Till startsida
Webbkarta
Till innehåll Läs mer om hur kakor används på gu.se

Per Stenström konstruerar framtidens datorer

Per Stenströms forskningsområde är datorarkitektur och handlar om principer för hur man konstruerar datorer. Per har sedan lång tid tillbaka intresserat sig för den optimala arkitekturen när det gäller flerkärniga mikroprocessorer, med fokus på minnessystemens arkitektur. Genom att se över datorarkitekturen kan man skapa smartare datorkonstruktioner som också sparar stora mängder energi, samtidigt som man motser kraven på snabbare datorer. Området står just nu inför en av de största utmaningarna hittills – den nya generationen datorer kommer att kräva helt nya ”byggmaterial” och ännu har man inte hittat några lösningar.

Snabbare datorer – hur möter vi energiförbrukningen?

- En mobiltelefon är ett bra exempel på en produkt där många parallella aktiviteter kräver en kraftfull processor, säger Per Stenström. Man ska kunna spela spel på telefonen, samtidigt som man tar emot ett samtal, skickar ett foto eller gör något annat. Men: att snabba upp processorn innebär samtidigt att den förbrukar mer energi, vilket blir ett tydligt problem i en mobiltelefon med ett begränsat batteri.

Förutom problemen med begränsad energitillgång som i fallet med ett batteri, börjar energiåtgången inom datorvärlden bli ett allt större miljöproblem. Som exempel kan man ta alla sökningar på Google som går till en enorm datacentral vars processorer slukar mycket stora mängder energi. Förutom energin som går åt till själva datoraktiviteten, krävs också ett stort och energikrävande kylsystem som ska möta värmeutvecklingen i processorerna.

- Det är här mitt område kommer in, säger Per Stenström. Genom att se över datorarkitekturen kan man skapa smartare datorkonstruktioner som sparar stora mängder energi. ”Green Computing” är inte längre bara ett mysigt buzzword, nu börjar datorvärldens energiförbrukning att bli ett riktigt stort problem.

- Utmaningen inom området och drivkraften för mig är hur vi möter behovet av allt snabbare datorer, säger Per Stenström. Vi måste hitta en teknik som är optimal och hållbar på alla plan, både när det gäller funktion, kraven på hastighet och ur ett hållbarhetsperspektiv. Med datorer menar jag alltså inte bara laptops och sådant vi normalt benämner datorer, utan den enorma mängd mikroprocessorer som finns inbyggda i de system vi har omkring oss; mobiltelefoner, diskmaskiner, bankomater etc. En nytillverkad bil innehåller till exempel runt 50 mikroprocessorer.

Flerkärniga microprocessorer

Mikroprocessorn är "hjärnan" i datorn och ansvarar för all informationsbearbetning. En mikroprocessor byggs på en ca 1 kvadratcentimeter stor kiselbricka, kallad chip. Ett chip innehåller idag över en miljard transistorer.

Fram till millennieskiftet ungefär, hade man endast en beräkningsenhet, en kärna, i en mikroprocessor. För att göra beräkningskärnan mer kraftfull, fördubblade man antalet transistorer per chip vartannat år - och transistorerna användes till att bygga parallella och snabba beräkningsstrukturer på själva chipet. Datorkonstruktörerna behövde inte bry sig om att ta reda på vilka operationer som kunde utföras samtidigt, dessa processer skötte chipet om, så att säga ”under motorhuven”.

Effekten och värmeutvecklingen blev till sist så stor att man inte kunde fortsätta att göra en ensam beräkningsenhet mer effektiv. Man valde då att öka antalet beräkningskärnor på chipet och lämnade till programmeraren att dela upp beräkningen på olika beräkningskärnor. Mikroprocessorn blev med andra ord flerkärnig, vilket benämns "multicore" på engelska. Den här tekniken har alla nytillverkade datorer idag.

Men med flerkärniga processorer tillkom ett nytt problem: datorn hittade inte längre vilka processer som kunde utföras samtidigt och därför kunde man inte heller utnyttja datorns fulla beräkningskapacitet. För att åstadkomma effektiva parallella processer måste programvaran skrivas om, vilket är komplicerat och många fel kan smyga sig in i processen.

Per Stenström och hans doktorander har under ett antal år arbetat med att hitta de parallella processer som kan utföras på olika mikroprocessorer i en multicoredator. År 2006 startade Per ett företag på Lindholmen för att ta fram en produkt som underlättar för programmerare att anpassa mjukvaran för multicore-tekniken, eftersom det är så svårt och tidsödande att få mjukvaran korrekt. Produkten är tänkt att korta ledtiden för att ta fram mjukvarubaserade produkter anpassade för multicore och för att få ner kostnaderna för testning av mjukvaran.

Fokus på minnessystemen inom ”multicore”

Per Stenström började redan som doktorand under sent 80-tal att titta på flerkärniga mikroprocessorer. Främst har Per fokuserat på minnessystemet, cacheminnet.

