تقنية رائدة متعددة الخيوط متزامنة وغير متجانسة لجعل الحوسبة أسرع

على الرغم من أن جميع الأجهزة الجديدة من عمالقة التكنولوجيا مثل أبل وجوجل تتميز بتحسينات تدريجية - زيادة بمقدار رقم واحد في عمر البطارية، أو نانومتر أقل للمعالج، الذي لم ينتج بعد العائد الأمثل للشركات المصنعة، أو بضع ميغا بكسل إضافية - فإن السؤال هو ويطرح السؤال التالي: هل هذه التحسينات المتواضعة كافية حقًا؟ هل إضافة المزيد من الأجهزة هو الحل؟

ليس وفقًا للأستاذ المشارك هونغ وي تسينج من قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات بجامعة كاليفورنيا، ريفرسايد (UCR). هو يقول: 

"لا تحتاج إلى إضافة معالجات جديدة لأنها موجودة لديك بالفعل."

البروفيسور تسينج، مع فريق من الباحثين، طورت إطارًا برمجيًا جديدًا للمعالجة المتوازية تسمى الخيوط المتعددة المتزامنة وغير المتجانسة (SHMT). وفقًا للنتائج الأولية، فإن SHMT مستعد لتعزيز سرعة المعالجة بشكل كبير وتقليل استهلاك الطاقة من خلال الاستفادة من القدرات الكامنة للمعالجات الحالية في أجهزة الكمبيوتر الشخصية والهواتف المحمولة والأجهزة الأخرى.

تهدف SHMT، التي وصفها مجتمع التكنولوجيا بأنها "رائدة"، إلى إزالة اختناقات تدفق البيانات وتسهيل التعاون السلس بين العديد من وحدات المعالجة. قد لا يؤثر هذا الاختراق على الأجهزة الإلكترونية الشخصية فحسب، بل قد يؤثر أيضًا على مراكز البيانات وأنواع أخرى من الحوسبة المتوازية واسعة النطاق.

انقر هنا لمعرفة كيف ستمكننا الضوئيات المتقدمة من بناء هواتف ذكية أفضل.

كسر عنق الزجاجة

قبل أن نبدأ في استكشاف المجد الكامل لما يمكن تحقيقه من خلال الخيوط المتعددة المتزامنة وغير المتجانسة، دعونا أولاً نفهم القيود المفروضة على أنظمة الحوسبة الحالية. 

في معظم الأجهزة، تتعامل المكونات المختلفة، مثل وحدة المعالجة المركزية (CPU)، ووحدة معالجة الرسومات (GPU)، ووحدة معالجة الموتر (TPU)، مع المعلومات بشكل منفصل. يتم نقل البيانات من وحدة معالجة إلى أخرى، مما يؤدي غالبًا إلى حدوث "اختناقات" تعيق أداء النظام بشكل عام.

يتفاقم هذا الوضع بسبب نماذج البرمجة التقليدية، التي عادةً ما تُفوّض المهام إلى نوع واحد من المعالجات، مما يُبقي الموارد الأخرى خاملة وغير مُستغلة. وفي صدى لهذه الملاحظات، تنصّ ورقة بحثية بعنوان "تعدد الخيوط المتزامن وغير المتجانس" لكوان تشيه هسو وهونغ وي تسنغ على ما يلي: 

"تركز نماذج البرمجة الراسخة على استخدام وحدات المعالجة الأكثر كفاءة فقط لكل منطقة كود، مما يقلل من استخدام قوة المعالجة داخل أجهزة الكمبيوتر غير المتجانسة."

يأخذ SHMT انحرافًا عن هذا النهج من خلال استغلال تنوع المكونات المتعددة داخل نظام الحوسبة. ويعرف هذا المفهوم باسم عدم التجانس. ومن خلال تحليل الوظائف الحسابية وتوزيعها بين وحدات المعالجة المتاحة، يسهل SHMT المعالجة المتوازية الحقيقية. 

