الحوسبة باستخدام الذاكرة

الموسوعة الحرة

الحوسبة باستخدام الذاكرة (أو الحوسبة داخل الذاكرة ، IMC) هي نموذج يُجري العمليات الحسابية مباشرةً داخل مصفوفات الذاكرة (RAM، RRAM، PCM) بدلاً من نقل البيانات إلى وحدة معالجة مركزية منفصلة، ​​مما يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة وزمن الاستجابة. وهي تعالج عنق زجاجة فون نيومان من خلال تمكين العمليات المتوازية للبيانات، كما هو الحال في الشبكات العصبية وتحليلات البيانات الضخمة، بسرعات تصل إلى آلاف المرات أسرع من طرق التخزين التقليدية. يمكن أن تتبع هذه النماذج إما نموذج حوسبة مكاني بحت أو نموذج حوسبة زمني. ويهدف النهج الأخير إلى تقليل النفقات العامة في مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGAs) . وتختلف الحوسبة باستخدام الذاكرة عن الحوسبة داخل الذاكرة أو مفهوم المعالج داخل الذاكرة .

تفاصيل

يمكن لهذه النماذج أن تتبع إما نموذج حوسبة مكانية بحتة، كما هو الحال في مصفوفة البوابات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGA)، أو نموذج حوسبة زمنية، حيث يتم تقييم دالة ما عبر دورات ساعة متعددة. يهدف النهج الأخير إلى تقليل الحمل الزائد للوصلات القابلة للبرمجة في FPGA عن طريق دمج موارد الوصلات داخل عنصر الحوسبة. ويستخدم مصفوفات ذاكرة ثنائية الأبعاد كثيفة لتخزين جداول بحث كبيرة متعددة المدخلات والمخرجات. تختلف الحوسبة باستخدام الذاكرة عن الحوسبة في الذاكرة أو مفاهيم المعالج في الذاكرة (PIM)، والتي دُرست على نطاق واسع في سياق دمج المعالج والذاكرة على نفس الشريحة لتقليل زمن استجابة الذاكرة وزيادة عرض النطاق الترددي. تسعى هذه البنى إلى تقليل المسافة التي تقطعها البيانات بين المعالج والذاكرة. يُعد مشروع بيركلي IRAM أحد المساهمات البارزة في مجال بنى PIM.

تُستخدم منصات الحوسبة المزودة بذاكرة عادةً لتوفير ميزة إعادة تكوين الأجهزة. توفر منصات الحوسبة القابلة لإعادة التكوين مزايا من حيث انخفاض تكلفة التصميم، وسرعة طرح المنتج في السوق، وسرعة إنشاء النماذج الأولية ، وسهولة تخصيص أنظمة الأجهزة. تُعدّ مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGAs) منصة حوسبة قابلة لإعادة التكوين شائعة لتنفيذ الدوائر الرقمية، وهي تتبع نموذج حوسبة مكاني بحت. منذ ظهورها عام 1985، استمر الهيكل الأساسي لمصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة في التكوّن من مصفوفة ثنائية الأبعاد من كتل منطقية قابلة للتكوين (CLBs) ومصفوفة توصيل قابلة للبرمجة. [ 1 ] يهيمن تصميم التوصيل البيني القابل للبرمجة (PI) المعقد على أداء مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة واستهلاكها للطاقة إلى حد كبير. [ 2 ] [ 3 ] تتمثل إحدى الطرق الفعالة لتقليل تأثير تصميم التوصيل البيني القابل للبرمجة في مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة في وضع وحدات بحث صغيرة (LUTs) متقاربة (تُعرف باسم المجموعات) والسماح بالاتصال داخل المجموعة باستخدام التوصيلات البينية المحلية. نظراً لمزايا بنية FPGA العنقودية، أدرجها كبار موردي FPGA في منتجاتهم التجارية. [ 4 ] [ 5 ] كما أُجريت دراسات لتقليل الحمل الزائد الناتج عن PI في FPGAs الدقيقة، وذلك بربط جداول البحث (LUTs) متعددة المدخلات والمخرجات الأكبر حجماً بكتل الذاكرة المدمجة. ورغم اتباعها نموذجاً مشابهاً للحوسبة المكانية، إلا أن جزءاً من وظائف المنطق يُنفذ باستخدام كتل الذاكرة المدمجة، بينما يُنفذ الجزء المتبقي باستخدام جداول بحث أصغر حجماً. [ 6 ] يمكن لهذا الربط غير المتجانس تحسين المساحة والأداء بتقليل مساهمة الوصلات البينية القابلة للبرمجة.