En dator är egentligen en ganska enkel tingest, menar Per. Det den gör är att om och om igen hämta en ”lapp” med instruktioner om vilken information den ska hämta från minnet och vad den ska göra med informationen. Datorn utför några miljarder sådana här enkla operationer per sekund. Genom att datorerna arbetar allt snabbare, krävs ett allt större primärminne. Men nackdelen är att ju större minnet blir, desto långsammare arbetar det. Därför har Per i sin forskning intresserat sig för hur man bygger cacheminneshierarkier. Enkelt summerat består dessa av ett litet snabbt minne nära processorerna, ett större och lite långsammare minne som placerats en bit bort, ett ännu större och långsammare minne ytterligare en bit bort från processorerna, medan det största och långsammaste placeras ytterst. De fyra minnena byggs sedan ihop på ett sådant sätt att de uppfattas som ett enda stort och snabbt minne av användaren.

Nytt byggmaterial för processorerna kommer att behövas runt 2020

Samtidigt fortsätter antalet transistorer i ett chip att fördubblas vartannat år och för att möta det här har datortillverkarna fördubblat antalet beräkningsenheter (kärnor) vartannat år. Transistorerna blir mindre och mindre och de ledningar som förbinder transistorerna på chipet är nu så tunna att de kan räknas i hundratalet atomer. Inom en inte alltför avlägsen framtid är vi nere i ledningar på tiotals atomers tjocklek. Vi har då nått kvantfysiken, vilket innebär enorma tekniska utmaningar. Strålning i omgivningen kan räcka för att störa den extremt tunna ledningen, vilket kan påverka ettorna och nollorna i informationsströmmarna. En etta kan plötsligt slå över till en nolla eller tvärtom. När sannolikheten för fel ökar, leder det till att allt mer av själva byggmaterialet i datorn måste inriktas på att bygga kontrollsystem för felen.

- Teknikutvecklingen pekar på att vi klarar oss med det datorbyggmaterial vi har idag fram till ungefär 2020, sedan kommer det att bli allt svårare, säger Per Stenström. Nu letar vi med ljus och lykta efter helt nya byggmaterial för datorer, men hittills har vi inte fått något riktigt genombrott. Vi är lite i samma läge som miljöområdet – vi är i akut behov av något som kan ersätta de system vi har idag, men de alternativ vi funnit hittills har inte riktigt motsvarat kraven. Att konstruera datorer i alternativa byggmaterial innebär en enorm utmaning och eftersom vi till viss del famlar i mörkret har forskningen inte riktigt tagit fart på allvar, anser Per Stenström. Det är alltid ett risktagande för forskarna att våga satsa när det handlar om att ta fram helt ny teknik. Alla är medvetna om att det forskningsspår de nu är inne på skulle kunna visa sig vara ett blindspår.

Nytt excellensnätverk inom datorarkitektur

Under senare år har Per Stenström ägnat sig åt en hel del vid sidan om själva forskningen. Han har bland annat lagt tid på att bygga upp ett excellensnätverk på 200 personer inom datorarkitektur, kallat HiPEAC. Nätverket är finansierat av EU och består av personer från både industrin och från universitetsvärlden. Tidigare har arbetet inom datorarkitektur varit väldigt fragmenterat och genom att samla kompetensen inom området med de ledande forskarna i Europa, har det fått en helt annan synlighet och också andra finansieringsmöjligheter.

Per också fått upp intresset för hur man får en forskare att våga ta steget och bli innovatör och nyttiggöra forskningen och han sitter bland annat med i styrelsen för Chalmers Innovation.

- Men, avslutar Per Stenström, det jag brinner för mest i mitt jobb och som ligger mig varmast om hjärtat är att utbilda forskarstuderande. Det är i mötet och diskussionerna med doktoranderna som de nya idéerna uppstår – det är riktigt kreativt.

Senaste utmärkelsen är ett medlemskap i Academia Europaea

Det har också hunnit bli en hel del utmärkelser. År 2007 utsågs Per Stenström till IEEE Fellow och 2008 utsågs han till ACM Fellow för sina samlade forskningsinsatser inom minnessystem. År 2009 blev Per invald i Kungliga Ingenjörsvetenskapsakademin och i september 2010 kom ett tillkännagivande om att Per Stenström har valts in som medlem i Academia Europaea, en organisation som vill främja de akademiker som tar ansvar för forskningens samhällsnytta.

 

Oktober 2010

Text: Catharina Jerkbrant



Kontaktinformation:

Per Stenström, professor
Institutionen för data- och informationteknik
Tel: 031-772 17 61

Månadens profil

Per StenströmPer Stenström, professor vid institutionen för data- och informationsteknik, arbetar med att hitta den optimala tekniken för framtidens datorer. Att konstruera datorer i alternativa byggmaterial, som både har högre prestanda och hållbar energiförbrukning, innebär en enorm utmaning för forskarna inom datorarkitektur.

Sidansvarig: Catharina Jerkbrant|Sidan uppdaterades: 2010-12-08
Dela:

På Göteborgs universitet använder vi kakor (cookies) för att webbplatsen ska fungera på ett bra sätt för dig. Genom att surfa vidare godkänner du att vi använder kakor.  Vad är kakor?