Современный мир стремительно движется в сторону повсеместного внедрения умных устройств, работающих в самых разнообразных условиях и зачастую расположенных в труднодоступных местах. В таких условиях критически важно обеспечить максимальную автономность и минимальное энергопотребление встроенных вычислительных систем. В ответ на этот вызов появился стартап Efficient Computer, заявляющий о прорыве в области энергоэффективных процессоров, который может улучшить производительность встроенных вычислений до 100 раз по сравнению с традиционными ультранизкопотребляющими CPU. Основным продуктом компании стал процессор Electron E1 — уникальное решение, которое предлагает совершенно иной подход к архитектуре процессоров общего назначения. В современном мире почти все процессоры построены на классической архитектуре фон Неймана, при которой последовательность команд извлекается из памяти по очереди, что сопровождается значительными издержками по энергии и времени.
Сам процесс выборки инструкции, сложная логика предсказания ветвлений и управление локальными кешами приводят к тому, что значительная часть потребляемой энергии уходит не на вычисления как таковые, а на управление потоком команд. Efficient Computer предлагает заменить последовательное считывание инструкций на принцип пространственного расположения команд на кремниевой пластине. В основе Electron E1 лежит массив, состоящий из множества специализированных «тайлов» — облегченных вычислительных ячеек, каждая из которых способна выполнять ограниченный набор инструкций, но при этом лишена дорогостоящих механизмов выборки и предсказания команд. Эти тайлы связаны между собой специальной программируемой сетью передачи данных, которая позволяет создавать произвольные маршруты перемещения данных по процессору. Ключевой компонент системы — это компилятор effcc, который анализирует программу, написанную на языке C или других популярных языках, и размещает каждую инструкцию на отдельном тайле.
Благодаря этому набору команд строится вертикально-пространственный «маршрут» выполнения, в котором данные проходят через серию тайлов, обрабатываясь последовательно по заранее спроектированному пути. При необходимости ветвлений в программе, например, конструкциях if/else или циклах while, сеть тайлов подстраивается аналогично переключателям на железной дороге, перенаправляя поток данных по соответствующим маршрутам. Отличительной особенностью архитектуры Electron E1 является поддержка произвольных циклов и обратных связей, что позволяет реализовать вычислительные процессы общего назначения. Это нелегкая техническая задача, которую многие предыдущие архитектуры типа dataflow не смогли решить, ограничиваясь узким набором заранее определенных сценариев. Возможность динамически менять маршруты данных в сети тайлов делает процессор полностью универсальным, сохраняя при этом высокую энергоэффективность.
За счет отказа от сложной логики управления потоком команд, многочисленных выборок инструкций и отбрасывания предсказания ветвлений, Electron E1 демонстрирует впечатляющие показатели в задачах, типичных для встроенных систем. Это быстрый преобразователь Фурье для анализа сенсорных данных, матричные умножения для задач машинного обучения и сверточные операции, необходимые в компьютерном зрении. По данным производителя, даже в сравнении с современными ARM-процессорами, чип Efficient Computer показывает от десяти до ста раз лучшую энергоэффективность. Подобные достижения вызвали большой интерес среди исследователей и экспертов в области компьютерной архитектуры. Профессор Тодд Остин из Университета Мичигана отмечает, что процессоры подобного класса минимизируют энергозатраты на все операции, не связанные с чистыми вычислениями — вытаскиванием инструкций, управлением данными и маршрутизацией.
Ракеш Кумар из Иллинойсского университета подчеркивает, что технический успех проекта весьма впечатляющий, однако основным вызовом остаются экономические аспекты — рынок ультранизкопотребляющих микроконтроллеров чрезвычайно конкурентен, и для успешного проникновения продукта необходимо четко сформулировать уникальные преимущества и убедить клиентов в их ценности. Высокая энергоэффективность процессора Electron E1 открывает новые горизонты для устройств, работающих на границе сети — так называемого edge-компьютинга. Сюда входят датчики в системах интернета вещей, автономные медицинские устройства, носимые гаджеты, а также различные системы мониторинга и управления, где важны минимальный размер, длительное время работы без подзарядки и способность выполнять сложные вычислительные задачи непосредственно на месте сбора информаци. Революционный подход Efficient Computer также меняет представление о развитии встроенной вычислительной техники. Примеры типичных dataflow-архитектур, таких как TPU от Google или Inferentia от Amazon, предназначены для исполнения строго определённых задач, чаще всего связанных с машинным обучением.
В отличие от них, Electron E1 обладает универсальной архитектурой, способной справляться с разнообразными алгоритмами, что значительно расширяет сферу его применения. Будущее архитектуры сетей тайлов, по прогнозам экспертов, может кардинально повлиять на дизайн компьютерных систем. Отказ от классического фон неймановского подхода, который доминирует в течение почти семи десятилетий, даст возможность создавать более компактные, энергоэффективные и производительные решения, особенно для применений, где время отклика и расход энергии критичны. Стоит отметить, что внедрение новых архитектур требует также развития программного обеспечения и инструментов компиляции. Компания Efficient Computer активно разрабатывает соответствующий софт, который позволяет разработчикам комфортно использовать новые возможности процессора без необходимости изучать низкоуровневые детали работы тайловой сети.
Пользователи могут писать программы на привычном C и получать энергоэффективный результат благодаря автоматической трансляции в пространственно ориентированный маршрут исполнения. Перспективы такого подхода встраиваемых вычислений особенно актуальны в контексте развития интернета вещей, 5G и 6G-сетей, умных городов и автономных транспортных средств. Чем эффективнее устройства на краю сети, тем ниже общие энергозатраты экосистемы и тем больше возможностей для автономной работы в удаленных или слабо обеспеченных электричеством местах. Однако, несмотря на технические успехи, Efficient Computer еще предстоит преодолеть рыночные вызовы и доказать выгодность своей технологии конечным пользователям и производителям оборудования. Конкуренция с устоявшимися производителями микроконтроллеров и процессоров, а также необходимость создания экосистемы разработчиков и партнеров, — это вопросы, которые будут определять дальнейшую судьбу технологии.
В любом случае, прорыв в архитектуре, предложенный стартапом, свидетельствует о том, что даже в традиционной области вычислительной техники есть пространство для радикальных инноваций. Новая концепция процессоров общего назначения с пространственно ориентированным исполнением программ способна открыть новую эру в мире энергетически эффективных вычислений, что сделает будущее умных и автономных устройств еще более ярким и масштабным.
