विशिष्ट चिप्स हमें "गतिरोधकों" से नहीं बचाएंगे

सीपीयू की गति में सुधार धीमा हो रहा है, और हम सेमीकंडक्टर उद्योग को त्वरक कार्ड पर स्विच कर रहे हैं ताकि परिणाम में सुधार जारी रहे। एनवीडिया ने इस संक्रमण से सबसे अधिक लाभ उठाया है, हालांकि, यह उसी प्रवृत्ति का हिस्सा है, जो तंत्रिका नेटवर्क त्वरक, FPGAs और Google के TPU जैसे उत्पादों में शोध को बढ़ावा देता है। इन त्वरक ने हाल के वर्षों में इलेक्ट्रॉनिक्स की गति में अविश्वसनीय रूप से वृद्धि की है, और कई लोगों को उम्मीद है कि वे मूर के कानून की मंदी के संबंध में विकास के एक नए मार्ग का प्रतिनिधित्व करते हैं। लेकिन एक नए वैज्ञानिक कार्य से पता चलता है कि वास्तव में, सब कुछ उतना ही आकर्षक नहीं है जितना कि कुछ लोग चाहेंगे।

विशेष आर्किटेक्चर जैसे जीपीयू, टीपीयू, एफपीजीएएस और एएसआईसी, भले ही वे सामान्य प्रयोजन के सीपीयू से काफी अलग तरीके से काम करते हों, फिर भी x86, ARM या POWER प्रोसेसर जैसे ही कार्यात्मक नोड्स का उपयोग करते हैं। और इसका मतलब यह है कि इन एक्सीलरेटर की गति में वृद्धि कुछ हद तक ट्रांजिस्टर के स्केलिंग से जुड़े सुधारों पर भी निर्भर करती है। लेकिन उत्पादन प्रौद्योगिकियों के सुधार और मूर के कानून से जुड़े घनत्व में वृद्धि पर इन सुधारों का क्या अनुपात निर्भर करता है, और इन क्षेत्रों के लिए लक्षित क्षेत्रों में सुधार का कौन सा हिस्सा है? केवल कितने प्रतिशत सुधार ट्रांजिस्टर से संबंधित हैं?

प्रिंसटन यूनिवर्सिटी इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग के एसोसिएट प्रोफेसर डेविड वेंजलाफ और उनके स्नातक छात्र आदि फुच्स ने एक मॉडल बनाया है जो उन्हें सुधार की गति को मापने की अनुमति देता है। उनका मॉडल 1612 सीपीयू और 1001 जीपीयू की विभिन्न क्षमताओं का उपयोग करता है, जो विभिन्न कार्यात्मक इकाइयों के आधार पर बनाया गया है, इकाइयों को सुधार से जुड़े लाभों का संख्यात्मक मूल्यांकन करने के लिए। वेनेजलाफ और फुकस ने CMOS (CMOS-Driven return, CDR) प्रगति से संबंधित प्रदर्शन में सुधार के लिए एक मीट्रिक बनाया है, जिसकी तुलना चिप विशेषज्ञता रिटर्न (CSR) के माध्यम से प्राप्त सुधारों से की जा सकती है।



टीम एक निराशाजनक नतीजे पर पहुंची। चिप्स के विशेषज्ञता के कारण प्राप्त लाभ दीर्घकालिक रूप से सिलिकॉन के मिलीमीटर में रखे ट्रांजिस्टर की संख्या के साथ-साथ प्रत्येक नई कार्यात्मक इकाई से जुड़े इन ट्रांजिस्टर के सुधार से जुड़े हैं। इससे भी बदतर, मूलभूत सीमाएं हैं कि हम CMOS स्केल में सुधार किए बिना त्वरक सर्किट को बेहतर बनाने से कितनी गति निकाल सकते हैं।

यह महत्वपूर्ण है कि उपरोक्त सभी लंबे समय में लागू होते हैं। वेन्ज़लाफ़ और फुच्स के एक अध्ययन से पता चलता है कि गति अक्सर नाटकीय रूप से बढ़ जाती है जब त्वरक को पहले कमीशन किया जाता है। समय के साथ, जब इष्टतम त्वरण विधियों का अध्ययन किया जाता है, और वर्णित सर्वोत्तम अभ्यास, शोधकर्ता सबसे इष्टतम दृष्टिकोण पर आते हैं। इसके अलावा, त्वरक पर, अच्छी तरह से अध्ययन किए गए क्षेत्र से अच्छी तरह से परिभाषित कार्य जो समानांतर (GPU) हो सकते हैं, अच्छी तरह से हल किए गए हैं। हालांकि, इसका मतलब यह भी है कि समान गुण, जिसके कारण कार्य त्वरक के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, इस त्वरण से प्राप्त लाभ को लंबे समय में सीमित करें। टीम ने इस समस्या को "गतिरोधी त्वरक" कहा।

और उच्च-प्रदर्शन कंप्यूटिंग बाजार ने शायद कुछ समय के लिए इसे महसूस किया है। 2013 में, हमने सुपर-कंप्यूटरों को एक्स-स्केल करने की कठिन सड़क के बारे में लिखा। और फिर भी, Top500 ने भविष्यवाणी की कि एक्सेलेरेटर प्रदर्शन रेटिंग में एक बार की छलांग देंगे, लेकिन गति में वृद्धि की गति को नहीं बढ़ाएंगे।