يؤدي هذا النهج المتمثل في تحلل الوظائف الحسابية وتوزيعها بين عدة وحدات معالجة إلى زيادة الاستفادة من الموارد المتاحة لتحسين الأداء وتوفير الطاقة. تشرح الورقة البحثية أيضًا أوجه القصور في نماذج البرمجة التقليدية من خلال الإشارة إلى أنها "لا يمكنها إلا تفويض منطقة التعليمات البرمجية حصريًا لنوع واحد من المعالجات، مما يترك موارد الحوسبة الأخرى في وضع الخمول دون المساهمة في الوظيفة الحالية". 

من ناحية أخرى، يهدف SHMT إلى التحرر من هذه القيود من خلال الاستفادة من المهارات المتميزة لكل وحدة معالجة وتعاونها في منطقة شيفرة مشتركة. ويشير المؤلفون أيضًا إلى أن تكنولوجيا الحوسبة المعاصرة متنوعة بلا شك، حيث تدمج جميع منصات الحوسبة أنواعًا متعددة من وحدات المعالجة ومسرعات الأجهزة. وهذا يتطلب نموذج برمجة قادر على تسخير قوة هذه المكونات المتنوعة بفعالية (وهو ما تهدف SHMT إلى تحقيقه تحديدًا).

ومن ثم، فإن SHMT يمهد الطريق لحوسبة أسرع وأكثر كفاءة من خلال معالجة الاختناقات في الحوسبة التقليدية الآن. 

كيف تعمل تقنية الخيوط المتعددة المتزامنة وغير المتجانسة؟

كما هو واضح، فإن إدارة وتوزيع أنشطة الحوسبة بكفاءة بين مكونات الأجهزة المختلفة هو المبدأ الأساسي وراء SHMT. 

يتضمن الإطار مجموعة من العمليات الافتراضية (VOPs) لتسهيل تفريغ المهام من تطبيق وحدة المعالجة المركزية إلى تطبيق جهاز افتراضيوفقًا للدراسة، "تتيح مجموعة من العمليات الافتراضية (VOPs) لبرنامج وحدة المعالجة المركزية (CPU) نقل وظيفة إلى جهاز افتراضي". تُسهّل هذه العمليات الافتراضية التواصل وتفويض المهام من خلال إنشاء حاجز بين البرنامج والأجهزة.

يُحسّن نظام التشغيل الأداء من خلال تقييم قدرات كل مورد من موارد الأجهزة واتخاذ قرارات جدولة ذكية أثناء تنفيذ التطبيق. ووفقًا للدراسة، "أثناء تنفيذ البرنامج، يُشغّل نظام التشغيل أجهزة افتراضية متعددة الخيوط متزامنة وغير متجانسة، لقياس قدرة مورد الأجهزة على اتخاذ قرارات الجدولة". ولتحقيق أقصى قدر من كفاءة الموارد والتكيف مع احتياجات كل وظيفة، يُقيّم SHMT قدرات الأجهزة ديناميكيًا.

يقوم نظام وقت التشغيل بتقسيم VOPs إلى عمليات عالية المستوى (HLOPs) لتوزيعها على قوائم انتظار مهام الأجهزة المختلفة. وفقًا للدراسة، "يقسم نظام وقت التشغيل VOPs إلى واحدة أو أكثر من العمليات عالية المستوى (HLOPs) لاستخدام موارد الأجهزة المتعددة في وقت واحد." يؤدي تحليل VOPs إلى HLOPs إلى تحقيق تحكم دقيق في تخصيص الوظائف وتحقيق أقصى استفادة من كل وحدة معالجة.

تعتمد سياسة جدولة SHMT على نهج "سرقة العمل الواعية للجودة" (QAWS)، مما يضمن كفاءة استخدام الموارد وتنوع أحمال العمل. ووفقًا للدراسة، "تستخدم SHMT سياسة جدولة "سرقة العمل الواعية للجودة" (QAWS) التي لا تستنزف الموارد، بل تساعد في الحفاظ على مراقبة الجودة وتوازن أحمال العمل". بالإضافة إلى توزيع العمل بفعالية على النظام، يمنع هذا النهج أي وحدة معالجة من تخزين الموارد.

إذا أرادت SHMT تعظيم الأداء دون التضحية بالجودة، فإنها تحتاج إلى سياسة جدولة QAWS. تنص الدراسة على أن "SHMT يجب أن يضمن النتيجة دون تكبد تكاليف عامة كبيرة." ولضمان أن تكون المخرجات من وحدات المعالجة غير المتجانسة دقيقة ومتسقة، تقوم SHMT بدمج تقنيات مراقبة الجودة في الجدولة.

