Så gör chiplet-arkitektur beräkningar snabbare

Med hjälp av så kallade chiplets och specialiserade beräkningsenheter vill forskningsprojektet PRIDE göra framtidens datorer både snabbare och mer energieffektiva – och hjälpa Europa att stå på egna ben i chipkriget. Två forskare vid Chalmers berättar mer om det banbrytande initiativet.

I takt med att allt fler transistorer ska rymmas på enskilda datorchips ökar också problemen. Det blir svårare – och dyrare – att tillverka ett helt system i ett enda chip. I forskningsprojektet PRIDE har man därför delat upp datorsystemen i mindre enheter, så kallade chiplets. Målet: högre prestanda och bättre energieffektivitet.
– Lösningen är att bryta ner stora chip i mindre chiplets, och sedan integrera dessa till ett fungerande system, förklarar Ioannis Sourdis, professor i dator- och nätverkssystem vid Chalmers.
Men det skapar i sin tur nya utmaningar: när beräkningar och data är utspridda kan resultatet bli både långsamt och ineffektivt. Därför har PRIDE fokuserat på att förbättra tre centrala delar av systemarkitekturen: programmeringsmodeller, specialiserade beräkningsenheter (acceleratorer) och minneshantering.
Den första delen handlar om hur man som programmerare ska kunna styra systemet – utan att behöva ta hänsyn till komplexa detaljer kring olika chiplets och specialkomponenter.
– Vi har utvecklat en programmeringsmodell som styr processer för hela chiplet-strukturen, och döljer mycket av specialiseringen för programmeraren, säger Per Stenström, professor i datorsystem vid Chalmers.

Snabbare och effektivare
I nästa steg har PRIDE utvecklat specialiserade chiplets för att hantera särskilda typer av uppgifter – som till exempel maskininlärning eller dataanalys. Det gör systemen snabbare och effektivare jämfört med traditionella, generella beräkningskärnor.
– Det andra arbetspaketet fokuserar på applikationsspecifika chiplets, som endast löser enskilda uppgifter. Det handlar om acceleratorer för dataintensiva applikationer, som maskininlärning, dataanalys och annat, säger Ioannis Sourdis.
Den tredje delen av projektet har fokuserat på en typ av chiplets med ett mer allmänt syfte – hur generiska data ska lagras och hämtas. Att hålla data nära den beräkning där den behövs är avgörande för både hastighet och energiförbrukning. Detta har man tacklat på flera sätt inom PRIDE.
– Vi försöker sätta upp strategier för att hålla så mycket data som möjligt nära själva processen – till exempel genom att replikera data så att den finns nära processen eller att migrera den till den plats där den behövs, säger Sourdis.

Ska göra Europa självförsörjande
Ett annat sätt att effektivisera minnet är komprimering – alltså att krympa mängden data så att mer får plats, utan att det påverkar prestandan negativt.
– Vi har visat hur vi kan förbättra kapaciteten hos minne med hög bandbredd (HBM) ganska rejält, och därmed få bättre systemprestanda, säger Per Stenström.
Chalmersprojektet relaterar därmed direkt till den just nu glödheta utvecklingen inom snabbare och mer effektiva datorchips. PRIDE är också kopplat till det större europeiska projektet European Processor Initiative (EPI), vars mål är att göra Europa självförsörjande inom avancerad datorhårdvara. Som ett led i detta har Stenström och Sourdis också varit med och grundat startupen InfinNode Technologies AB, där delar av teknologin från PRIDE vidareutvecklas för kommersiellt bruk.
– Det är väldigt spännande att se hur en idé från forskningen kan ta steget ut i verkligheten, säger Ioannis Sourdis.
Samtidigt är PRIDE inte slut än. Projektet har ett år kvar och forskarna fortsätter utveckla nya tekniker.
– Vi vill göra konventionella datorer skalbara och hjälpa Europa att bli mer självständigt i den globala chipindustrin, sammanfattar Sourdis.
Ett spännande och lovvärt ändamål – väl lämpat för projektnamnet, som översatt till svenska förstås blir ”stolthet”.