हालांकि, इन खोजों के परिणाम उच्च-प्रदर्शन कंप्यूटिंग बाजार से परे हैं। उदाहरण के लिए, GPU का अध्ययन करते हुए, वेन्ज़लाफ और फुच्स ने पाया कि बेहतर CMOS के लिए जिन लाभों को जिम्मेदार नहीं ठहराया जा सकता था, वे बहुत छोटे थे।



अंजीर में। GPU निरपेक्ष प्रदर्शन वृद्धि दिखाई गई है (CMOS के विकास से प्राप्त लाभ सहित), और ये लाभ केवल CSR के विकास से ही सामने आए हैं। CSR उन सुधारों के बारे में हैं जो यदि आप GPU सर्किट से CMOS तकनीक की सभी सफलताओं को हटाते हैं, तो बने रहते हैं।

निम्नलिखित आंकड़ा मात्रा के संबंध को स्पष्ट करता है:



CSR कम होने का मतलब निरपेक्ष संख्या में GPU को धीमा करना नहीं है। जैसा कि फुच्स ने लिखा है:

CSR "CMOS की क्षमता के आधार पर" लाभ को सामान्य करता है, और यह "संभावित" ट्रांजिस्टर की संख्या और गति, ऊर्जा के उपयोग में दक्षता, क्षेत्र, आदि में अंतर को ध्यान में रखता है। (CMOS की विभिन्न पीढ़ियों में)। अंजीर में। 6, हमने अलग-अलग संयोजनों पर सभी अनुप्रयोगों की मापी गई गति को त्रिभुजित करके, और उन संयोजनों के बीच सकर्मक संबंधों का उपयोग करके, जिनके पास पर्याप्त सामान्य अनुप्रयोग (पाँच से कम) नहीं हैं, "आर्किटेक्चर + CMOS नोड्स" संयोजनों की अनुमानित तुलना की।

सहज रूप से, इन रेखांकन को अंजीर के रूप में समझा जा सकता है। 6a दिखाता है कि "इंजीनियर और प्रबंधक क्या देखते हैं," और अंजीर। 6 बी "सीएमओएस की क्षमता को छोड़कर, जो हम देखते हैं।" मैं यह सुझाव देने के लिए उद्यम करूंगा कि आप इस बात से अधिक चिंतित हैं कि क्या आपकी नई चिप पहले की तुलना में बेहतर है क्योंकि यह बेहतर ट्रांजिस्टर के कारण या बेहतर विशेषज्ञता के कारण ऐसा करती है।

GPU बाजार को अच्छी तरह से परिभाषित, डिज़ाइन और विशेष किया गया है, और दोनों AMD और Nvidia सर्किट्री में सुधार के लिए एक दूसरे से आगे निकलने का हर कारण है। लेकिन, इसके बावजूद, हम देखते हैं कि अधिकांश भाग के लिए, त्वरण CMOS से संबंधित कारकों के कारण हैं, और CSR के कारण नहीं।

वैज्ञानिकों ने वीडियो कोडेक के प्रसंस्करण के लिए FPGAs और विशेष मदरबोर्ड का भी अध्ययन किया है जो कि ऐसी विशेषताओं के तहत आते हैं, भले ही समय के साथ सापेक्ष सुधार बढ़ते बाजार के कारण कम या ज्यादा हो गया हो। वही विशेषताएं जो आपको त्वरण पर सक्रिय रूप से प्रतिक्रिया करने की अनुमति देती हैं, अंततः उनकी दक्षता में सुधार करने के लिए त्वरक की क्षमता को सीमित करती हैं। Fuchs और Wenzlaf GPU के बारे में लिखते हैं: "हालांकि GPU ग्राफिक्स की फ्रेम दर में 16 गुना वृद्धि हुई है, हम मानते हैं कि गति और ऊर्जा दक्षता में और सुधार क्रमशः 1.4-2.4 बार और 1.4-1.7 बार का पालन करेंगे" । एएमडी और एनवीडिया में पैंतरेबाज़ी के लिए एक विशेष स्थान नहीं है जिसमें आप सीएमओएस में सुधार करके गति बढ़ा सकते हैं।

इस कार्य के निहितार्थ महत्वपूर्ण हैं। वह कहती हैं कि वास्तुकला के अपने क्षेत्रों के लिए विशिष्ट मूर के कानून काम करने के लिए रुकने के बाद अब गति में महत्वपूर्ण सुधार नहीं करेंगे। और भले ही चिप डिजाइनर एक निश्चित संख्या में ट्रांजिस्टर में प्रदर्शन को बेहतर बनाने पर ध्यान केंद्रित कर सकते हैं, ये सुधार इस तथ्य से सीमित होंगे कि अच्छी तरह से अध्ययन की गई प्रक्रियाओं में सुधार करने के लिए लगभग कहीं नहीं है।

कार्य कंप्यूटिंग के लिए एक मौलिक नए दृष्टिकोण को विकसित करने की आवश्यकता को इंगित करता है। एक संभावित विकल्प इंटेल मेसो वास्तुकला है । फुच्स और वेन्ज़लाफ ने वैकल्पिक सामग्री और अन्य समाधानों का उपयोग करने का भी सुझाव दिया जो कि सीएमओएस के दायरे से परे हैं, जिसमें त्वरक के रूप में गैर-वाष्पशील मेमोरी का उपयोग करने की संभावना में अनुसंधान भी शामिल है।