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Fehler machen einige Schaltungen besser
Schaltungsdesign ist normalerweise kein Platz für Fehler. Neue Forschungen zeigen jedoch, dass die Einführung einer kontrollierten Fehlermenge in eine einfache Schaltung deren Geschwindigkeit verdoppeln und gleichzeitig ihren Energieverbrauch und ihre Größe halbieren kann.
Fehlertester: Der Forscher der Rice University, Avinash Lingamneni, testet Prototyp-Schaltungen, die fehleranfällig sind, aber effizient arbeiten.
Die Forscher hinter der Arbeit verwenden die Designmethode, um Hörgeräte zu entwickeln, von denen sie hoffen, dass sie eine viel längere Batterielebensdauer haben. Die Methoden könnten auch die Effizienz anderer spezialisierter Schaltkreise verbessern, die in Displays und Kameras verwendet werden.
Forscher unter der Leitung von Krishna-Palme , ein Professor für Informatik an der Rice University, haben einen Algorithmus entwickelt, der das Design einer Schaltung modifiziert, um sie bei einer festgelegten Fehlerrate, die toleriert werden kann, effizienter zu machen. Forscher aus Palems Labor präsentierten die Arbeit letzte Woche auf der DATE11-Konferenz in Grenoble, Frankreich.
Die Berücksichtigung einer vorgegebenen Fehlerrate kann zu großen Effizienzgewinnen führen, ohne dass die Leistung spürbar sinkt. Solange die Fehler kontrolliert eingebracht werden und die wichtigsten Teile einer Operation vor Fehlern geschützt sind, sind kleine Fehler in vielen Anwendungen tolerierbar – zum Beispiel in der Audio- und grafischen Signalverarbeitung. Ein einzelner solcher Rechenfehler kann zu einer winzigen, kurzzeitigen Verzerrung in einem Bild oder Ton führen, die die meisten Menschen nicht erkennen könnten.
Das Senken der Spannung, die eine Schaltung verwendet, um den Stromverbrauch zu verringern, führt zu Fehlern. Wenn die Spannung niedriger ist, laufen einige Teile einer Schaltung langsamer als der Rest, was zu Fehlern führt. Informatiker haben Chips entwickelt, die die Spannung verschiedener Teile der Schaltung im laufenden Betrieb variieren. Diese Designs sind jedoch komplex und erhöhen die Größe eines Chips.
Man kann sich einen Rundkurs wie ein Straßennetz vorstellen, sagt Palem. Da Informationen durch einen Rundkurs fließen, sind einige Wege stark befahren, andere kaum. Der Algorithmus der Rice-Gruppe analysiert eine Schaltung, um Pfade zu identifizieren, die beschnitten werden können, während nur tolerierbare Fehler eingeführt werden. Wir ließen Audiodateien durch die Schaltung laufen und suchten in einer Reihe von Diagnoseversuchen nach Zonen mit hoher, mittlerer und niedriger Aktivität, erklärt Palem.
Die Rice-Gruppe arbeitete dann mit Forschern des Schweizer Zentrums für Elektronik und Mikrotechnologie zusammen, um die beschnittenen Schaltkreise herzustellen und zu testen. Sie fanden heraus, dass die neue Schaltung mit der halben Energie doppelt so schnell läuft und eine Fehlergröße von 8 Prozent aufwies. Man bekommt viel mehr zurück, als man verschenkt, sagt Palem. Diese Fehlerquote liegt im Rahmen des Erträglichen für Wahrnehmungsaufgaben wie Sehen und Hören.
Frühere Arbeiten zum Zulassen von Fehlern beim Schaltungsentwurf waren nicht so systematisch, sagt Subhasish Mitra , Assistant Professor für Elektrotechnik und Informatik an der Stanford University. Er stellt jedoch fest, dass die Rice-Gruppe die Entwurfsmethode bisher mit einer sehr einfachen Schaltung bewiesen hat. Mitra erwartet, dass sich diese Art von Design mit komplexeren Systemen als Herausforderung erweisen wird.
Forscher würden beispielsweise gerne die Akkulaufzeit von Laptops oder Mobiltelefonen mit diesem Ansatz verlängern. Aber diese Geräte haben komplexe Mikroprozessoren, die aus vielen Schaltkreisen bestehen, die in viele Kerne integriert sind. Wenn Sie ein Gesamtsystem aufbauen, müssen Sie sicherstellen, dass Sie einen Mehrwert schaffen und dass das System robust ist, um Fehlern standzuhalten, sagt Mitra.
Palem hofft, das beschnittene Schaltungskonzept zunächst in einem einfachen System beweisen zu können: den digitalen Signalverarbeitungsblöcken eines Hörgeräts. Seine Gruppe arbeitet mit Neurowissenschaftlern der Nanyang Technological University in Singapur zusammen, die das menschliche Gehör bei Testpersonen modellieren. Wir wissen noch nicht, welche Informationen das Ohr interessiert, sagt Palem. In etwa sechs Monaten werden die neurowissenschaftlichen Studien abgeschlossen sein und Palems Gruppe wird Informationen über die Fehlertoleranz des menschlichen Ohrs in den Schaltungsdesignprozess einfließen lassen. Wir hoffen, bis Ende des Jahres ein Design zu haben, sagt er.