Probabilistic CMOS procesori

Od procesora uvek očekujemo isto: što veću brzinu i što manje zagrevanje i potrošnju energije – tačnost računanja nikada nije dovođena u pitanje.

Dok se postojeća CMOS tehnologija približava nanometarskoj skali, potrošnja energije i smetnje koje se pojavljuju između „tesno” pakovanih poluprovodničkih elemenata glavni su problemi s kojima se suočavaju dizajneri procesora poslednje generacije. Ono što se očekuje od procesora uglavnom je uvek isto, a njegove osnovne osobine se podrazumevaju, počev pre svega od tačnosti računanja. Setimo se samo kako je svojevremeno ismevan prvi Pentium procesor kada je otkrivena greška koju je pravio prilikom računanja. Retkost je da se logične pretpostavke, poput te da procesor treba da bude što tačniji kod računanja, uopšte i dovode u pitanje. Međutim, rezultati istraživanja i eksperimenata grupe naučnika Instituta za tehnologiju iz Džordžije (Georgia) pokazali su da, ukoliko se tačnost računanja kod procesora stavi u drugi plan, potrošnja energije može da se smanji i do 560 puta!

Potrebna nepreciznost?!

Teško je ne zapitati se kome treba procesor koji troši malo energije, ali za koga je „2+2=5”! Trgovci svakako ne bi imali ništa protiv toga, barem dok rezultat pomenutog sabiranja nije 3, ali za običnog korisnika tu se skup potencijalnih primena procesora završava.

Međutim, težnja da računari postanu što savršeniji potpuno je neusaglašena sa nesavršenošću naših čula, što se do sada umnogome koristilo, pre svega u različitim algoritmima za kompresiju slike i zvuka. Tako s jedne strane imamo CD zapis zvuka ili DVD zapis videa koji nude maksimalan kvalitet, ali koji je često nepotreban ako se uzmu u obzir ograničenja naših čula vida i sluha. Neki algoritmi za kompresiju zvuka i slike, poput poznatih MP3 i DivX, upravo su osmišljeni uzimanjem u obzir naših sposobnosti percepcije zvuka i slike i, vodeći se time, namerno „oštećuju” audio-video zapis kako bi uštedeli na memorijskom zauzeću. Popularnost i rasprostranjenost formata za kompresiju upravo nam pokazuje da tačnost nije uvek imperativ, naročito kada su multimedijalni sadržaji u pitanju. Ako uzmemo u obzir još i činjenicu da multimedijalni sadržaji zahtevaju dosta procesorske snage, dolazimo do zaključka da nam savršeno tačni procesori možda i nisu baš uvek neophodni...

Istraživači iz Džordžije su svoj procesor nazvali Probabilistic CMOS ili skraćeno PCMOS, što bi se moglo slobodno prevesti kao CMOS zasnovan na verovatnoći. Podsetimo se pojma verovatnoće: za neki događaj kažemo da mu je verovatnoća 0 ukoliko se nikada neće ostvariti (nemoguć događaj), dok je za događaj koji će se sigurno ostvariti verovatnoća 1 (siguran događaj). Logično, iz ovoga sledi da što je verovatnoća događaja bliža jedinici, to smo sigurniji da će se taj događaj ostvariti. Zamislimo sada da prekidački elementi, koji su glavni gradivni delovi svakog procesora, reaguju na komande za uključivanje/isključivanje s nekom verovatnoćom da će komanda biti ispravno izvršena. Ukoliko je ova verovatnoća u granicama između 0,5 i 1, a radi se o procesoru baziranom na CMOS tehnologiji, onda govorimo o PCMOS procesoru. Istraživači su pokazali da sa porastom verovatnoće tačnog reagovanja prekidačkog elementa na komandu potrošnja energije eksponencijalno raste, dok se smetnje koje se javljaju povećavaju kvadratno. Kod klasičnih procesora ogromna količina energije se troši upravo u težnji da verovatnoća ispravne promene stanja prekidačkog elementa bude jednaka jedinici, a iz prethodno navedenog jasno nam je da je to najnepovoljniji uslov i po pitanju potrošnje energije i stvaranja smetnji.

Ideja istraživača sa Džordžija instituta jeste da se sa greškama „može živeti” ukoliko se napravi odgovarajući kompromis između željene tačnosti i potrošnje energije. Naravno, u jednom digitalnom sistemu ne može se sve prepustiti slučajnosti te se PCMOS procesori uvek kombinuju sa klasičnim procesorima ili kontrolerima koji obavljaju zadatke za koje je neophodno postići apsolutnu tačnost, kao što su na primer komunikacija sa memorijom ili periferijama.

Široke mogućnosti primene

Gledano s aspekta klasičnih računara, PCMOS procesori mogu zauzeti ulogu koprocesora namenjenih specifičnim zadacima. U vreme kada Murov zakon o povećanju gustine pakovanja poluprovodničkih komponenti dolazi do svojih granica, mnogi proizvođači procesora, uključujući tu i Intel, prepoznaju u PCMOS tehnologiji nešto što može omogućiti da se važenje Murovog zakona produži za još nekoliko decenija. Stoga i ne čudi činjenica da se razvoj PCMOS tehnologije nastavlja pod pokroviteljstvom Američke odbrambene agencije DARPA.

U svrhu potvrđivanja upotrebljivosti ideje, napravljen je i prvi PCMOS čip u 0,25-mikronskoj tehnologiji, čija su testiranja dala očekivano dobre rezultate. Neke od demonstracija rada su obuhvatile dekompresiju DVD video-zapisa, kao i prepoznavanje govora, a merenja potrošnje energije na prototipovima poklopila su se sa teorijskim proračunima.

Osim audio/video kompresije, iznenađujuće je veliki broj potencijalnih primena PCMOS procesora i u drugim oblastima, najpre u onima koje se u svom radu znatno oslanjaju na statističke proračune. Ovde možemo ubrojiti algoritme za prepoznavanje govora i slike, kao i algoritme pretrage poput onih koje, na primer, koristi Google. Takođe, složeni proračuni koji se koriste za predviđanja kretanja na berzi u sebi sadrže puno statističkih elemenata i PCMOS procesori bi bili prirodno okruženje za njihovo izvršavanje. Neuronske mreže se takođe zasnivaju na teoriji verovatnoće tako da se PCMOS procesori mogu lako upotrebiti za dalji razvoj veštačke inteligencije. Generisanje slučajnih brojeva, ma koliko banalno zvučalo, koristi se u svim pomenutim primenama i u tu svrhu se koriste dosta kompleksni algoritmi na koje se troši dosta procesorske snage. Istraživanja rađena na PCMOS procesorima pokazala su da se njima s lakoćom generišu slučajni brojevi koji po mnogim karakteristikama prevazilaze generatore pseudoslučajnih sekvenci, uobičajene kod klasičnih procesora.

Analitičari predviđaju da su najverovatnije prve primene PCMOS tehnologije kod prenosnih uređaja poput mobilnih telefona, MP3 plejera ili prenosnih DVD/DivX plejera, koji bi zahvaljujući ekstremno maloj potrošnji i očekivanoj povećanoj toleranciji potencijalnih korisnika na greške bili idealna platforma za širu primenu. Primena u klasičnim računarima bi u prvo vreme možda mogla da se svede na ulogu specijalizovanih koprocesora, ali ograničenja koja fizika nameće mogla bi da dovedu do toga da PCMOS procesori postanu osnova procesora budućnosti. A zašto i ne bi kada ionako znamo da ništa nije savršeno.

Dejan STEFANOVIĆ