Wdrożenie akceleratorów sprzętowych znacznie zwiększa moc obliczeniową systemu poprzez rozładowanie określonych, intensywnych obliczeniowo zadań od procesora ogólnego przeznaczenia do specjalistycznych jednostek sprzętowych zaprojektowanych dla tych zadań. Prowadzi to do kilku kluczowych wpływów na wydajność i wydajność systemu:
** 1. Zwiększona wydajność poprzez równoległość i specjalizacja
Akceleratory są zaprojektowane do wykonywania poszczególnych operacji znacznie szybciej niż procesory poprzez wykorzystanie równoległości i specjalistycznych obwodów. Na przykład sprzętowe akceleratory kryptograficzne mogą jednocześnie przetwarzać wiele operacji kryptograficznych, wykonując zadania znacznie szybciej niż procesor, który obsługuje je sekwencyjnie. Ta specjalizacja pozwala akceleratorom dostarczyć dramatyczne przyspieszenie do docelowych obciążeń, często poprawiając wydajność o rzędy wielkości w porównaniu z wykonaniem tylko przez procesor [8] [5] [7].
** 2. Poprawa wydajności energetycznej
W przeciwieństwie do tradycyjnego przekonania, że dodanie sprzętu zwiększa zużycie energii, starannie zaprojektowane akceleratory mogą zmniejszyć ogólną moc systemu. Wynika to z faktu, że akceleratory mogą wydajniej wykonywać operacje, wymagając mniejszej liczby cykli zegara i umożliwiając systemowi działanie przy niższych częstotliwościach zegara przy jednoczesnym utrzymaniu lub poprawie wydajności. Na przykład dodanie akceleratorów do wbudowanego systemu zmniejsza cykle wykonania prawie 90-krotnie i znacznie zmniejsza zużycie energii, czasem do mniej niż jednej piątej mocy cpu-alone, umożliwiając niższe częstotliwości robocze i bardziej wydajne obliczenia [5].
** 3. Obciążenie obciążenia procesora i umożliwianie bardziej złożonych aplikacji
Obsługując wyspecjalizowane zadania, takie jak przetwarzanie kryptograficzne, mnożenie macierzy lub wnioskowanie o uczeniu maszynowym, akceleratory zwolnią procesor, aby skupić się na innych funkcjach systemu. To odciążenie nie tylko zwiększa ogólną przepustowość, ale także umożliwia integrację bardziej zaawansowanych funkcji i złożonych aplikacji bez przeciążenia głównego procesora [8].
** 4. Elastyczność i możliwość adaptacji w projektowaniu systemu
Niektóre akceleratory, takie jak FPGA, oferują zarówno wysoką moc obliczeniową, jak i efektywność energetyczną, co czyni je odpowiednimi do elastycznych zadań przyspieszenia na krawędzi sieci. Wdrażanie akceleratorów pozwala na dostosowanie systemów do określonych obciążeń, równoważenia wydajności, mocy i ograniczeń kosztów [4] [5].
** 5. Wyzwania i zarządzanie systemem
Heterogeniczność wprowadzona przez akceleratorów wymaga starannego obsługi systemu i systemu operacyjnego, aby skutecznie przydzielić zasoby i planować zadania. Właściwe zarządzanie zapewnia optymalnie wykorzystanie akceleratorów, maksymalizując ich korzyści z wydajności przy jednoczesnym utrzymaniu stabilności systemu i wydajności energetycznej [7].
** 6. Redukcja przemieszczania się danych i kosztów komunikacji
W akceleratorach zaprojektowanych do zadań takich jak mnożenie macierzy, ponowne wykorzystanie danych na chipie i wydajne buforowanie zmniejszają potrzebę częstego transferu danych między pamięcią a elementami przetwarzania, minimalizując wąskie gardła i koszty energii związane z ruchem danych [10].
Podsumowując, wdrażanie akceleratorów zwiększa siłę obliczeniową systemu, umożliwiając szybsze, bardziej energooszczędne wykonywanie wyspecjalizowanych zadań, uwalniając zasoby procesora i umożliwiając bardziej złożone i wymagające obciążenia. Powoduje to znaczne wzrosty wydajności i oszczędności energii, szczególnie ważne w środowiskach osadzonych, krawędzi i wysokiej wydajności [4] [5] [7] [8] [10].
Cytaty:
[1] https://www.ultralytics.com/blog/understanding-the-impact-of-compute-power-on-ai-innovations
[2] https://premioinc.com/blogs/blog/performance-accelerators-in-the-context-of-computing-hardware
[3] http://www.dre.vanderbilt.edu/~gokhale/www/papers/hotedge20_hwaccelreco.pdf
[4] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/s006524582300075x
[5] https://cdrdv2-public.intel.com/650470/wp-01112-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-cryptografi-accelerators-to-enhance-security-without-slowing-down/
[9] https://publications.ics.forth.gr/tech-reports/2018/2018.tr473_accelerator_deployment_models_heterogeneous_processing.pdf
[10] https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/pmc11767631/