[[Dönetici: 1) The işlemci, şubelerin sonuçlarını öngörür ve zaman öncesinde talimatları uygular, tahmin yanlış olsaydı daha sonra kartpostal çalışmasına izin verir.
  • [FONT=0)Branch tahmin[Dönetici:0)[Dönetici:0) Modern tasarımlarda %95'i aşan tahminler.

Bu mekanizmalar, bir eşdeğer bir eğitim akışından maksimum paralellik çıkarmak için birlikte çalışır, süperscalar işlemcileri çoğu kodda bulunan doğal ILP'yi kullanmak için son derece verimli hale getirir.

Birden Çok Sayı ve Superscalar Genişlik

“Fırsçıklar” terimi özellikle de döngü başına birden fazla talimat verme yeteneğinden söz ediyor. süperscalar işlemcinin genişliği - her döngüyü konulabildiği talimatlar sayısı - sürekli olarak arttırılmış.InstrtexA veya RISC-V tasarımlarına dayanan Intel i960CA gibi erken tasarımlar, süperscalar iki veya daha fazla konulabilir.For edge devices için, zorluk güç tüketimi ve ölü alan ile ilgili bir sürü noktaya kadar dengededir.

Teknik temellere daha fazla atıfta bulunun:0)Wikipedia süperscalar işlemciler üzerinde makale[Döneticiler 1).

Superscalar Tekniklerinin Rolü

Edge cihazları sıkı kısıtlamalar altında çalışır: sınırlı güç bütçeleri, termal dağıtım sınırları ve genellikle küçük form faktörleri. Ancak, otomatik olarak karmaşık iş yükleri için giderek daha fazla performans geliştirmeleri gerekir - otomatik araçlarda sensör füzyon için gerçek zamanlı video analizleri. Superscalar işleme, saat hızlarında daha yüksek performansa yol sunar, aksi takdirde dört katına çıkaracaktır.

Performans Saat Hız Artmadan Kazanır

Süperscalar işlemciler, döngü başına birden fazla talimatları uygularlar, aynı saatte çalışan bir ölçekleyici çekirdeğinden daha yüksek bir işlem yapabilirler. Bu, yüksek hızda CPU'nun gücünü elde edemeyen kenar cihazları için kritiktir. Örneğin, 1 GHz'de çift katlı süpersca çekirdeği, ideal koşullarda, aynı frekansta ikinci bir ölçekleyici çekirdeğinin talimatları iki katına çıkarabilir.

Bu performans başı, yerel olarak daha talep edilen görevleri ele almak için kenar cihazlarının, nesne algılaması için derin sinir ağları (DNNs) çalıştırılması veya veri göndermeden yüksek çözünürlüklü video akışlarını buluta göndermesi gibi.

Enerji Verimliliği ve Battery Life

Süperscalar mimarisinin en önemli faydalarından biri, kenar cihazlarındaki enerji verimliliğini artırmaktır.Program başına daha verimli bir şekilde - program başına daha az döngüler kullanarak - işlemci, daha önce verilen bir iş yükünden tam olarak kurtulabilir ve sonra düşük güç boş bir şekilde iş yüklerine girebilir.Bu “yapmak için” yaklaşımı, toplam enerji tüketiminin azaltılması için kanıtlanmış bir stratejidir. Çalışmaları iyi tasarlanmış bir süperscalar çekirdeğinin birkaç kez daha enerji tasarrufu sağlayabilir.

Ayrıca, süperscalar tasarımları genellikle dinamik gerilim ve frekans ölçeklendirme (DVFS) yetenekleri içerir, işlemcinin performans seviyesini anında talep edilen uygulama birimlerine göre ayarlamasına izin verir. Akıllı güç kullanarak, bu teknikler, batarya ömrünün, taşınabilir kenar cihazlarında, drone, el tarayıcılar ve giyilebilir sensörler gibi uzatılmasına yardımcı olur.

Gerçek Zamanlı Sorumluluk

Birçok kenar hesaplaması vakaları, çok sayıda görevi ve ön boşlukları ele alma yeteneğiyle, kritik yollar için en kötü zamanları (WCET) geliştirebilmeleri için, süperleri kilitlenme ve önceliklendirme işlemleri gibi özellikler de dahil olmak üzere, çok sayıda görev ve ön boşlukları çözme yeteneğiyle, kritik yollar için en kötü zaman (WCET) geliştirmeleri için, dikkatli tasarım ve en kötü zaman (WCET) analizleri yapabilmeleri için özelliklere uygun şekilde analiz etmek için uygun zamanları dahil etmek için özel olarak kullanılabilir.

Edge Computing'nin daha geniş bağlamı, IBM Cloud'un kenar hesaplamasına kılavuzluk yaptığını iyi açıklanmaktadır ).

Superscalar-Powered Edge Cihazlarının Gerçek Dünya Uygulamaları

Süperscalar işleme ve kenar hesaplamasının kombinasyonu, geniş bir yenilikçi uygulama yelpazesine olanak sağlar. Aşağıda bu teknolojinin somut bir etki yaptığı birkaç alan vardır.

