Computational sprinting pushes smartphones till they're tired
http://phys.org/news/2012-02-sprinting-smartphones-theyre.html
Feb 29, 2012
(PhysOrg.com) -- 計算短跑（Computational sprinting，下文皆以原文呈現）對智慧型手機的電力與冷卻來說，是一種突破性的新方法，那能給予使用者大幅度、短暫的運算能力提昇，以改進當前的應用並創造新的可能性。
它在賓州大學與密西根大學的開發者迫使行動晶片超越其持續運作的限制，很像一位短跑選手在一段短距離內跑得很快。研究者將在 2/28 於 New Orleans 舉辦的 International Symposium on High Performance Computer Architecture 針對一份關於其概念的論文進行簡報。
"一般來說，這些裝置被設計成能有持續性的表現，故它們可在一直保持穩定的狀態下運作。我們提出一種電腦系統，那能進行非常密集的運算，可是之後它們會疲憊，且需要時間休息，" Thomas Wenisch 表示，研究共同作者與 U-M 電機工程與資訊科學系助理教授。
"我們問：「如果我們設計一款晶片，能以 16 倍的持續性速率運作，但只能維持 0.5 秒鐘會怎樣？我們能這麼做而不會燒掉晶片嗎？」" 這項研究的作者之一，Milo Martin 表示，賓州大工程與應用科學學院電腦與資訊科學系副教授。"我們進行計算與模擬，而我們發現確實有可能設計出像這樣的系統。"
研究者表示，智慧型手機不再因電晶體密度的增加或精密複雜的電腦晶片而獲益。它們因為電晶體所產生的熱而變得跛腳，那必須在危害晶片前排出。小型行動裝置沒有多餘空間安裝大風扇，那使筆電的溫度保持足夠的涼爽而能夠發揮作用。結果就是，每一次只有一小部份的智慧型手機晶片能安全地運作。
這種現象，稱之為「dark silicon（黑矽，下文皆以原文呈現）」 -- 形容一塊矽晶片上，在一定時間內必須維持關閉狀態的部份日益增加 -- 對許多工程師來說是一大顧慮，他們擔憂那在使行動裝置更快、更強大上會成為一種困難的物理性限制。一項估計指出，到了 2019 年，在任何時刻下，智慧型手機上的晶片只有百分之 9 的電晶體在活動。
Computational sprinting 能以某種方式運作，那對於行動裝置與筆電及桌上型電腦之間的差異有更多的考慮，從而規避 dark silicon 的問題。
一支智慧型手機很少以其最大處理能力來運作，絕大部份的時間裡，它都在口袋內待命或是等待使用者的輸入。不過一旦使用者告訴智慧型手機要進行某些密集的運算 -- 例如進行影像辨識工作、從單張照片建立全景圖、尋找導航路線或進行語音辨識或是翻譯 -- 這些結果得要儘快出爐。這些所謂的「爆發性（bursty）」活動，具有短暫的密集計算，之後手機有一段較長的發呆時間，那時裝置能夠冷卻並恢復。
"在這項研究中，我們進行一項廣泛地可行性研究並確認不同的解決方案以克服「短跑」上的工程挑戰，" Martin 表示。"工程師對於圍繞在 dark silicon 這個想法四周的技術趨勢已表現出憂慮。我們研究所指出的是，如果你能在短暫時間內讓矽晶片全力進行爆發性的密集運算，那麼矽晶片（平常的時候）幾乎沒在作用（dark）並不是個問題。"
在 computational sprinting 方案下，多達 15 個額外的核心火力全開，一同與晶片的主核心平行運作達一秒鐘。那能使裝置反應時間加速十倍。
為了要對付「短跑」的高溫，研究者提出一種散熱結構，那包含一種相變化材料的封裝 -- 有點像蠟燭的蠟 -- 那在「短跑」期間能透過「融化」來吸熱，然後當裝置休眠時，藉由凝固硬化漸漸把熱散去。
"這種響應式設計典範將能使我們辦到今日不可能辦到的事，" Wenisch 說。"人的耐心只有這麼多，所以這些互動式 apps 受限於「在我們願意等待的那短短一秒內」能做什麼事。如果 app 設計者現在能一次爆發內讓十倍的運算完成，那麼他們就能把心力放在那些今日必須要放棄的點子上。"
這篇論文的第一作者是 Arun Raghavan，Martin 在賓大的電腦與資訊科學博士生。除了 Wenisch 之外，其他密西根大學的研究者還包括 Marios Papaefthymiou（電腦科學與工程系主任）、Kevin Pipe（機械工程、電機工程與電腦科學副教授）、Yixin Luo（工科在學生）以及 Anuj Chandawalla（一位電機工程與電腦科學博士生）。
更多資訊請參見： www.cis.upenn.edu/acg/sprinting/
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http://www.wired.com/wiredenterprise/2013/08/sprinting/?mbid=social11110984
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