موضوع مقاله: شتاب‌دهنده سخت‌افزاری | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # شتاب‌دهنده سخت‌افزاری | مقدمه: هر گونه تغییر داده یا روال که می‌تواند محاسبه شود، می‌تواند صرفاً در نرم‌افزار در حال اجرا بر روی یک پردازندهٔ عمومی، صرفاً در سخت‌افزار سفارشی یا در برخی ترکیب هر دو، محاسبه شود. | ## بخش 1: شتاب‌دهنده سخت‌افزاری | عملیات را می‌توان سریع تر در سخت‌افزار خاص برنامه‌ریزی شده یا برنامه‌ریزی شده برای محاسبه عملیات نسبت به نرم‌افزار مشخص شده و بر روی یک پردازنده رایانه ای عمومی انجام شده‌است. پیاده‌سازی وظایف محاسباتی در سخت افزار برای کاهش تاخیر و افزایش کارایی به عنوان شتاب سخت افزاری شناخته می‌شود. مزایای نرم‌افزاری نرم‌افزار عبارتند از: توسعه سریعتر (به سرعت سریعتر به بازار)، هزینه‌های مهندسی هزینه‌های غیر تکراری، انتقال قابلیت افزایش، و سهولت به روز رسانی ویژگیها یا تکه کردن اشکالات، به هزینه سربار برای محاسبه عملیات عمومی. در سلسله مراتب سیستم‌های محاسباتی دیجیتال اعم از پردازنده همه منظوره به‌طور کامل سفارشی سخت افزار، یک معاوضه بین انعطاف‌پذیری و بهره‌وری وجود دارد، با راندمان افزایش سفارشات از قدر زمانی که هر برنامه با توجه به بالاتر که سلسله مراتب اجرا شده‌است. این سلسله مراتب شامل پردازنده‌های عمومی مانند پردازنده‌ها، پردازنده‌های متفاوتی مانند پردازنده‌های گرافیکی، عملکرد ثابت ساخته شده در آرایه‌های دروازه قابل برنامه‌ریزی فازی (FPGAها) و عملکرد ثابت بر روی مدار یکپارچه برنامه کاربردی (ASICs) است. شتاب دهنده سخت افزاری برای عملکرد بهتر است و زمانی که عملکردها ثابت می‌شوند، بنابراین به روز رسانی‌ها در مورد راه حل‌های نرم‌افزاری مورد نیاز نیست. با ظهور دستگاه‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی مانند FPGAها، محدودیت شتاب سخت افزاری به الگوریتم‌های کاملاً ثابت از سال ۲۰۱۰ کاهش یافته‌است، به این ترتیب شتاب سخت افزاری برای حوزه‌های مشکوک که نیاز به اصلاح الگوریتم‌ها و پردازش جریان کنترل را دارند، کاهش می‌یابد. اغلب در محاسبات، سیگنال‌های دیجیتال هستند و می‌توانند به عنوان داده‌های دودویی تفسیر شوند. سخت افزار و نرم‌افزار کامپیوتر بر روی اطلاعات در نمایش دودویی برای انجام محاسبات عمل می کنند؛ این کار با محاسبه توابع بولی در بیت ورودی انجام می‌شود و خروجی را به دستگاه‌های خروجی پایین دست برای ذخیره‌سازی یا پردازش بیشتر منتقل می‌کند. محاسبات ارزیابی از سخت افزار و نرم‌افزار نرم‌افزار یا سخت افزار می‌تواند تابع‌های محاسبه‌کننده را محاسبه کنند. سخت افزارهای سفارشی عملکرد بالاتری را در هر وات برای همان توابعی که در نرم‌افزار مشخص شده ارائه می‌دهند. | ## بخش 2: شتاب‌دهنده سخت‌افزاری | برنامه ذخیره شده کامپیوتر اکثر محاسبات مبتنی بر نرم‌افزار در ماشین‌هایی که از معماری فون نویمان استفاده می‌کنند، به‌طور کلی به عنوان کامپیوترهای ذخیره شده شناخته می‌شوند. برنامه‌های کامپیوتری به عنوان داده‌ها ذخیره می‌شوند و توسط پردازنده‌ها اجرا می‌شوند، معمولاً یک یا چند هسته CPU. چنین پردازنده باید واکشی و رمزگشایی دستورالعمل و همچنین عملوند داده از حافظه به عنوان بخشی از چرخه دستورالعمل به اجرای دستورالعمل‌های تشکیل دهنده برنامه نرم‌افزار. تکیه بر یک حافظه رایج برای کد و داده‌ها، منجر به تنگنای فون نویمان می‌شود، محدودیت اساسی بر روی توانایی نرم‌افزار در پردازنده‌های معماری فون نویمان. حتی در معماری هاروارد اصلاح شده، که در آن دستورالعمل‌ها و داده‌ها را جداگانه انبارهای در سلسله مراتب حافظه است، وجود دارد سربار به آموزش رمزگشایی شناسنده‌های و تسهیم دسترس واحدهای اجرایی در ریزپردازنده یا میکروکنترلر، که