Özerk Araçlar ve ADAS

Modern araçlar aslında tekerlekler üzerinde veri merkezleridir, kameralardan, LiDAR, radar ve ultrasonik sensörler. Her sensör akışı, düşük gecikmeli yüksek bant genişliği işleme gerektirir. Aracın elektronik kontrol birimlerinde (ECUs) veya alan kontrolörleri, döngüdeki birçok talimatları uygulamak için çok önemlidir. Örneğin,Depresyon DRIVE platformu, süpersca ARM Cortex-A çekirdekleri ile birlikte araçtaki gerekli performansı sunmak için kullanılır.

Endüstriyel IoT ve Akıllı İmalat

Fabrikalarda, kenar cihazları makineleri, kontrol robotları izler ve üretim hattı verilerini gerçek zamanlı olarak analiz eder. Superscalar-based PLCs (programlanabilir mantık kontrolörleri) ve kenar ağ geçitleri, süper zamanlama gereksinimleri ile karmaşık kontrol döngülerini çalıştırabilir. Örneğin, tahmin edici bir bakım sistemi, FFT (fast Fourier dönüşümü) algoritmalarının yürütülmesinde birden fazla sensörden işlem sırasında titreşim verileri işlemek için gerekli olabilir - doğrudan öğretim düzeyindeki paralelliklerden yararlanan görevler.

Akıllı Kameralar ve Video Analytics

Edge bazlı güvenlik kameraları giderek daha fazla takip ediyor - insanları, araçları veya anormallikleri tespit ediyor - tüm videoyu merkezi bir sunucuya kaydetmek yerine. Bu, hem video kodu hem de nöral bir ağ kanallarını çalıştırmaya muktedir bir işlemci gerektirir. Superscalar çekirdeği, örneğin, 4K video işleme, hareket tahmini, kodc görevleri) verimli bir şekilde, ücretsiz olarak, iki katlı bir AI hızlandırıcıları teşvik etmek için.

Drones and Unmanned Aerial Tools (UAVs)

Drones son derece sıkı ağırlık ve güç bütçelerini talep ediyor. Uçuş kontrol cihazı, tam bir uygulama işlemcisi olmadan gerekli performansı sağlamalı ve düşük jitter. Superscalar mikrokontroller için kontrol algoritmaları yürütür, örneğin ARM Cortex-M7'ye dayanan, tam bir uygulama işlemcisinin ek olarak, daha gelişmiş dronelar kullanarak süperscalar uygulama çekirdeklerini (örneğin, CortexA serisi) kullanarak kontrol algoritmaları ve kamera ve LiDAR verileri devre dışı bırakmak için gereklidir.

Artırılmış ve Sanal Gerçeklik

AR/VR kafaları son derece düşük gecikme gerektirir - 20 milisaniyenin altında - hareket hastalıklarını önlemek için. Hesap alt sistemi grafiklere, kafa hareketlerine dayanan ve agresif süperscalar işlemcilere sahip bir Kryo CPU içerir, sık sık sık sık karmaşık iş yüküne sahip.

Edge'de Superscalar'ı uygulamakta zorluk

Süperscalar teknikleri açık faydalar sunarken, kenar cihazlarında kabulleri engeller olmadan değildir. Tasarımcılar performans, güç, alan ve maliyetle dengelenmelidir.

Güç ve Termal Kıtlar

Geliştirilen verimlilikle bile, süperscalar çekirdekleri, birden fazla konu için ek donanım nedeniyle saat döngüsünde daha fazla güç tüketiyor ve geçiş aktivitelerini azaltmak için dinamik saat gating.In some lowpower edge MCUs, a simple-order-order-size-kullanıcılar kontrol altına alındıktan sonra iyi bir şekilde kontrol altına alındı.

Silikon Alanı ve Maliyet

Superscalar mantık alanı yoğundur. Kayıt için donanım, renaming, reorders, rezervasyon istasyonları ve birden fazla yürütme birimi ölçeklendirme tasarımına kıyasla iki kat veya üç katına çıkabilir.For cost-sensitive edge devices, bu bir bariyer olabilir. ancak, yarı iletken üretim ilerlemeleri (örneğin, 7nm, 5nm), alan cezaları azaltılır, daha süpersca özellikleri kabul edilebilir maliyetle dahil edilebilir maliyetle dahil edilebilir.

Software Optimizasyonu

Süperscalar infazı tamamen kullanmak için, derleyiciler, önbellekli davranışın ve boru hatlarının sonları karşılamak için nasıl kod yazacağını anlamalıdır.In edge environment, where code may be hand-tuned for specific microarchitectures, developers needs to understand how to write code that puts ILP. Ek olarak, gerçek zamanlı işletim sistemleri (RTOS) son zamanlardaki performans için rehberlik ve boru hatlarının farkında olmalıdır.

Yenilikler Superscalar Edge Processors'un Sonraki Nesilini Sürüş

Süperscalar tekniklerinin evrimi devam ediyor, kenar bilişim cihazlarının daha da geliştirilmesine yol açacak birkaç ortaya çıkan trendle.

