Computación heterogénea

La computación heterogénea se refiere a sistemas que utilizan más de un tipo de procesador o núcleo . Estos sistemas obtienen rendimiento o eficiencia energética no solo al agregar procesadores del mismo tipo, sino también al agregar coprocesadores diferentes , que generalmente incorporan capacidades de procesamiento especializadas para manejar tareas particulares. ^{[ 1 ]}

Por lo general, la heterogeneidad en el contexto de la informática se refiere a diferentes arquitecturas de conjuntos de instrucciones (ISA), donde el procesador principal tiene una y otros procesadores tienen otra arquitectura, generalmente muy diferente (quizás más de una), no solo una microarquitectura diferente ( el procesamiento de números de punto flotante es un caso especial de esto, que no suele denominarse heterogéneo).

El nivel de heterogeneidad en los sistemas informáticos modernos está aumentando gradualmente a medida que la mayor miniaturización de las tecnologías de fabricación permite que componentes que antes eran discretos se conviertan en partes integradas de un sistema en chip (SoC). Por ejemplo, muchos procesadores nuevos ahora incluyen lógica integrada para la interfaz con otros dispositivos ( SATA , PCI , Ethernet , USB , RFID , radios , UART y controladores de memoria ), así como unidades funcionales programables y aceleradores de hardware ( GPU , coprocesadores criptográficos , procesadores de red programables, codificadores/decodificadores de audio/vídeo, etc.).

Hallazgos recientes muestran que un multiprocesador de chip ISA heterogéneo que aprovecha la diversidad que ofrecen múltiples ISA puede superar a la mejor arquitectura homogénea del mismo ISA hasta en un 21%, con un ahorro de energía del 23% y una reducción del 32% en el producto de retardo de energía (EDP). ^{[ 2 ]} El anuncio de AMD de 2014 sobre sus SoC ARM y x86 compatibles en pines, con nombre en clave Project Skybridge, ^{[ 3 ]} sugirió un multiprocesador de chip ISA heterogéneo (ARM+x86) en desarrollo.

Los sistemas informáticos heterogéneos presentan nuevos desafíos que no se encuentran en los sistemas homogéneos típicos. ^{[ 7 ]} La presencia de múltiples elementos de procesamiento plantea todos los problemas relacionados con los sistemas de procesamiento paralelo homogéneos, mientras que el nivel de heterogeneidad en el sistema puede introducir falta de uniformidad en el desarrollo del sistema, las prácticas de programación y la capacidad general del sistema. Las áreas de heterogeneidad pueden incluir: ^{[ 8 ]}

ISA o arquitectura del conjunto de instrucciones

Los elementos de cómputo pueden tener arquitecturas de conjunto de instrucciones diferentes, lo que puede provocar incompatibilidad binaria.

ABI o interfaz binaria de la aplicación

Los elementos de cómputo pueden interpretar la memoria de diferentes maneras. ^{[ 9 ]} Esto puede incluir tanto el orden de bytes como la convención de llamada y la disposición de la memoria, y depende tanto de la arquitectura como del compilador que se utilice.

API o interfaz de programación de aplicaciones

Es posible que los servicios de biblioteca y del sistema operativo no estén disponibles de manera uniforme para todos los elementos de computación. ^{[ 10 ]}

Implementación de bajo nivel de las características del lenguaje

Las características del lenguaje, como las funciones y los hilos, a menudo se implementan mediante punteros a funciones , un mecanismo que requiere traducción o abstracción adicional cuando se utiliza en entornos heterogéneos.

Interfaz y jerarquía de memoria

Los elementos de cómputo pueden tener diferentes estructuras de caché , protocolos de coherencia de caché y el acceso a la memoria puede ser uniforme o no uniforme ( NUMA ). También se pueden encontrar diferencias en la capacidad de leer longitudes de datos arbitrarias, ya que algunos procesadores/unidades solo pueden realizar accesos de byte, palabra o ráfaga. ^{[ 11 ]}

Interconexión

Los elementos de computación pueden tener distintos tipos de interconexión, además de las interfaces básicas de memoria/bus. Esto puede incluir interfaces de red dedicadas, dispositivos de acceso directo a memoria ( DMA ), buzones de correo, FIFOs y memorias de acceso rápido , entre otros. Además, ciertas partes de un sistema heterogéneo pueden ser coherentes con la caché, mientras que otras pueden requerir la intervención explícita del software para mantener la consistencia y la coherencia.

