Nasadenie hardvérových urýchľovačov významne zvyšuje výpočtový výkon systému vykladaním konkrétnych, výpočtovo náročných úloh zo všeobecného procesora CPU do špecializovaných hardvérových jednotiek určených pre tieto úlohy. To vedie k niekoľkým kľúčovým účinkom na výkon a efektívnosť systému:
** 1. Zvýšený výkon prostredníctvom paralelizmu a špecializácie
Urýchlení sú skonštruované tak, aby vykonávali konkrétne operácie oveľa rýchlejšie ako CPU využívaním paralelizmu a špecializovaných obvodov. Napríklad hardvérové kryptografické urýchľovače môžu súčasne spracovať mnoho kryptografických operácií a dokončiť úlohy oveľa rýchlejšie ako CPU, ktoré ich postupne zaobchádza. Táto špecializácia umožňuje urýchľovačom poskytovať dramatické zrýchlenie ich cieľového pracovného zaťaženia, čo často zlepšuje výkonnosť podľa veľkosti v porovnaní s vykonávaním iba CPU [8] [5] [7].
** 2. Zlepšená energetická účinnosť
Na rozdiel od tradičného presvedčenia, že pridanie hardvéru zvyšuje spotrebu energie, starostlivo navrhnuté urýchľovače môžu znížiť celkový systém systému. Dôvodom je skutočnosť, že urýchľovače môžu efektívnejšie vykonávať operácie, čo si vyžaduje menej hodinových cyklov a umožňuje systému bežať pri nižších hodinových frekvenciách pri zachovaní alebo zlepšovaní výkonu. Napríklad pridanie urýchľovačov do zabudovaného systému znížilo cykly vykonávania takmer 90-násobne a výrazne znížite spotrebu energie, niekedy k menej ako jednej pätine výkonu CPU-Alone, a to tým, že umožní nižšie prevádzkové frekvencie a efektívnejšie výpočet [5].
** 3. Vykladanie pracovného zaťaženia CPU a umožnenie zložitejších aplikácií
Zvládaním špecializovaných úloh, ako je kryptografické spracovanie, násobenie matrice alebo inferencia strojového učenia, urýchľovače uvoľnili CPU, aby sa zamerali na iné systémové funkcie. Toto vykladanie nielen zvyšuje celkovú priepustnosť, ale tiež umožňuje integráciu pokročilejších funkcií a zložitých aplikácií bez toho, aby preťažilo hlavný procesor [8].
** 4. Flexibilita a adaptabilita v návrhu systému
Niektoré urýchľovače, napríklad FPGA, ponúkajú vysokú výpočtovú silu a energetickú účinnosť, vďaka čomu sú vhodné na flexibilné úlohy zrýchlenia na okraji sietí. Nasadenie urýchľovačov umožňuje efektívne prispôsobenie systémov pre konkrétne pracovné zaťaženie, vyrovnávanie výkonu, energie a nákladových obmedzení [4] [5].
** 5. Výzvy a riadenie na úrovni systému
Heterogenita zavedená urýchľovačmi vyžaduje starostlivú podporu systému a operačného systému na efektívne alokáciu zdrojov a naplánovanie úloh. Správne riadenie zaisťuje, že urýchľovače sa optimálne využívajú, pričom maximalizujú svoje výhody výkonnosti pri zachovaní stability systému a výkonovej účinnosti [7].
** 6. Zníženie pohybov údajov a režijných nákladov na komunikáciu
V akcelerátoroch určených pre úlohy, ako je násobenie matrice, opätovné použitie údajov na čipoch a efektívne vyrovnávacie postavenie znižujú potrebu častých prenosov údajov medzi pamäťovými a spracovateľskými prvkami, pričom minimalizuje prekážky šírky pásma a náklady na energiu spojené s pohybom dát [10].
Stručne povedané, nasadenie urýchľovačov zvyšuje výpočtovú silu systému tým, že umožňuje rýchlejšie a energeticky efektívnejšie vykonávanie špecializovaných úloh, uvoľnenie zdrojov CPU a umožnením zložitejších a náročnejších pracovných zaťažení. To má za následok významné zvýšenie výkonnosti a úspory energie, ktoré sú zvlášť dôležité vo vložených, okrajových a vysoko výkonných výpočtových prostrediach [4] [5] [7] [8] [10].
Citácie:
[1] https://www.ultralytics.com/blog/understact-the-impact-pon-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/hotege20_hwaccelreco.pdf
[4] https://www.scicenceRirect.com/science/article/abs/pii/S006524582300075X
[5] https://cdrdv2-dublic.intel.com/650470/wp-01112-hw-reduce-power.pdf
[6] https://www.usenix.org/system/files/osdi24-ma-Jiacheng.pdf
[7] https://sail.cs.wisc.edu/papers/hotpar12_rinnegan.pdf
[8] https://www.appviewx.com/blogs/hardware-cryptograptographic-accelerators-to-enhance-security-without-slowing-down/
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/