Adaptif Superscalar Execution

Future işlemciler, süperleri uzay genişliğini iş yük özelliklerine ve güç durumuna göre dinamik olarak ayarlarlar. Örneğin, geç bir kritik görev sırasında, CPU daha geniş bir konu genişliğine olanak sağlayabilir; boş dönemler boyunca, güç tasarrufuna güvenen tek bir moda düşebilir.Bu tür bir adaptif tasarımlar gerçek zamanlı olarak en uygun yapılandırmayı öngören makine öğrenme sınıflandırıcılarına güvenebilir.

AI Hızlandırıcılarla entegrasyon

Superscalar CPU'lar, her bir rol için optimize edilmesine izin veriyor (NPUs) veya vektör işlemciler. CPU kontrol akışı ve veri önceden/post-işlemleri, hızlandırıcı işlemleri yaparken, bu heterojen yaklaşım, her bir rol için optimize edilmesine izin veriyor - süperscalar CPU'su düzenli kontrol kodu ve NPU'lar için düzenli paralel hesaplamalar için kontrol akışı ve veri ön işleme yeteneği.

RISCV Superscalar Extensions

SiFive Esperanto Teknolojileri'nden gelenler gibi, standart RISC-V ISA zaten gerekli bina bloklarına sahip süperscalar uygulamaları içerir ve topluluk birçok sorunu tanımlamak için standart olarak standart olarak standartlaşmış yollar geliştirir ve bu açıklık, kenar cihazı satıcılarını tam güç ve performans hedefleri ile tertemizlemelerine olanak sağlar.

RISC-V'nin potansiyelini daha derin bir şekilde atlatmak için, ESFLT:0)RISC-V Uluslararası web sitesi[Dön 1: 1) bakınız.

Gerçek Zamanlı İş Yükleri için İleri Düzey Şube Önleme

Geleneksel şube tahminörleri ortalama performans için optimize eder, ancak kenar cihazları genellikle tahmin edilemez gecikmeli cezalar olmadan gerçek zamanlı kısıtlar sağlar.The Arm CortexX4 ve diğer son çekirdekler bu tür iyileştirmeler içerir, yanlış anlama oranları ve daha tutarlı performansla birlikte.

Future Yol ve Outlook

Uzak hesaplaması hızlı genişlemeye devam ettikçe, süperscalar işlemciler hesaplama hiyerarşisinin merkezinde kalacaktır. Daha akıllı, özerk cihazlar için sıkı güç ve geç bütçeler altında çalışan daha fazla süper teknik geliştirmeyi bekleyebiliriz.

  • [FONT=0]Döneticileri [Dönderlikleri) yüksek uç kenar cihazlarında, muhtemelen 6-köprüğe kadar, ancak TDP'yi sınırları içinde tutmak için agresif güç yönetimi ile.
  • [FONT:0) Bellek hiyerarşileri ile yakınlaşma[Döneticiler[Döneticiler: 1), süperlericak paralelliği kullanan son düzey önbellek tasarımları ve önbellek algoritmaları kullanarak hafıza geçliğini gizlemek için.
  • [FONT:0) Self-opting işlemciler[[Dönetici:0) Gerçek zamanlı olarak, yüksek çözünürlükte performansa uygun olarak, gerçek zamanlı olarak, yüksek çözünürlükte performansa sahip olmak için kullanılan çip makinesi öğrenmeleri ).
  • [FONT:0) Güvenlik özellikleri[Dönetici 1), Spectre ve Meltdown gibi yan kanal saldırılarına karşı yapılan spekülasyonlar gibi süperscalar boru hattına inşa edilmiştir.

Uzak ve bulut arasındaki sınırlar da bulanıklaşıyor. Bazı kenar sunucuları şimdi süperscalar CPU'lar ile donatılmıştır - düşük maliyetten ödün vermeden verimlilik geliştirmek. spektrumun diğer ucunda, ultra-düşük mikro kontroller sınırlı süperscalar satın alınır - örneğin dual-kitap boru hatları gibi - verimlilik düşük maliyetten ödün vermeden geliştirmek.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Superscalar teknikleri, pahalı masaüstü işlemcilerin bir niş özelliğinden, yüksek performanslı kenar hesaplamalarına kritik bir olanak sağladı.Her saat döngüsüne birden fazla talimat vererek, bu mimariler, gerçek zamanlı analitik, AI inference ve otonom karar verme için gerekli işleme gücünü teslim ediyor - tüm sıkı güç ve ısıtıcı cihazlardan endüstriyel IoT ve AR/VR kulaklıklara izin vererek, süperscalar işlemciler, süperscalar işlemciler, gerçek zamanlı analitik için gerekli olan işleme gücünü sağlıyor.

Yarı iletken teknoloji ilerlemeleri ve yeni mikroaritectural optimizasyonlar ortaya çıktığında, kenar bilgisayarlarındaki işlemci tasarımının etkisi hakkında daha parlak görünüyor.[FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=TRNT=FONT=TRNT=FONT=TRNT=TRNT=TR=TR=TR][/FONT=TR=TR=TR][/FONT=TRNT=TR=STR=S FONT=STR=S FONT=STRNT=S S COLOR=S=S=S COLOR=S COLOR=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=STR=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=S=STRNT=