芯片偶尔出错并非坏事 ——美打破芯片常规设计研发“非精确”处理器

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    上图：与传统的图像处理（左）相比，利用非精确加法器来处理图像，小于0.54%的错误几乎难以察觉（中），而错误率高达7.58%时仍可获得可辨认的图像（右）。

    下图：非精确芯片原型。

    在过去的50年中，“精确”是整个计算机芯片行业始终追求的目标。然而，美国赖斯大学的研究人员表示，他们新开发的则是“非精确”（inexact）计算机芯片。这种芯片的设计由于允许处理过程偶尔出现错误，因此提高了芯片的处理能力和资源的使用效率。
    近日，在意大利召开的计算机协会（ACM）国际计算前沿会议上，研究人员展示了他们开发的计算机芯片样品，同时关于非精确芯片的论文获得了大会最佳论文奖。据悉，参与研究项目的科研人员除来自赖斯大学外，还有的来自新加坡南洋工学院、瑞士电子和微技术中心以及美国加州大学伯克利分校。
    允许出现适当错误来减少能耗
    研究项目负责人、可持续和应用信息动态研究所（由赖斯大学和南洋工学院合办）主任克瑞西纳·帕莱姆表示，他们的研究始于2003年，新的进展说明人们有可能从非精确芯片的研究和应用中获得极大收益，其性能达到并超过了研究人员原有的期望。
    目前，可持续和应用信息动态研究所正与瑞士电子和微技术中心合作，共同研发耗电少的下一代非精确芯片新技术。计算机协会国际计算前沿会议联合主席、惠普实验室著名技术专家保罗·法拉伯奇说，关于非精确芯片的论文得到了此次会议所有分会同行的最高评价，近似计算的研究完全符合计算前沿会议的前瞻性特征，它为低能耗地综合利用非精确硬件和传统处理元件打开了大门。
    研究人员说，非精确芯片低能耗概念十分简单，那就是允许处理单元出现适当的错误而减少能耗。通过聪明地管理处理错误率和限定产生错误的计算，芯片研究人员发现，他们能够在减少能耗的同时极大地促进芯片性能。
    “修剪”是非精确芯片设计方法的一个例子，它是指去掉传统芯片数字电路中某些很少使用的部分。另一个例子名为“电压限制调节”，它用损失部分计算性能来提高处理速度以实现进一步减少能耗的目标。
    在2011年的测试中，研究人员发现，通过“修剪”传统设计芯片，能以3种方式提高芯片的性能：速度提高两倍、能耗减少50%以及尺寸缩小一半。在新完成的研究中，他们深入钻研并将更多理念用于最初的芯片处理元件中，将芯片能耗、尺寸和速度方面的收益因素考虑进来，非精确芯片的效率比普通芯片提高了7.5倍。如果让芯片的出错率达到8%，那么非精确芯片的效率将提高15倍。
    非精确芯片已投入多种应用
    瑞士电子和微技术中心负责合作项目的研究人员克里斯蒂安·恩兹表示，某些特殊的应用能够容忍相当大的错误。举例来说，人眼本身具有错误纠正机制，利用非精确加法器来处理图像显示，小于0.54%的错误几乎难以察觉，而错误率高达7.5%时仍可获得可辨认的图像。
    帕莱姆认为，“修剪”技术先期的应用可以是特殊应用处理器方面，如用于助听器、照相机和其他电子产品的芯片上。
    非精确芯片是可持续和应用信息动态研究所开发的I平板教育电脑的主要部件，该电脑成本低廉，专门为印度无电力供应和缺少教师的学校所设计。印度官方还在今年3月宣布了未来3年为初中和高中提供5万台I平板电脑的计划。
    I平板电脑的硬件和图像内容已在开发中，非精确芯片的使用有望将能耗减少50%，能够使用小型太阳能电池板为其提供电能，如同常见的太阳能计算器。帕莱姆表示，拥有非精确芯片的首台I平板电脑和助听器样机将在2013年推出。（驻美国记者 毛黎）

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速度提高两倍、能耗减少50%以及尺寸缩小一半