Pesquisa de Mestrado reduz dark silicon e melhora desempenho de processadores

Inovadora, a dissertação do Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação que propôs estimar a área de dark silicon – porções do circuito que operam em frequências muito reduzidas ou totalmente ociosas – e a utilização de técnicas de inteligência artificial para descobrir melhores formas de projetar processadores avançados apresenta uma pesquisa inédita em âmbito internacional.

Com o titulo “Exploração do Espaço de Projetos de Sistemas Multiprocessadores Guiado por Dark Silicon”, a agora mestre Ana Caroline dos Santos Silva, orientada pelo professor Ricardo Ribeiro dos Santos (Facom), obteve a segunda colocação no Concurso de Teses e Dissertações em Arquitetura de Computadores e Computação de Alto Desempenho (WSCAD-CTD), de 2017.

“Inicialmente explorei a questão do dark silicon, área do chip que tem de estar desligada, de forma a estimar qual seria esse percentual. Estima-se na literatura e em alguns estudos anteriores que é uma taxa crescente e que, se nada fosse feito, na tecnologia atual teríamos mais de 70% da área inutilizada ou funcionando em baixa frequência”, explica Ana Caroline.

É como se houvesse um superaquecimento e o produto não fosse capaz de refrigerar. Como não há tecnologia com custo acessível capaz de resfriar esse processador, é preciso manter o limite de consumo de potência num patamar aceitável.

Pesquisadora Ana Caroline dos Santos Silva

O trabalho pro pôs uma solução capaz de explorar o espaço de projeto de plataformas computacionais na presença de dark silicon, apresentando alternativas arquiteturais para essas plataformas.

“Essa técnica toma como referência um modelo de otimização multiobjetivo e adota o algoritmo genético NSGA-II para resolução do problema. Foi validada e avaliada a partir de resultados de um algoritmo de força bruta para o mesmo problema e está integrada junto ao fluxo de execução da ferramenta de projeto de plataformas multicore MultiExplorer”, expõe Ana Caroline.

A proposta é buscar tirar um proveito melhor da área do processador tentando explorar a heterogeneidade dos dispositivos, ou seja, a variedade dos dispositivos. O trabalho teve como objetivos manter a dissipação de potência e de calor, ao mesmo tempo em que buscou melhorar o desempenho do processador.

Segundo a pesquisadora, a ferramenta MultiExplorer preenche essa lacuna e permite simular processadores já existentes. “O usuário da ferramenta MultiExplorer pode projetar e simular o desempenho de uma plataforma computacional, analisar parâmetros físicos e realizar a exploração do espaço de projeto buscando alternativas arquiteturais que atenuem a presença de dark silicon”.

Conhecendo a área que deveria ser explorada, a pesquisadora baseou- no que a indústria tem feito para contornar o dark silicon. “A indústria faz algumas coisas para tentar minimizar esse problema. Por exemplo, trabalhando com multicore, colocando processadores com frequências diferentes. Isso já é feito, mas até então não existia nenhuma ferramenta que simulasse isso ou que tenha um padrão, ou seja, uma metodologia de simulação de processadores”.

Na linha do que a indústria trabalha, a pesquisadora também reduziu a frequência do processador e trabalhou a heterogeneidade dos dispositivos, utilizando processadores com frequências diferentes.

“Simulamos esses mesmos projetos, esses processadores novos que foram gerados, e conseguimos provar através do uso da própria ferramenta MultiExplorer que conseguíamos a redução do dark silicon e um ganho do desempenho”, explica Ana Caroline.

Ela afirma que praticamente zerou o nível de dark silicon, e ainda obteve uma melhora de, aproximadamente, 10% do desempenho, comparado ao projeto original, o que reflete ganhos significativos.

“A principal contribuição deste trabalho é a metodologia, porque se pode aplicar em qualquer projeto. Essa metodologia garante no final uma melhoria do projeto final comparado ao original”, diz a professora Liana Duenha, coordenadora do Laboratório de Sistemas Computacionais de Alto Desempenho (LSCAD), onde foi realizada a pesquisa.

MultiExplorer

Desenvolvido no LSCAD, o Projeto MultiExplorer é acadêmico, mas com viés que interessa a indústria. “Queremos um sistema que funcione com o melhor desempenho possível e que consuma o menos possível de bateria. Muitas vezes, os núcleos não podem funcionar na mesma frequência – com muitos núcleos há o aumento do desempenho, mas também podem causar superaquecimento ou mal funcionamento do sistema. Assim, uma alternativa é trabalhar com núcleos com diferentes características de frequência, consumo ou desempenho, e tentar achar a melhor configuração do sistema que atende às restrições de projeto”, explica a professora Liana Duenha.

Essa demanda da heterogeneidade criou a necessidade de determinar qual o melhor projeto antes mesmo de sua fabricação e poder estimar o desempenho e o consumo do sistema. “Então esse projeto MultiExplorer veio nessa linha de fazer toda essa análise de desempenho, consumo e área do chip em tempo de projeto, antes de ir para a produção”, completa a professora.

O projeto de pesquisa está sendo desenvolvido desde 2013, com a coordenação do professor Ricardo Ribeiro dos Santos e tem parceria de professores da Unicamp, Unesp (Rio Claro) e UFS. Envolve alunos de Mestrado e graduação, já tendo gerado dissertações, trabalhos de conclusão de curso (TCC) e pesquisas de iniciação cientifica, além de publicações em eventos científicos, nacional e internacional, e em um journal.