تعد قدرة SHMT على الاستفادة من القدرات المحددة لكل قطعة من الأجهزة ميزة إضافية كبيرة. كما تشير الدراسة، "يمكن لـ SHMT تجزئة الحساب من نفس الوظيفة إلى أنواع متعددة من موارد الحوسبة واستغلال أنواع التوازي غير المتجانسة في هذه الأثناء." يعمل SHMT على تحسين الأداء بشكل كبير لأنه يستخدم التوازي في الأنظمة غير المتجانسة لتشغيل المهام في وقت واحد عبر عدة وحدات معالج.

جانب آخر من جوانب SHMT الذي من المفترض أن يكون مرنًا وقابلاً للتكيف هو نظام وقت التشغيل. ووفقًا للدراسة، "بما أن HLOPs مستقلة عن الأجهزة، فيمكن لنظام التشغيل تعديل مهمة المهمة حسب الحاجة." ونظرًا لقدرته على التكيف، يمكن لـ SHMT الاستجابة بسرعة للتغيرات في توفر الأجهزة أو متطلبات عبء العمل، مما يحافظ على تشغيل النظام بأعلى كفاءة وأداء.

بشكل عام، تحدد الدراسة جميع الخطوات اللازمة لفهم كيفية عمل SHMT، مع لفت الانتباه إلى الأجزاء والعمليات المهمة التي تسمح لها بتحقيق كفاءة وفعالية ملحوظة في بيئات الحوسبة غير المتجانسة. بفضل SHMT، الذي يستخدم VOPs وHLOPs واستراتيجية جدولة QAWS لإحداث ثورة في المعالجة المتوازية، فإن عصرًا جديدًا من الحوسبة الفعالة والقوية على وشك الظهور.

نتائج إيجابية من الاختبار الأولي للنموذج الأولي

لإثبات فعالية SHMT، أجرى الباحثون في جامعة كاليفورنيا ريفيرسايد اختبارات دقيقة على نموذج أولي لنظام يحاكي قدرات مراكز البيانات باستخدام مكونات قياسية في الهواتف المحمولة المعاصرة. تضمن النموذج الأولي وحدة معالجة مركزية من نوع Google Edge TPU مدمجة عبر فتحة M.2 Key E في النظام، ووحدة معالجة مركزية NVIDIA Jetson Nano مزودة بمعالج ARM Cortex-A57 رباعي النواة، و128 نواة وحدة معالجة رسومية بمعمارية Maxwell.

لتقييم أداء إطار عمل SHMT في ظل ظروف عمل مختلفة، أجرى الباحثون اختبارًا على النموذج الأولي من خلال مجموعة من برامج قياس الأداء. وكانت النتيجة مبهرة: إذ لم يقتصر أداء استراتيجية QAWS المتميزة على خفض استهلاك الطاقة بنسبة 51% فحسب، بل عززت أيضًا أداء المعالجة بمقدار 1.95 ضعفًا مقارنةً بالتقنية الأساسية.

تؤكد النتائج قدرة SHMT على تحسين أداء المعالجة وكفاءة الطاقة بشكل كبير عبر مجموعة واسعة من الأجهزة وتطبيقات البرامج. وقد أثبتت SHMT إمكانية تحقيق أقصى استفادة من إعداداتك الحالية من خلال تحسين استخدام جميع مواردها دون الحاجة إلى إنفاق مبالغ طائلة على أجهزة جديدة.

ومع الحاجة المتزايدة باستمرار إلى حوسبة أسرع وأكثر كفاءة، فإن الاختراقات مثل الخيوط المتعددة المتزامنة وغير المتجانسة ستصبح ذات أهمية متزايدة في تشكيل المسار المستقبلي للتكنولوجيا. يوضح عمل فريق بحث UCR أن العثور على حلول حوسبة طويلة المدى وعالية الأداء قادرة على التكيف مع المتطلبات الديناميكية لعالمنا الرقمي لم يكن أسهل من أي وقت مضى من خلال عمل فريق بحث UCR.

