Procesamiento en paralelo con menor consumo energético

Muchas aplicaciones multimedia del futuro se basan en la realización de gran cantidad de procesos en paralelo y procesan conjuntos masivos de datos. Un ejemplo sencillo: una media de 1 000 000 de números pueden calcularse utilizando un promedio de 1 000 conjuntos de 1 000 números para posteriormente tomar el promedio de esas 1 000 medias.

El proyecto RAVEN10, financiado con fondos europeos, se puso en marcha para desarrollar arquitecturas multinúcleo de procesamiento de datos en paralelo y gran eficiencia energética a fin de sustentar nodos tecnológicos muy pequeños (nanoescala) para dichas aplicaciones. En gran medida, el control de la reconfiguración dinámica en el microcircuito reduce unos costes de fabricación que pueden llegar a decenas de millones de euros en el caso de los chips modernos de una sola aplicación.

Para lograr sus objetivos, el equipo científico de este proyecto estudió esquemas de escalamiento dinámico de voltaje y frecuencia (DVFS), el cual constituye una técnica de gestión eléctrica y térmica para adaptar la tensión o la frecuencia del procesador en función de las necesidades de cálculo. La arquitectura RAVEN (Resilient Architecture with Vector-thread Execution, o arquitectura resistente con ejecución de hilo vectorial) aplica dichos esquemas individualmente a cada núcleo a través de un procesador de control independiente.

El equipo de este proyecto empleó con éxito conversores CC-CC reconfigurables con capacidad conmutada (SC), un subconjunto de compresores de potencia CC-CC que permite cambiar de tensión eficazmente. Sin embargo, fue necesario solucionar determinados aspectos técnicos para mantener esquemas DVFS de grano fino con grandes cantidades de procesadores.

Los esquemas adaptativos de reloj han convertido las pérdidas de SC asociadas a la resistencia de salida del conversor en una ventaja, gracias a que el equipo científico redujo la frecuencia de conmutación y obtuvo elevadas eficacias de conversión. Además, el análisis energético del sistema en base a una tensión variable en lugar de fija favoreció una optimización global del proceso. El sistema utiliza el punto mínimo de energía para cada procesador en lugar de para cada tarea. Una solución innovadora para el número finito de ratios de conversión redujo la energía por núcleo hasta un 25 % en comparación con los esquemas DVFS que emplean reguladores de tensión convencionales.

Actualmente, se evalúa el comportamiento de un chip de prueba con esquema DVFS completo implantado en un único núcleo. La implantación del concepto RAVEN posibilitará una reducción drástica del consumo energético y del precio del procesamiento de vídeo y voz en los teléfonos móviles y las tabletas que disponen de control de la reconfiguración dinámica en microcircuitos. Los posibles ahorros energéticos anuales de los teléfonos móviles de una sola marca podrían equivaler al de decenas de miles de hogares, un logro nada desdeñable si se tiene en cuenta la cantidad de dispositivos portátiles utilizados en el mundo.