DARPA приступила к разработке архитектуры HIVE для нового типа микропроцессоров

Возможности полупроводниковых технологий несмотря на все усилия научно-технологического сообщества подходят к своим пределам. Вариантов дальнейшего развития вычислительных мощностей существует десятки: от внедрения новых материалов до квантовых и фотонных компьютеров, но возможно решение гораздо ближе? Дело в том, что все современные центральные микропроцессоры CPU и графические микропроцессоры GPU с сороковых годов прошлого века опираются на архитектуру, в основе которой лежит теория Джона фон Неймана. Если архитектура CPU предполагает последовательную обработку информации, то GPU исторически предназначался для обработки компьютерной графики, поэтому рассчитан на массивно параллельные вычисления. Для задач связанных с обработкой Больших Данных (неструктурированной информации) данная архитектура работает неэффективно. Абсолютно новый тип вычислительной архитектуры, кардинально отличной от традиционной архитектуры фон Неймана, разрабатывается сейчас в рамках программы известного оборонного исследовательского центра DARPA под названием HIVE (Hierarchical Identify Verify Exploit).

Инвестиции в программу HIVE, рассчитанную на четыре с половиной года, составили 80 млн долларов. В ней принимают участие крупнейшие полупроводниковые компании Intel, Qualcomm, а также американский многопрофильный военно-промышленный холдинг Northrop Grumman и ученые из нескольких национальных лабораторий и университетов. Создаваемый в рамках программы процессор HIVE станет первым в мире специализированным граф-аналитическим процессором (graph analytic processor, GAP). Графы в аббревиатуре не сокращают термин «графический», а представляют собой множество вершин (узлов), соединённых рёбрами. Процессор будет работать с последовательностями, представленными в виде многослойных графических структур, что поможет быстро искать связи между данными в слоях и между слоями.“Если посмотреть на архитектуру любой из существующих вычислительных систем, она будет одним из вариантов архитектуры, разработанной Джоном фон Нейманом в 1940-х годах. В нынешних системах используются как центральные, так и графические процессоры, но ядра каждого из них являются отдельными процессорами фон Неймана” – рассказывает Транг Трэн (Trung Tran), один из руководителей программы HIVE. “В силу особенностей новой архитектуры процессор HIVE будет способен одновременно выполнять произвольные задачи, использующие данные, хранящиеся в различных областях одного массива памяти. Кроме этого, к одному большому массиву памяти смогут обращаться сразу несколько процессоров, у каждого из которых будет иметься еще и своя локальная сверхскоростная память, предназначенная для хранения переменных и промежуточных данных” – рассказывает Транг Трэн.

В настоящее время граф-аналитические процессор являются только теорией, продиктованной необходимостью эффективной обработки неструктурированной информации больших данных (Big Data). В отличие от традиционных процессоров их архитектура должна быть оптимизирована для эффективной обработки информации, предоставленной в виде графов, что в свою очередь требует новой архитектуры памяти, способной обеспечивать доступ к произвольным адресам со скоростями в терабайты в секунду. Поиск данных процессором GAP должен предельно быстро работать без кэша в глобальной памяти со случайными блоками. Архитектура GAP должна позволить работать процессору как со случайными изолированными участками в памяти, так и дать возможность одновременно размещать и искать данные в любых участках глобальной памяти. Нынешние чипы памяти обеспечивают максимальную скорость доступа к данным, хранящимся в массивах последовательных ячеек памяти. Когда же дело касается доступа к произвольным адресам, то быстродействие современной памяти резко снижается. Память для архитектуры HIVE должна будет обеспечить доступ к восьмибитным значениям, хранящимся в произвольных ячейках, с максимально возможной для этого скоростью.

Помимо нового типа памяти и контроллеров доступа к ней, архитектура HIVE подразумевает наличие в процессоре специализированного арифметического модуля (arithmetic-processing-unit, APU), способного производить на аппаратном уровне операции с данными графов. Все это вместе, согласно требованиям DARPA, должно потреблять в 1000 раз меньше энергии, требующейся современным суперкомпьютерам для проведения аналогичных расчетов. Согласно условиям программы, ее участники, в частности Intel и Qualcomm, смогут использовать все наработки, включая и новую архитектуру памяти в своих будущих коммерческих продуктах.

Leave a Comment