Sprzęt, który się nie starzeje

Nowa generacja układów może dostosowywać swoją architekturę do aktualnych potrzeb i okazać się lekarstwem na szybkie starzenie się sprzętu elektronicznego.

Wszyscy znamy to uczucie, kiedy radość ze świeżo zakupionego gadżetu bardzo szybko – najczęściej w ciągu kilku miesięcy - przeradza się we frustrację, kiedy na rynku pojawia się nowa, lepsza generacja danego urządzenia. Być może już niedługo ten stan rzeczy się zmieni, a to za sprawą nowego rodzaju układów scalonych o zmiennej architekturze.

Bramki logiczne takich chipów mogą być przekonfigurowane na takiej samej zasadzie, jak w przypadku uaktualnień oprogramowania np. smartfonów.

Nad takimi układami pracuje niewielka firma Tabula. Produkowane przez nią chipy są znacznie tańsze i szybsze niż istniejąca konkurencja w postaci programowalnych układów FPGA (Field Programmable Gate Array). Te ostatnie są bardzo często wykorzystywane w drogich urządzeniach, sprzedawanych w niewielkich ilościach, jak np. skanery do tomografii komputerowej. Zastosowanie FPGA, które można wielokrotnie przeprogramować w zależności od potrzeb, jest wtedy bardziej opłacalne niż projektowanie za każdym razem nowego procesora. Jeszcze częściej układy FPGA wykorzystywane są w prototypach nowych urządzeń, kiedy wciąż wprowadzane są zmiany do projektu.
 

Wielopiętrowy budynek

- Gdyby programowalne chipy miały większe możliwości i jednocześnie były tańsze, można by je było stosować w szerszej gamie urządzeń i w bardziej kreatywny sposób niż obecnie - twierdzi założyciel i szef Tabula, Steve Teig. Układy projektowane przez inżynierów Tabuli są znacząco mniejsze niż standardowe FPGA.

- Procesory FPGA są bardzo drogie, ponieważ do ich produkcji konieczne jest wykorzystanie dużych kawałków wafli krzemowych, których cena wynosi ok. 1 mld dolarów za akr - tłumaczy Teig. Argumentuje również, że duża powierzchnia układów FPGA niekorzystnie wpływa na ich wydajność. Przetwarzane sygnały potrzebują bowiem dużo więcej czasu na dotarcie z jednej części procesora do drugiej.

- FPGA można porównać do wielkiego, jednopoziomowego budynku z wielokilometrowymi korytarzami, których pokonanie wymaga bardzo wiele czasu - mówi Teig. - Jeśli jednak zamiast tego zbudujemy znacznie mniejszy, ale wielopiętrowy budynek, dotarcie z jednego miejsca w drugie staje się dużo szybsze i łatwiejsze.

Niestety, technologie konieczne do wyprodukowania wielopoziomowych układów scalonych ciągle jeszcze pozostają w fazie badań laboratoryjnych. Teig i jego zespół znalazł jednak metodę, dzięki której jednopoziomowy chip zachowuje się tak, jakby składał się z ośmiu różnych, nałożonych na siebie warstw.

- Wyobraź sobie, że wchodzisz do windy w wielopiętrowym budynku, która jednak nie rusza się z miejsca, a po wyjściu z niej widzisz kompletnie przemeblowane pomieszczenie. Nie miałbyś możliwości zauważenia, że jesteś wciąż na tym samym piętrze - tłumaczy Teig.

Procesory Tabula stosują taki sam trik na danych przetwarzanych 1,6 mld razy na sekundę (a więc z częstotliwością 1,6 GHz). Sygnał elektryczny w procesorze natrafia zatem na inną architekturę za każdym razem, gdy jest taka potrzeba. - Pod tym względem nasz pojedynczy procesor można porównać do kilku różnych, współpracujących ze sobą, standardowych układów - dodaje Teig.