الآثار المترتبة والاتجاهات المستقبلية للخيوط المتعددة المتزامنة وغير المتجانسة

يمثل إنشاء واختبار SHMT تحولًا عميقًا في مستقبل الحوسبة. لديه القدرة على إحداث ثورة في تصميم أجهزة الكمبيوتر واستخدامها عبر العديد من التطبيقات من خلال تقديم زيادات كبيرة في الأداء وتوفير الطاقة مع الأجهزة الموجودة.

مع اكتساب SHMT لاعتماد أوسع، قد يتمكن المستهلكون من تجنب تحديثات الأجهزة باهظة الثمن والاستمتاع بأجهزة محمولة وأجهزة لوحية وأجهزة كمبيوتر محمولة وأجهزة كمبيوتر مكتبية أسرع وأكثر استجابة. ولهذا السبب، سيتمكن المزيد من الأشخاص قريبًا من شراء أجهزة كمبيوتر عالية الأداء والوصول إليها، مما يساعد على سد الفجوة الرقمية.

قد تجد مراكز البيانات وأنظمة الحوسبة واسعة النطاق الأخرى أن SHMT أداة لا غنى عنها لخفض التكاليف واستهلاك الطاقة دون التضحية بالأداء. إضافةً إلى ذلك، ستكتسب الابتكارات التي تعزز كفاءة الطاقة والاستدامة، مثل SHMT، أهميةً متزايدةً مع تصاعد المخاوف بشأن الآثار البيئية للتكنولوجيا.

على الرغم من بذل قصارى جهدهم، يدرك فريق البحث في UCR أنه لا تزال هناك عقبات يجب التغلب عليها وفرص لمزيد من البحث والتقدم في المستقبل. سيحتاج مهندسو البرمجيات وصانعو الأجهزة إلى العمل معًا بشكل وثيق لتنفيذ SHMT على نطاق واسع. وهذا يضمن أن التكنولوجيا تعمل بشكل جيد على جميع الأجهزة والأنظمة الأساسية. ومع ذلك، هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتحديد التطبيقات وأحمال العمل الأكثر ملاءمة لاستخدام هذه التكنولوجيا الثورية.

على الرغم من هذه العقبات، فقد لاحظ الأكاديميون وقطاع الأعمال على حد سواء النتائج المبكرة الواعدة لتقنية SHMT. وتزداد احتمالية أن تُحدث هذه التقنية الرائدة نقلة نوعية في صناعة الحاسوب جاذبيةً مع تقدم الدراسات وتأسيس التعاون. 

مثل العديد من الأفكار الرائعة الأخرى، يبدو أن الخيوط المتعددة المتزامنة وغير المتجانسة هي نتاج الفطرة السليمة، ولكن الشيطان يكمن في التفاصيل. على الرغم من أن فكرة وجود ذاكرة تخزين مؤقت مشتركة بين وحدات المعالجة المركزية (CPU) ووحدات معالجة الرسومات (GPU) مثيرة للاهتمام، فمن المحتمل أن تتطلب إصلاحًا شاملاً لبنية الأجهزة.

سيضمن ذلك الابتعاد عن بنية x86-64 الحالية، وسيتطلب مثل هذا التصميم تطوير بنية معالج جديدة مع ذاكرة تخزين مؤقت مشتركة L3 أو L4. وهذا بدوره سيؤدي إلى زيادة تعقيد وحدة المعالجة المركزية وربما يلغي أي فوائد مكتسبة من ذاكرة التخزين المؤقت المشتركة. 

علاوة على ذلك، تكون ذاكرة التخزين المؤقت عادةً أصغر بكثير مقارنة بذاكرة الوصول العشوائي للنظام وليست مناسبة تمامًا لتطبيقات وحدة معالجة الرسومات، التي تتطلب كميات كبيرة من الذاكرة ذات النطاق الترددي العالي. ومع ذلك، مثل التطورات ذاكرة عالمية قد تعالج هذه المخاوف. مع استمرار البحث في SHMT، سيكون من المثير أن نرى كيف تتطور هذه التكنولوجيا المبتكرة وتؤثر على مستقبل المعالجة المتوازية والحوسبة غير المتجانسة.