La distribuzione degli acceleratori hardware migliora significativamente la potenza computazionale di un sistema scartando attività specifiche e computazionalmente intensive dalla CPU per uso generale a unità hardware specializzate progettate per tali compiti. Ciò porta a diversi effetti chiave sulle prestazioni e sull'efficienza del sistema:
** 1. Aumento delle prestazioni attraverso il parallelismo e la specializzazione
Gli acceleratori sono progettati per eseguire operazioni particolari molto più velocemente delle CPU sfruttando il parallelismo e i circuiti specializzati. Ad esempio, gli acceleratori crittografici hardware possono elaborare molte operazioni crittografiche contemporaneamente, completando le attività molto più rapidamente di una CPU che le gestisce in sequenza. Questa specializzazione consente agli acceleratori di fornire rapidi accelerazioni per i loro carichi di lavoro target, migliorando spesso le prestazioni per ordini di grandezza rispetto all'esecuzione solo della CPU [8] [5] [7].
** 2. Efficienza energetica migliorata
Contrariamente alla credenza tradizionale che l'aggiunta di hardware aumenta il consumo di energia, gli acceleratori attentamente progettati possono ridurre la potenza generale del sistema. Questo perché gli acceleratori possono eseguire operazioni in modo più efficiente, richiedendo meno cicli di clock e consentendo al sistema di funzionare a frequenze di clock più basse mantenendo o migliorando le prestazioni. Ad esempio, l'aggiunta di acceleratori a un sistema incorporato ha ridotto i cicli di esecuzione di quasi 90 volte e tagliare significativamente il consumo di energia, a volte a meno di un quinto della potenza sola della CPU, consentendo frequenze operative più basse e calcolo più efficiente [5].
** 3. Scaricare il carico di lavoro della CPU e abilitare applicazioni più complesse
Gestione di compiti specializzati come l'elaborazione crittografica, la moltiplicazione di matrice o l'inferenza di apprendimento automatico, gli acceleratori liberano la CPU per concentrarsi su altre funzioni di sistema. Questo scarico non solo aumenta il throughput complessivo, ma consente anche l'integrazione di caratteristiche più avanzate e applicazioni complesse senza sovraccaricare il processore principale [8].
** 4. Flessibilità e adattabilità nella progettazione del sistema
Alcuni acceleratori, come gli FPGA, offrono sia un'elevata potenza computazionale che l'efficienza energetica, rendendoli adatti a compiti di accelerazione flessibile ai margini delle reti. La distribuzione degli acceleratori consente di personalizzare i sistemi per carichi di lavoro specifici, bilanciamento delle prestazioni, potenza e vincoli di costo in modo efficace [4] [5].
** 5. Sfide e gestione a livello di sistema
L'eterogeneità introdotta dagli acceleratori richiede un'attenta supporto del sistema operativo per allocare le risorse in modo efficiente e pianificare le attività. Una corretta gestione garantisce che gli acceleratori siano utilizzati in modo ottimale, massimizzando i loro benefici per le prestazioni mantenendo la stabilità del sistema e l'efficienza energetica [7].
** 6. Riduzione dei movimenti dei dati e spese generali di comunicazione
Negli acceleratori progettati per attività come la moltiplicazione della matrice, il riutilizzo dei dati su chip e il buffering efficiente riducono la necessità di frequenti trasferimenti di dati tra memoria ed elementi di elaborazione, minimizzando i colli di bottiglia della larghezza di banda e i costi energetici associati al movimento dei dati [10].
In sintesi, la distribuzione degli acceleratori migliora la potenza computazionale di un sistema consentendo un'esecuzione più rapida ed efficiente dal punto di vista energetico di compiti specializzati, liberando risorse CPU e consentendo carichi di lavoro più complessi e esigenti. Ciò si traduce in significativi guadagni di prestazioni e risparmi di potenza, particolarmente importanti negli ambienti di elaborazione incorporati, a bordo e ad alte prestazioni [4] [5] [7] [8] [10].
Citazioni:
[1] https://www.ultralytics.com/blog/understanding-the-impact-of-compute-power-on-innovations
[2] https://premioinc.com/blogs/blog/performance-ackcelerars-in-the-context-of-computing-hardware
[3] http://www.dre.vanderbilt.edu/~gokhale/www/papers/hotedge20_hwaccelreco.pdf
[4] https://www.scienceirect.com/science/article/abs/pii/s006524582300075x
[5] https://cdrdv2-public.intel.com/650470/wp-011112-hw-reduce-power.pdf
[6] https://www.usenix.org/system/files/osdi24-ma-jiacheng.pdf
[7] https://scail.cs.wisc.edu/papers/hotpar12_rinnegan.pdf
[8] https://www.appviewx.com/blogs/hardware-cryptographic-accelerars-to-enhance-security-without-slowing-down/
[9] https://publications.ics.forth.gr/tech-reports/2018/2018.tr473_ackcelerator_deployment_models_heterogeneous_processing.pdf
[10] https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/pmc11767631/