计算机科学：随着摩尔定律的放缓，洞察架构佳博体育的发展却在加速
上学期，Adwait Jog坐在McGlothlin-Street Hall的一张桌子旁，发表了他对一个长期存在的观察结果的看法，这个观察结果预测了几十年来计算能力的扩展。
“摩尔定律正在放缓，”他说。乔格接着解释说，1965年预测半导体技术将快速、有规律地发展的观察结果已经过时了。
至少在可预见的未来，计算机科学家不能通过扔更多的硅来解决大多数问题。摩尔定律在一个最不方便的时候失效了，这也于事无补：大数据应用的需求开始堆积。
Jog是威廉玛丽大学计算机科学系的助理教授。他和其他计算机科学家正在努力通过改进机器架构来提高计算机的效率，这对于从机器学习到基因组学等项目的计算处理是必要的。
随着摩尔定律时代的结束，改进中央处理器（CPU）的局限性变得清晰起来。人们正在开发更快、更安全、更高效的计算新方法。Jog的Insight Architecture Lab正在探索加速器的潜力，加速器是一种增强计算机某一特定功能的组件。他们的工作得到了一些资助机构的支持，尤其是美国国家科学基金会。
Insight架构佳博体育的成员在论文中概述了他们的加速器进展，这些论文已被顶级计算架构会议接受，包括IEEE高性能计算机架构研讨会和ACM编程语言和操作系统架构支持国际会议。
Jog解释说，加速器是作为计算机架构的专业元素而开发的。一个常见的例子是GPU -图形处理单元-与CPU一起工作以提高显示性能。
加速器提供了许多优点，使它们能够在后摩尔定律时代发挥更大的作用。首先，它们的设计对于高吞吐量和并行性是最优的——划分代码以同时在多个处理器上运行。它们能很好地处理大量数据，运行速度快，而且更节能。但加速器确实有一个缺点，而且是一个很大的缺点。
“加速器非常擅长做一件事，但它们不是通用的，”他说。“通用处理器和专用架构之间总是存在紧张关系。”
Jog和他的研究生团队正在努力减轻专业和一般之间的紧张关系。Insight架构佳博体育的成员准备了几个月的时间，在一系列顶级计算架构会议上，以一系列论文的形式展示他们在基于加速器的解决方案方面的进展和想法。佳博体育的成员都是博士生，他们是Mohamed Ibrahim， Haonan Wang， Gurunath Kadam和Hongyuan Liu。
有些加速器比其他的更专业。GPU是一个通用加速器，Jog解释道。与CPU相比，GPU是专门的，但在加速器世界中，它被归类为通才。Jog解释说，计算机体系结构领域的超级专家被称为特定领域加速器。
Insight架构佳博体育正在努力克服领域特定加速器带来的挑战，以便将超专业单元整合到下一代计算中。
因为特定领域的设备是为各种计算目的而设计和编程的，所以有太多不同的类型，以至于无法合理地将大量这些专用电路合并到一个有效的计算体系结构中。此外，特定领域的设计为派生逻辑编程的实现带来了另一层挑战。
最后，但并非最不重要的一点是，Jog指出，当涉及到针对特定领域加速器的故障和黑客攻击的保护时，人们知之甚少。
Jog将佳博体育的方法描述为“三个I”：
- 改进通用加速器
- 将特定领域的硬件注入通用加速器
- 使电路免受攻击和故障。
Jog解释说，他们在第一和第二I上的工作是针对AP，即自动处理器，这是美光公司几年前推出的一种新设备。他解释说，AP是通过开发更专业的架构来改善计算机操作的趋势的一部分。
计算机效率通常通过称为虚拟化的概念来实现。Jog通过比较计算机内存和公司停车位的分配来解释虚拟化。就像公司停车场的插槽一样，今天的计算机内存是一种有限的、宝贵的资源，随着数据集的增长，虚拟化变得更加具有挑战性。
“你可以分配更多的停车许可证，而不是停车位，”他说。“然后你只希望人们不要排很长的队，最后因为找不到地方而回家。
“但如果你知道每个员工的到达和下班时间，那么你就可以更有效地分配，”他补充说。
Automata的工作是一个开始，Insight Architecture Lab正在超越这一工作。
他说：“我们想做的是把我们在《自动机》中常用的一些东西放到GPU中。”这个想法是让GPU做更多的工作，变得更有效率，所以架构不依赖于大量特定领域的加速器。
“我的意思是，我不想让我的系统里有成千上万个不同的加速器！我可能没有预算为基因组学和机器学习提供加速器，”Jog说。“我的设想是整合一些加速器——我想让它们更强大、更安全。”
他说，开发一系列灵巧、高效和安全的加速器是他的团队的一个主要重点。他们已经取得了进展。他们设计了一款基于GPU的加速器，正如Jog所说，它“从不同领域汲取了优秀的元素”，并被证明比之前的GPU实现性能提高了26倍。
佳博体育也在研究新加速器（第三个I）的安全性。Jog说，在基于虚拟化云计算的时代，许多用户正在访问相同的硬件，并不是所有这些用户都是合法的。一些用户在那里窃取数据，安全是必要的。
“安全是一个挑战，”他说。“你想要效率；你需要安全感。怎样才能两者兼得呢？这很难。”
洞察架构佳博体育的成员Gurunath Kadam对加速器安全性进行了专门研究。Jog解释说，一类试图进入系统的尝试被称为侧通道攻击。基本上，侧信道攻击是基于以计算时间为中心的一系列推断的探测。
“这里有一个简单的例子，”Jog说。“你有一个1和一个0，好吗？”我不知道是1还是0。但是我知道，如果你用1做一个特定的计算，它需要10秒，一个0需要20秒。所以如果我看到你的计算花了10秒，我就知道你有一个1。”
针对侧信道攻击的一种防御实质上是“隐藏时钟”，通过使所有计算花费相同的时间。但是隐藏时钟的安全性需要在一定程度上牺牲效率。而且总是有新的方法试图渗透一个系统。卡达姆说，佳博体育的目标是积极主动。
“我们的主要目标是发现新的攻击，如果有的话，并提供解决方案，”他说。