على عكس نموذج الحوسبة المكانية البحتة لـ FPGA، تمّت دراسة منصة حوسبة قابلة لإعادة التكوين تستخدم نموذج حوسبة زمنية (أو مزيجًا من النموذجين الزمني والمكاني) [ 7 ] [ 8 ] بهدف تحسين الأداء واستهلاك الطاقة مقارنةً بـ FPGA التقليدية. تُعرف هذه المنصات باسم "الحوسبة القائمة على الذاكرة" (MBC)، وتستخدم مصفوفة ذاكرة ثنائية الأبعاد كثيفة لتخزين جداول البحث (LUTs). تعتمد هذه الأطر على تقسيم دالة معقدة ( f ) إلى دوال فرعية صغيرة؛ وتمثيل هذه الدوال الفرعية كجداول بحث متعددة المدخلات والمخرجات في مصفوفة الذاكرة؛ وتقييم الدالة f على مدار دورات متعددة. تستفيد MBC من مزايا الكثافة العالية، واستهلاك الطاقة المنخفض، والأداء العالي للذاكرة النانوية. [ 8 ]

تتضمن كل وحدة حوسبة مصفوفة ذاكرة ثنائية الأبعاد لتخزين جداول البحث (LUTs)، ووحدة تحكم صغيرة لتسلسل تقييم الوظائف الفرعية، ومجموعة من السجلات المؤقتة لحفظ المخرجات الوسيطة من الأقسام الفردية. ويقوم إطار توجيه محلي سريع داخل كل وحدة حوسبة بتوليد عنوان الوصول إلى جداول البحث. ويمكن ربط وحدات حوسبة متعددة مكانيًا باستخدام بنية ربط قابلة للبرمجة تشبه بنية FPGA لتمكين تعيين الوظائف الكبيرة. ويمكن للتنفيذ المحلي متعدد الإرسال الزمني داخل وحدات الحوسبة أن يقلل بشكل كبير من متطلبات الربط القابل للبرمجة، مما يؤدي إلى تحسين كبير في حاصل ضرب الطاقة في التأخير، وتحسين قابلية توسيع الأداء عبر أجيال التكنولوجيا. ويمكن تحقيق مصفوفة الذاكرة داخل كل وحدة حوسبة باستخدام ذاكرة قابلة للعنونة بالمحتوى (CAM) لتقليل متطلبات الذاكرة بشكل كبير لبعض التطبيقات. [ 7 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ K.Compton و S. Hauck، "الحوسبة: مسح للأنظمة والبرمجيات"، ACM Surveys ، المجلد 34، العدد 2، يونيو 2002.
  2. ↑ SM Trimberger، تقنية مصفوفة البوابات القابلة للبرمجة الميدانية ، نورويل، ماساتشوستس: كلوير، 1994.
  3. ↑ أ. رحمن، س. داس، أ.ب. تشاندراكاسان، ر. ريف، "متطلبات التوصيل وتقنية التكامل ثلاثي الأبعاد لمصفوفات البوابات القابلة للبرمجة الميدانية"، معاملات IEEE لأنظمة التكامل واسعة النطاق للغاية ، المجلد 11، العدد 1، فبراير 2003.
  4. ↑ شركة زيلينكس
  5. ↑ شركة ألترا
  6. ↑ J. Cong and S. Xu, “Technology Mapping for FPGAs with Embedded Memory Blocks”, Symposium on Field Programmable Gate Array, 1998.
  7. 1 2 S. Paul and S. Bhunia, “Reconfigurable Computing Using Content Addressable Memory for Improved Performance and Resources Usage”, Design Automation Conference, 2008.
  8. 1 2 S. Paul, S. Chatterjee, S. Mukhopadhyay and S. Bhunia, “Nanoscale Reconfigurable Computing Using Non-Volatile 2-D STTRAM Array”, International Conference on Nanotechnology, 2009.