美打破常規(guī)設(shè)計(jì)研發(fā)“非精確”處理器

在過(guò)去的50年中，“精確”是整個(gè)計(jì)算機(jī)芯片行業(yè)始終追求的目標(biāo)。然而，美國(guó)賴斯大學(xué)的研究人員表示，他們新開發(fā)的則是“非精確”（inexact）計(jì)算機(jī)芯片。這種芯片的設(shè)計(jì)由于允許處理過(guò)程偶爾出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此提高了芯片的處理能力和資源的使用效率。

近日，在意大利召開的計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）國(guó)際計(jì)算前沿會(huì)議上，研究人員展示了他們開發(fā)的計(jì)算機(jī)芯片樣品，同時(shí)關(guān)于非精確芯片的論文獲得了大會(huì)最佳論文獎(jiǎng)。據(jù)悉，參與研究項(xiàng)目的科研人員除來(lái)自賴斯大學(xué)外，還有的來(lái)自新加坡南洋工學(xué)院、瑞士電子和微技術(shù)中心以及美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校。

允許出現(xiàn)適當(dāng)錯(cuò)誤來(lái)減少能耗

研究項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、可持續(xù)和應(yīng)用信息動(dòng)態(tài)研究所（由賴斯大學(xué)和南洋工學(xué)院合辦）主任克瑞西納•帕萊姆表示，他們的研究始于2003年，新的進(jìn)展說(shuō)明人們有可能從非精確芯片的研究和應(yīng)用中獲得極大收益，其性能達(dá)到并超過(guò)了研究人員原有的期望。

目前，可持續(xù)和應(yīng)用信息動(dòng)態(tài)研究所正與瑞士電子和微技術(shù)中心合作，共同研發(fā)耗電少的下一代非精確芯片新技術(shù)。計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)國(guó)際計(jì)算前沿會(huì)議聯(lián)合主席、惠普實(shí)驗(yàn)室著名技術(shù)專家保羅•法拉伯奇說(shuō)，關(guān)于非精確芯片的論文得到了此次會(huì)議所有分會(huì)同行的最高評(píng)價(jià)，近似計(jì)算的研究完全符合計(jì)算前沿會(huì)議的前瞻性特征，它為低能耗地綜合利用非精確硬件和傳統(tǒng)處理元件打開了大門。

研究人員說(shuō)，非精確芯片低能耗概念十分簡(jiǎn)單，那就是允許處理單元出現(xiàn)適當(dāng)?shù)腻e(cuò)誤而減少能耗。通過(guò)聰明地管理處理錯(cuò)誤率和限定產(chǎn)生錯(cuò)誤的計(jì)算，芯片研究人員發(fā)現(xiàn)，他們能夠在減少能耗的同時(shí)極大地促進(jìn)芯片性能。

“修剪”是非精確芯片設(shè)計(jì)方法的一個(gè)例子，它是指去掉傳統(tǒng)芯片數(shù)字電路中某些很少使用的部分。另一個(gè)例子名為“電壓限制調(diào)節(jié)”，它用損失部分計(jì)算性能來(lái)提高處理速度以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步減少能耗的目標(biāo)。

在2011年的測(cè)試中，研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)“修剪”傳統(tǒng)設(shè)計(jì)芯片，能以3種方式提高芯片的性能：速度提高兩倍、能耗減少50%以及尺寸縮小一半。在新完成的研究中，他們深入鉆研并將更多理念用于最初的芯片處理元件中，將芯片能耗、尺寸和速度方面的收益因素考慮進(jìn)來(lái)，非精確芯片的效率比普通芯片提高了7.5倍。如果讓芯片的出錯(cuò)率達(dá)到8%，那么非精確芯片的效率將提高15倍。

非精確芯片已投入多種應(yīng)用

瑞士電子和微技術(shù)中心負(fù)責(zé)合作項(xiàng)目的研究人員克里斯蒂安•恩茲表示，某些特殊的應(yīng)用能夠容忍相當(dāng)大的錯(cuò)誤。舉例來(lái)說(shuō)，人眼本身具有錯(cuò)誤糾正機(jī)制，利用非精確加法器來(lái)處理圖像顯示，小于0.54%的錯(cuò)誤幾乎難以察覺，而錯(cuò)誤率高達(dá)7.5%時(shí)仍可獲得可辨認(rèn)的圖像。

帕萊姆認(rèn)為，“修剪”技術(shù)先期的應(yīng)用可以是特殊應(yīng)用處理器方面，如用于助聽器、照相機(jī)和其他電子產(chǎn)品的芯片上。

非精確芯片是可持續(xù)和應(yīng)用信息動(dòng)態(tài)研究所開發(fā)的I平板教育電腦的主要部件，該電腦成本低廉，專門為印度無(wú)電力供應(yīng)和缺少教師的學(xué)校所設(shè)計(jì)。印度官方還在今年3月宣布了未來(lái)3年為初中和高中提供5萬(wàn)臺(tái)I平板電腦的計(jì)劃。

I平板電腦的硬件和圖像內(nèi)容已在開發(fā)中，非精確芯片的使用有望將能耗減少50%，能夠使用小型太陽(yáng)能電池板為其提供電能，如同常見的太陽(yáng)能計(jì)算器。帕萊姆表示，擁有非精確芯片的首臺(tái)I平板電腦和助聽器樣機(jī)將在2013年推出。

與傳統(tǒng)的圖像處理（左）相比，利用非精確加法器來(lái)處理圖像，小于0.54%的錯(cuò)誤幾乎難以察覺（中），而錯(cuò)誤率高達(dá)7.58%時(shí)仍可獲得可辨認(rèn)的圖像（右）。

非精確芯片原型