トランジスタは小型化するほど信頼性が低下します。動作電圧を上げれば改善できますが、それに伴って電力消費も増加します。
情報技術が世界のエネルギー供給に占める割合が着実に高まるなか、一部の研究者やハードウェアメーカーは、チップにときおり計算を誤らせるという方法を探っています。動画のレンダリングなど多くの一般的な用途では、利用者はおそらく違いに気づかず、エネルギー効率を大幅に高められる可能性があります。
今年のオブジェクト指向プログラミング、システム、言語、アプリケーション（OOPSLA）会議で、MITコンピューター科学・人工知能研究所の研究者らは、わずかな誤差を許容できるコード部分をプログラマーが特定できる新しいシステムを発表しました。このシステムは、プログラマーが求める精度を保ちながらエネルギー節約を最大化できるよう、信頼性の低いハードウェア部品に割り当てるプログラム命令を決定します。
Chiselと名付けられたこのシステムには、プログラムがどの程度の誤差を許容できるかを正確に評価するためのツールも備わっています。画像の画素の1％が正しく描画されなかったら、利用者は気づくでしょうか。2％なら、あるいは5％ならどうでしょうか。Chiselは、プログラマーが指定した回数だけ、さまざまな誤差率で画像レンダリング・アルゴリズムを信頼性の低いハードウェア上で実行するシミュレーションを行います。これにより、精度要件を決める際の推測をなくせます。
研究者らは、研究文献から選んだ複数の信頼性の低いハードウェアモデルを使い、一般的な画像処理および財務分析アルゴリズムをいくつか対象にシステムを試験しました。シミュレーションでは、電力を9～19％節約できました。
積み重なる成果
今回の研究は、昨年のOOSPLAで発表された論文を発展させたもので、その論文は 説明しました 、Relyというプログラミング言語について述べています。どちらの論文も、会議の最優秀論文賞の一つを受賞しました。
Relyは精度要件を指定する仕組みを提供し、特定の命令を信頼性の低いハードウェア上で実行してもよいことを示す演算子（ピリオド、またはドット）を備えています。昨年発表された研究では、プログラマーが手作業でドットを挿入する必要がありました。Chiselはこれを自動で挿入し、エネルギー節約が最大となる割り当てを保証します。
「これまでの研究から分かったことの一つは、分析した計算では、通常、計算負荷が非常に大きい一つまたは複数の関数に処理時間の大半が費やされていたことです」と、電気工学・コンピューター科学の大学院生で今回の論文の筆頭著者であるサーシャ・ミサイロビッチは述べます。「私たちはそうした計算を『カーネル』と呼び、そこに焦点を当てました。」
論文には、ミサイロビッチの指導教員で電気工学・コンピューター科学科（EECS）の教授であるマーティン・リナードのほか、リナードの研究グループに所属する学生のサラ・アチョールとジーチャオ・チー、リナードのもとで博士号を取得し、来年EECSの教員に加わるマイケル・カービンも参加しています。
ミサイロビッチによると、実際のプログラムに含まれるカーネルは通常ごく少数です。理論上は、Chiselにカーネルを自動検出する機能を持たせることもできました。しかし、リナードによると、高性能コードを扱う開発者の多くは、プログラムの動作をある程度自分で制御したいと考えるでしょう。また一般に、カーネルの特定を容易にするツールをすでに使っています。
組み合わせ爆発
ただし、一つのカーネルに100以上の命令が含まれることもあり、そのどの組み合わせも信頼性の低いハードウェアに割り当てられる可能性があります。考えられる組み合わせをすべて手作業で調べ、計算精度とエネルギー節約への影響を評価するには、なお膨大な時間がかかります。
そこで研究者らは、個々の命令を変数として、計算精度、命令実行の信頼性、エネルギー節約をそれぞれ表す三つの数式を開発しました。これらの数式によって、信頼性の低いハードウェアに割り当てる命令を決めるためにシステムが行う探索の範囲を絞れます。より単純化されたこの問題は、依然として複雑ではあるものの、市販のソフトウェアで処理できます。
「これは素晴らしい研究だと思います」と、ワシントン大学のコンピューター科学・工学准教授ルイス・セゼは述べます。「将来のハードウェアは信頼性が低くなるという傾向が見られます。それは、エネルギー効率と速度を高める方法の一つだからです。」
ただしセゼは、MITの研究者らが用いたハードウェアモデルでは、個々の演算がどの程度の信頼性で実行されるかを指定する必要があると指摘します。「それでは近似による節約に限界があります」とセゼは述べます。「私はもっと粗い粒度の近似が有効だと考えています。多くの演算をひとまとめにして、一度に近似的に実行するのです。そうすれば、性能とエネルギー効率の改善幅を数十パーセントから数十倍にまで高められます。」
MITの研究者らの成果をそのようなモデルに適応できるかについて、セゼは「実現できます」と述べます。「実際、私の研究グループも別の文脈で同様の研究を行っています。ですから、確実に実現可能です。」
この記事は最初に MIT News
著者：ラリー・ハーデスティはMIT Newsのゲスト寄稿者です。
画像：2013年2月28日、ワルシャワでコンピューターのキーボードを打つ男性。REUTERS/Kacper Pempel/Files
