Datavetare utvecklar algoritmer som styr allt från obemannade flygfordon till stationära datorer till mobiltelefonerna i våra fickor. Men det kan vara komplicerat att matcha koden de utvecklar till hårdvarusystem som varierar så mycket.

"Var och en av dessa hårdvaruarkitekturer kommer med sin egen programmeringsmiljö, och du behöver en hårdvaruexpert som förstår vad som finns under huven så att du kan omstrukturera dina algoritmer för att överlappa målhårdvaruarkitekturen, sa Ali Akoglu, UA docent vid institutionen för elektro- och datateknik och vid BIO5-institutet, chef för Reconfigurable Computing Lab och UA-platschef för NSF Center for Cloud and Autonomic Computing. "Först då får du optimal prestation."

Akoglu samarbetar med forskare från Arizona State University, Carnegie Mellon University och University of Michigan, och från företag Arm, EpiSys och GDMS, att lösa detta problem genom att utveckla system på chips, eller SoCs, som tillåter mjukvaruutvecklare att fokusera sina ansträngningar på att designa algoritmer och applikationer, inte på att matcha dem med chipstrukturer. De använder ett bidrag från Defense Advanced Research Projects Agency, eller DARPA - vars UA-del är 820 $, 000 – för att göra det.

Designar för DARPA

Dessa nya chipbaserade system kommer inte bara automatiskt att mappa mjukvara till hårdvara. DARPA vill att forskare ska designa dem för att vara "domänspecifika" för att hitta en balans mellan effektivitet och flexibilitet - det vill säga, fortfarande kunna utföra mer än en uppgift, men inte så generaliserade att de offrar hastighet eller kvalitet på funktioner för kvantitet.

De måste också kunna införliva nya applikationer allt eftersom tekniken går framåt. Om en datavetare utvecklar kod för en helt ny funktion – som att skicka hologram fram och tillbaka via text – borde SoC kunna kartlägga programvaran för den tekniken på chipets hårdvara.

Teamets svar på DARPAs utmaning är en "domänfokuserad avancerad mjukvaruomkonfigurerbar heterogen SoC, " eller DASH-SoC. Det är en munfull, men den tid som ägnas åt att säga att det kommer att kompenseras mer än under de månaders arbete som det kan rädda datavetare.

"När du tar in en doktorand för att arbeta med en ny hårdvaruarkitektur, det tar tre till sex månader för dem att lära sig programmeringsmiljön, och ytterligare sex månader för att optimera det, " sade Akoglu. "När du tänker på detta produktivitetsproblem, att ha ett systemgränssnitt som översätter din kod till en målarkitektur med en knapptryckning är ett mycket ambitiöst mål."

Medan dataingenjörer som Akoglu skapar algoritmer som alla från hjärtkirurger till biologer använder för att förbättra sin förmåga att förutsäga resultat, DARPA vill specifikt ha system för domänen av mjukvaruradio, som inkluderar applikationer från mobiltelefoner till nationell säkerhet.

Fem uppgifter och fem nanosekunder

Det finns ytterligare ett element som gör att denna nya teknik sticker ut:DARPA-bidraget stipulerar att SoC kan köra fem applikationer åt gången, vilket innebär att balansera kraven från fem olika prioriteringar så snabbt och effektivt som möjligt. Som en elev som tar fem lektioner som alla involverar att slutföra en serie uppgifter, chipet måste göra en noggrann planering och resursallokering för att få varje uppgift gjord för varje applikation.

Det här är den del av projektet Akoglu och hans samarbetspartner Umit Ogras från ASU leder:utveckla en intelligent schemaläggare som kartlägger vilka fysiska områden på chippet som slutför vilka uppgifter när. "Intelligent" betyder här att schemaläggaren kommer att förbättras med tiden via maskininlärning, hur en student kanske bättre kan skapa ett effektivt schema under sista året än första året.

"Den intelligenta schemaläggaren kommer att lära sig hur man schemalägger uppgifterna för specialiserade processorer och kontrollerar kraften som behövs för att bearbeta dem." sa Ogras. "Som ett resultat, vi kommer att leverera mycket kraftfulla, energieffektiva och lättanvända SoCs som kan användas i ett brett utbud av kommunikations- och radarapplikationer."

DARPAs mål är en intelligent schemaläggare som bara tar fem nanosekunder för varje beslut. Chips med så intelligent schemaläggningsteknik finns inte idag, så att skapa dem överhuvudtaget är ambitiöst – att skapa ett så snabbt system ger en helt annan dimension, sa Akoglu.

"Den där fem nanosekundersaffären ger mig högt blodtryck, " skämtade han. "Men utan att sätta dessa aggressiva mål, vi kan inte driva tekniken till nästa nivå."