Přestavte si handheld, který kombinuje funkce mobilního telefonu, PDA, MP3 přehrávače, kvalitního digitálního fotoaparátu, rádia, televize a třeba ještě několika dalších zařízení. A to vše při minimálních rozměrech a nízké hmotnosti. Lze takový přístroj vyrobit?
Bez ohledu na účelnost takového zařízení jde o představu v současnosti nereálnou. Oddělená logika mikroprocesorů nutná pro každou z uvedených funkcí by vyžadovala příliš velkého množství hmoty a energie na to, aby se vešla do čehokoliv, co by vzhledem připomínalo handheld. Příznivci dlouhou dobu existujícího konceptu rekonfigurovatelného computingu se však domnívají, že tento problém má své zřejmé řešení.
Změny za chodu
Rekonfigurovatelný computing vyžaduje procesor, který je hardwarově schopen automaticky se přizpůsobit měnícím se potřebám aplikací. Na rozdíl od permanentně vyleptaných obvodů současných statických mikroprocesorů lze spoje na rekonfigurovatelných procesorech za chodu změnit pomocí softwaru nebo hardwarových mikrořadičů tak, aby odpovídaly funkci, již mají vykonávat. Otevíráním a uzavíráním milionů logických bran na těchto čipech lze jejich obvody měnit tak, aby prováděly v jednom případě zpracování signálu a v jiném třeba šifrovací funkce.
Jelikož lze s pomocí rekonfigurovatelných čipů eliminovat značnou část redundance a režie, kterou nacházíme u procesorů statických, je nižší i spotřeba energie, přičemž rychlost zpracování úloh se zvyšuje.
Kupříkladu jediný takový čip v mobilním telefonu by se mohl nastavit tak, aby vyhledal místní základnovou stanici, poté se identifikoval a nakonec přijímal a odesílal hovory; dnes tyto funkce vykonává více čipů současně.
„Snažíme se změnit hardware tak, aby byl co nejlépe přizpůsoben aktuálnímu problému,“ vysvětluje John Watson, spoluzakladatel firmy QuickSilver Technologies, která se věnuje technologiím pro adaptivní computing. Podobné tvárné čipy jsou podle Nicka Tredennicka, dřívějšího návrháře mikroprocesorů a vydavatele Gilder Technology Reportu, zásadním posunem v návrhu mikroprocesorů.
„Všechny dnešní mikroprocesory využívají v zásadě design starý 30–-40 let,“ dodává nezávislý analytik Jim Turley. „V podstatě vyrábíme stejné počítače jako naši dědečkové, ačkoliv křemíková technologie se dramaticky zlepšila,“ poznamenává.
Dlouhá cesta
I když se myšlenka může zdát radikálně nová, o koncepci adaptivního computingu se v té či oné podobě již nějakou dobu hovoří. A několik firem — od poměrně neznámých start-upů jako QuickSilver Technology a Gate Technologies až po takové společnosti jako Intel, Motorola a Infineon Technologies — se již problematice rekonfigurovatelných čipů věnuje.
Například společnost QuickSilver již nyní nabízí technologii integrovaných obvodů, která se za běhu dynamicky mění a vytváří hardware potřebný pro různé aplikace. „Jednou by se tato technologie mohla stát základem univerzálních mobilních telefonů nebo flexibilních součástek automobilů,“ říká Watson.
Obdobné snahy Intelu zahrnují projekt vývoje softwarově definovaného rádiového čipu, kde se software stará o nastavení veškeré hardwarové logiky, a to bez jakéhokoliv mechanického přepínání obvodů. „Cílem je vytvoření obecného procesoru pro bezdrátovou komunikaci, který bude schopen zajišťovat přenosy podle většího množství různých standardů a protokolů a nabízet lepší výkon než dedikované ASIC (Application-Specific Integrated Circuit),“ objasňuje Steve Pawlowski, výzkumný pracovník firmy Intel.
„Podobné snahy zůstávaly po jistou dobu komerčně opomíjené, nicméně budou klíčovou součástí budoucího nespoutaného světa,“ tvrdí Tredennick. Konvenční procesory byly navrženy pro systémy z velké části statické a čerpaly energii ze zásuvek ve zdi. V důsledku toho se většina raných návrhů mikroprocesorů zaměřovala na jednotkový poměr ceny a výkonu — a tedy neustálé zvyšování frekvence při současném udržování rozumně nízké ceny.
„S příchodem laptopů a notebooků se pozornost přesunula také do oblasti napájení mikroprocesorů,“ pokračuje Tredennick. Spolu s tím, jak se mobilními stává stále více zařízení, bude poměr ceny a výkonu na jeden watt spotřebované energie ještě důležitější.
Na hranici
Mikroprocesory s pevnými obvody se rychle blíží k hranici svých fyzických možností, kdy bude extrémně obtížné udržet rovnováhu spotřeby a výkonu po delší dobu. Rekonfigurovatelné architektury tak budou v současném mobilním světě podle Tredennicka nezbytností.
Všichni se však shodují, že dosažení tohoto cíle nebude snadné. Ve skutečnosti jen málokdo věří ve větší rozšíření dynamicky rekonfigurovatelných čipů již během příštích pěti let.
Pawlowski předpovídá, že nejméně do roku 2007 bude trvat, než bude možno softwarové rádio firmy Intel komerčně využít. „Nejprve musíme interně prokázat, že existuje podstatný přínos v oblasti nákladů, spotřeby energie a velikosti. Lidé, kteří se u nás zabývají napájením mobilních zařízení, očekávají delší výdrž baterií a flexibilitu při zvládání více protokolů,“ říká. „Snažíme se nalézt optimální využití.“
Technologie jako ASIC a FPGA (Field-Programmable Gate Arrays) již nabízejí některé výhody slibované adaptivními architekturami. ASIC obvody jsou čipy pro speciální účely, které určité úlohy vykonávají efektivněji než obecné mikroprocesory. FPGA jsou zařízení, jejich hardwarovou logiku lze přeprogramovat tak, aby bylo možné realizovat hardwarové aktualizace nebo opravy chyb. Přesto ASIC ani FPGA neumožňují takovou flexibilitu, jakou by měly přinést adaptivní architektury. Obě zmíněné technologie jsou také poměrně drahé a v případě FPGA mají příliš velkou spotřebu energie.
Překážky
Vytváření adaptivních čipů může být poměrně složité. Napsat program, který je schopen instruovat každou z milionů logických bran v těchto čipech tak, aby se otevřela nebo zavřela za chodu podle toho, jak je třeba obvod změnit, je neuvěřitelně komplexní úkol. „Nástroje pro navrhování hardwaru a softwaru, které by se postaraly o podobné úkoly, se teprve začínají objevovat,“ říká Pawlowski.
Podle Turleyho se také většina lidí dosud nezabývala tím, jak vytvářet a řídit počítače, které se mění za chodu. „Neexistuje zatím ani shoda v tom, pro které aplikace by byl podobný přístup skutečným přínosem,“ dodává. V daném okamžiku představují podle něj největší příležitost pro adaptivní computing mobilní zařízení.
„Někdo bude muset najít opravdu zajímavou aplikaci adaptivních systémů — pak se tato možnost může stát skutečně lákavou. Zatím však nikdo nevytvořil něco, co by bylo z komerčního hlediska úspěchem. Ale to by se mohlo začít brzo měnit,“ uzavírá Tredennick.
Tento článek je překladem z amerického Computerworldu. Český text vyšel v CW 25/2004.
