El paquete de software puede omitir la CPU para una computación más eficiente

Los investigadores de Technion han desarrollado un paquete de software que permite a las computadoras realizar operaciones de procesamiento directamente en la memoria, sin pasar por la CPU. Este es un paso importante hacia el desarrollo de computadoras que realizan cálculos en la memoria, evitando transferencias de datos que requieren mucho tiempo y energía entre componentes de hardware.

En los últimos años ha surgido un campo nuevo y apasionante en el dominio del hardware: la informática en memoria. El enfoque de computación en memoria introduce un cambio significativo con respecto a la forma en que normalmente funcionan las computadoras.

Mientras que tradicionalmente la CPU ejecuta cálculos basados ​​en información almacenada en la memoria de la computadora, con este enfoque innovador, algunas operaciones se realizan directamente dentro de la memoria, lo que reduce las transferencias de datos entre la memoria y la CPU. Como la transferencia de datos entre unidades de computadora requiere tiempo y energía. -Intensivo, este cambio supone importantes ahorros en ambos.

En las últimas décadas se han observado mejoras espectaculares en el rendimiento de estos dos componentes; la velocidad de cálculo de los procesadores se ha disparado, al igual que la capacidad de almacenamiento de las unidades de memoria. Estos avances no han hecho más que exacerbar el problema, ya que la transferencia de datos se ha convertido en un cuello de botella que limita la velocidad general de la computadora.

El profesor Shahar Kvatinsky de la Facultad de Ingeniería Eléctrica e Informática Andrew y Erna Viterbi ha dedicado los últimos años a encontrar soluciones al «problema del muro de la memoria», el problema de los cálculos que requieren dos componentes de hardware separados.

En artículos publicados en los últimos años, ha presentado tecnologías de hardware que permiten que algunas operaciones se ejecuten en la memoria, mitigando los «embotellamientos» creados entre el procesador y la memoria en las computadoras convencionales.

Este cambio de paradigma en la arquitectura informática tiene aplicaciones innovadoras en muchos campos, incluida la inteligencia artificial, la bioinformática, las finanzas, los sistemas de información y más. No es de extrañar que muchos grupos de investigación del mundo académico y de la industria estén trabajando en este tema: investigando la arquitectura de la memoria, investigando la producción de unidades de memoria innovadoras en fábricas de chips y estudiando las operaciones computacionales básicas que tendrían lugar en una computadora diseñada con memoria interna. -enfoque informático.

Sin embargo, un aspecto crucial de este enfoque ha estado casi completamente inexplorado hasta ahora: el software. Durante décadas se han escrito programas informáticos para ordenadores «clásicos», cuya estructura fundamental apenas ha cambiado desde los primeros ordenadores de los años cuarenta.

Estos programas son colecciones de operaciones de lectura y escritura que tienen lugar en la memoria de la computadora y operaciones computacionales realizadas por el procesador. Las unidades de información almacenadas en la memoria tienen direcciones que permiten al software localizarlas y transferirlas a la CPU para su procesamiento.

«Ahora que algunos cálculos se realizan en la memoria, necesitamos un nuevo software», explica el profesor Kvatinsky. «Este nuevo software tiene que basarse en nuevas instrucciones que admitan cálculos en memoria. Este nuevo método de cálculo es tan diferente del convencional que inutiliza algunos de los componentes básicos existentes de la informática. Por lo tanto, necesitamos escribir nuevos código, que requiere mucho tiempo y esfuerzo por parte de los desarrolladores de software».

Un nuevo artículo del grupo de investigación del profesor Kvatinsky, dirigido por Ph.D. El estudiante Orian Leitersdorf, en colaboración con el investigador Ronny Ronen, presenta una solución a este problema. Su nueva plataforma utiliza un conjunto de comandos que cierra la brecha entre las soluciones informáticas en memoria y los lenguajes de programación populares como Python.

Para construir esta nueva plataforma, los investigadores desarrollaron una teoría para las interfaces de programación de la arquitectura informática en memoria y crearon bibliotecas de desarrollo de software que convierten los comandos de Python en comandos de máquina ejecutados directamente en la memoria de la computadora.

Llaman a este nuevo concepto PyPIM, una combinación de la abreviatura de Python y el acrónimo de Processing-in-Memory. Con esta nueva plataforma, los desarrolladores de software podrán escribir software para computadoras PIM con facilidad.

Los investigadores también han creado una herramienta de simulación para desarrollar hardware y medir el rendimiento, lo que permite a los desarrolladores estimar la mejora en el tiempo de ejecución del código en relación con una computadora normal. En su artículo, los investigadores demuestran varios cálculos matemáticos y algorítmicos realizados utilizando la nueva plataforma, con código breve y simple, lo que resulta en importantes mejoras de rendimiento.

La nueva investigación fue presentada en la Simposio internacional IEEE/ACM sobre microarquitecturaque tuvo lugar en Austin, Texas. El papel también es disponible en el arXiv servidor de preimpresión.

Orian Leitersdorf, de 21 años, pronto será el doctorado más joven del Technion. graduado. Ronny Ronen es investigador senior de la facultad, miembro de la facultad y director del Centro de Investigación de Arquitecturas y Circuitos (ACRC).