Actuación

Un sistema heterogéneo puede tener CPU idénticas en cuanto a arquitectura, pero con diferencias microarquitectónicas subyacentes que dan lugar a distintos niveles de rendimiento y consumo energético. Las asimetrías en las capacidades, junto con modelos de programación poco transparentes y abstracciones del sistema operativo, pueden provocar problemas de previsibilidad del rendimiento, especialmente con cargas de trabajo mixtas.

Herramientas de desarrollo

Los distintos tipos de procesadores normalmente requieren distintas herramientas (editores, compiladores, ...) para los desarrolladores de software, lo que introduce complejidad al dividir la aplicación entre ellas. ^{[ 12 ]}

Particionamiento de datos

Si bien la partición de datos en plataformas homogéneas suele ser trivial, se ha demostrado que, para el caso heterogéneo general, el problema es NP-completo. ^{[ 13 ]} Para un número reducido de particiones, se ha demostrado la existencia de particiones óptimas que equilibran perfectamente la carga y minimizan el volumen de comunicación. ^{[ 14 ]}

El hardware informático heterogéneo se puede encontrar en todos los ámbitos de la informática, desde servidores de alta gama y máquinas de computación de alto rendimiento hasta dispositivos integrados de bajo consumo, como teléfonos móviles y tabletas.

• Computación de alto rendimiento
  • Cydra-5 (Coprocesador numérico)
  • Cray XD1 (FPGA)
  • Ordenadores SRC SRC-6 y SRC-7 (FPGA)
• Sistemas embebidos (DSP y plataformas móviles)
  • Texas Instruments OMAP (coprocesador de medios)
  • Analog Devices Blackfin (procesadores DSP y coprocesadores multimedia)
  • Qualcomm Snapdragon (GPU, DSP, imagen, a veces coprocesador de IA; módem, sensores)
  • Nvidia Tegra (GPU; módem, sensores)
  • Samsung Exynos (GPU; módem, sensores)
  • Serie "A" de Apple (CPU, GPU; módem)
  • Unidades de procesamiento Movidius Myriad Vision , que incluyen varios procesadores simétricos, complementados con unidades de función fija y un par de controladores basados ​​en SPARC .
  • SoC HiSilicon Kirin (GPU; módem, sensores)
  • SoC de MediaTek (GPU; módem, sensores)
  • Procesadores de señal digital (DSP) Tensilica de Cadence Design Systems
• Computación reconfigurable
  • Plataformas Xilinx de matrices de puertas programables en campo (FPGA; por ejemplo, Virtex-II Pro, Virtex 4 FX, Virtex 5 FXT) y Zynq y Versal.
  • Intel "Stellarton" (Atom + FPGA de Altera )
• Redes de contactos
  • Procesadores de red Intel IXP
• Dispositivos informáticos, de juegos y de entretenimiento de uso general.
  • Procesadores Intel Sandy Bridge, Ivy Bridge y Haswell (GPU integrada, compatible con OpenCL desde Ivy Bridge, compatible con CPU híbrida desde Alder Lake).
  • AMD Excavator y APU Ryzen (GPU integrada, compatible con OpenCL, compatible con CPU híbrida desde Zen 4 y Zen 4c)
  • IBM Cell , presente en la PlayStation 3 (coprocesador Vector) ^{[ 15 ]}
    • SpursEngine , una variante del procesador IBM Cell.
  • Emotion Engine , presente en la PlayStation 2 (vector y coprocesadores multimedia).
  • Arquitectura de CPU ARM big.LITTLE/DynamIQ (topología heterogénea)
    • Casi todos los proveedores de ARM ofrecen soluciones heterogéneas: ARM, Qualcomm, Nvidia, Apple, Samsung, HiSilicon, MediaTek, etc.

• big.LITTLE/DynamIQ
• GPGPU
• MPSoC
• Rosetta-lang
• Multiprocesamiento simultáneo y heterogéneo