منجر به استفاده از مدار پایین. سخت افزار واحدهای اجرایی سخت افزار واحدهای اجرایی نیست و به‌طور کلی تکیه می‌کنند فون نویمان یا تغییر دانشگاه هاروارد معماری و لازم نیست برای انجام این آموزش واکشی و رمزگشایی مراحل یک چرخه آموزش و متحمل کسانی که مراحل' سربار. در صورت نیاز محاسبات مشخص شده در ثبت نام انتقال سطح طراحی سخت افزار و مدار منطقه هزینه خواهد بود که متحمل شده توسط آموزش واکشی و رمزگشایی مراحل را می‌توان اصلاح قرار داده و به دیگر استفاده می‌کند. در حال ظهور سخت افزار معماری سفارشی سازی RTLهای بزرگ از ساختارهای سخت افزاری، معماری‌های جدیدی مانند محاسبات حافظه درونی، معماری های مجهز به حمل و نقل (TTA) و شبکه‌های درون تراشه (NoC) را فراهم می‌کند تا از موقعیت مکانی افزایش یافته و در نتیجه کاهش محاسبات و ارتباطات زمان تأخیر بین ماژول و کاربردی واحدرا به همراه دارد. ژوکان وانگ و عمر حاممی "A 24 سیستم پردازنده در طراحی تراشه FPGA با شبکه در تراشه". "پردازنده 1000 هسته ای به دست آمده: دسکتاپ آینده شما یک سوپر کامپیوتر" خواهد بود. به‌طور مشابه، واحدهای عملیاتی ویژه می‌توانند به صورت موازی در پردازش سیگنال دیجیتالی بدون درج در هسته پردازشگر IP قرار بگیرند؛ بنابراین، شتاب دهنده سخت افزاری اغلب برای کارهای تکراری و ثابت که شامل شاخه‌های شرطی کمی هستند، به ویژه در مقادیر زیادی از داده‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. | ## بخش 3: شتاب‌دهنده سخت‌افزاری | معیارهای پیاده‌سازی با افزایش قابلیت تحرک دستگاه، عملکرد نسبی پروتکل‌های شتاب مخصوص نیازمند معیارهای جدید است، با توجه به ویژگی‌های مانند ابعاد، سخت افزار فیزیکی، مصرف برق و عملیات عملیاتی آن‌ها را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد: کارایی کار، بهره‌وری پیاده‌سازی، و انعطاف‌پذیری. معیارهای مناسب، مساحت سخت افزار را همراه با عملیات مربوط به عملیات مربوطه و انرژی مصرف شده در نظر می‌گیرند. نمونه کارهای شتاب دهنده جمع دو آرایه در یک آرایه دیگر مجموع یک میلیون عدد صحیح فرض کنید ما مایل به محاسبه مجموع اعداد صحیح هستیم. در سخت افزار این عملیات در تراشه به صورت موازی تنها در ۲۰ مرحله با استفاده از پیشوند مجموع الگوریتم محاسبه می‌شود. Mittal ماشین یادگیری و دانش استخراج 2018 و عبارت منظم شتاب سخت افزاری برای دادن کنترل در سرور صنعت در نظر گرفته شده برای جلوگیری از به‌طور منظم بیان محرومیت از خدمات (ReDoS) حملات. سخت افزاری است که انجام شتاب ممکن است بخشی از یک منظوره CPU یا واحد جداگانه است. در مورد دوم آن است که به عنوان یک شتاب دهنده سخت‌افزارو یا بیشتر به‌طور خاص به عنوان یک 3D شتاب دهندههای رمزنگاری شتاب دهنده، به‌طور سنتی، پردازنده‌ها متوالی بودند (دستورالعمل‌ها به صورت یکجا اجرا می‌شوند) و برای اجرای الگوریتم‌های هدف کلی، کنترل شده با استفاده از دستورالعمل فکتوری (fetch) (به عنوان مثال نتایج موقت حرکت به درون و از یک فایل رجیستر) طراحی شده‌اند. شتاب دهنده سخت افزار با اجازه دادن بیشتر برای بهبود اجرای یک الگوریتم خاص همزمانی، داشتن خاص مسیر داده برای خود متغیرهای موقت و کاهش سربار کنترل آموزش در واکشی رمزگشایی-چرخه اجرا عمل می‌کنند. پردازنده‌های مدرن چند هسته ای و اغلب ویژگی‌های موازی «یک دستور العملی با داده‌های متعدد» با واحدی به نام (SIMD) هستند. شتاب دهنده‌های سخت افزاری مناسب برای هر گونه محاسبات برای فشرده سازی الگوریتم‌ها هستند که اغلب در یک کار یا برنامه اجرا می‌شوند. | ## جمع‌بندی | " سخت افزار شبکه‌های عصبی کانولوشن را برای سیستم‌های بینایی مصنوعی افزایش داد ." مدار و سیستم (ISCAS)، مقالات 2010 سمپوزیوم بین‌المللی IEEE در.