Takie rozwiązanie skutkuje znacznym zwiększeniem szybkości przetwarzania danych. Sygnał nie musi bowiem „podróżować” przez cały chip, żeby dotrzeć do jednostek odpowiedzialnych za inne zadania, jak w przypadku FPGA. Rekonfiguracja bramek logicznych sprawia, że dane przetwarzane są w inny sposób – tak, jaby przetwarzał je inny procesor.

Według danych producenta rozmiar procesora Tabula jest trzykrotnie mniejszy od standardowego FPGA, dzięki czemu koszt jego wytworzenia jest aż pięciokrotnie niższy. Do tego należy dodać dwukrotnie większą gęstość upakowania układów logiki, owocującą czterokrotnie wyższą wydajnością.

Podobnie jak w przypadku FPGA, procesory Tabula wykorzystują macierz wielu indentycznych bloków przetwarzających dane, z których każdy może być zaprogramowany do wykonywania innych operacji logicznych. Wbudowana pamięć pozwala zapisać różne konfiguracje bramek logicznych, przez które przełącza się procesor.
 

Naukowcy pod wrażeniem

Rozwiązanie firmy Tabula wzbudziło zainteresowanie naukowców. Jednym z nich jest Andre DeHon z Universytetu Stanu Pennsylvania, specjalizujący się w programowalnych procesorach. Jego zdaniem podejście ekipy Teiga do problemu jest bardzo obiecujące. - Większość powierzchni FPGA zajmują ścieżki sygnałowe łączące ze sobą poszczególne bloki wykonujące operacje logiczne - twierdzi DeHon. - Rozwiązanie zastosowane przez Tabula sprawia, że dane mogą być przetwarzane dużo bardziej efektywnie.

Zdaniem DeHona, procesory firmy Tabula mają szansę na zastąpienie konwencjonalnych, nieprogramowalnych chipów w szerokiej gamie zastosowań. Rozpoczęcie produkcji specjalizowanego procesora wymaga gwarancji zamówienia przynajmniej kilku milionów sztuk, a więc wiąże się z wielomilionowymi inwestycjami.

Obniżenie kosztów wykorzystania programowalnych procesorów nowej generacji mogłoby zaowocować wprowadzeniem ich nawet do urządzeń elektroniki użytkowej. Dzięki temu ich producenci mogliby wprowadzać nowe funkcje do już sprzedanych urządzeń podobnie, jak w tej chwili czynią to w przypadku aktualizacji oprogramowania.

Dla przykładu – gdyby jakiś producent sprzętu zaimplementował w swoich urządzeniach funkcje, którymi nie mogłaby się pochwalić konkurencja, to ci drudzy mogliby dokonać modyfikacji swoich urządzeń, przeprogramowując po prostu procesory w już sprzedanych egzemplarzach.

Zdaniem Teiga najbardziej prawdopodobne jest, że jako pierwsze takie rozwiązania pojawią się w aparatach cyfrowych i telewizorach.
 

Szczypta sceptycyzmu

Pojawiają się naturalnie również opinie sceptyczne. Autorem jednej z nich jest analityk firmy Semico Research o swojsko brzmiącym nazwisku Rich Wawrzyniak, zajmujący się układami FPGA i powiązanymi technologiami. Uważa on, że obecnie rozwiązanie firmy Tabula ma przed sobą jeszcze wiele problemów. Jednym z poważniejszych z nich jest wysokie zapotrzebowanie nowych procesorów na energię. Ma ono być zdecydowanie zbyt duże, by procesory zaprojektowane przez zespół Teiga można było wykorzystać np. w telefonach.

Wspomniany już Andre DeHon jest jednak pełen optymizmu. - Nowe procesory są tak naprawdę całymi platformami obliczeniowymi, które mogą wykonać praktycznie każdy rodzaj zadania. Układy Tabula to pierwszy krok do idealnego rozwiązania, w którym procesor będzie automatycznie dopasowywał swoją architekturę do wykonywanego w danej chwili fragmentu kodu.

Źródło: TechnologyReview.com

Nowe technologie - artykuły
Technologie, wizje i gadżety przyszłości	Gadżety z przyszłości	Najciekawsze i realne technologie jutra