Proyectos del presente para conseguir avances del mañana

Mejorar las prestaciones de los computadores hará no solo que las aplicaciones actuales se ejecuten más rápido, sino que habilitará la ejecución de algoritmos con un coste computacional de otro modo prohibitivo. Estas mejoras son fundamentales para el progreso de áreas como el descubrimiento de nuevos fármacos, la detección automática de cáncer o los modelos de propagación de enfermedades o de predicción de cambio climático, entre otras.

Asimismo, reducir el consumo de energía, además de incrementar la autonomía de los dispositivos móviles, contribuirá a la reducción de la electricidad consumida por las grandes granjas de servidores. Este consumo supone en la actualidad el dos por ciento del consumo mundial y las peores predicciones apuntan a que llegará al otro por ciento en 2030. De esta forma, reducir el consumo de energía de los computadores ayudará en parte a la lucha contra el cambio climático.

Todo ello no es algo de ciencia ficción sino que Alberto Ros Bardisa, profesor del departamento de Ingeniería y Tecnología de Computadores de la Facultad de Informática de la Universidad de Murcia e Investigador del grupo CAPS (Computer Architecture and Parallel Systems), está trabajando en ello.

Y no lo hace de cualquier forma sino al frente del proyecto ECHO (Extending Coherence for Hardware-Driven Optimizations in Multicore Architectures), el cual se encuentra en la categoría de Consolidator Grant financiado por el European Research Council (ERC), el más prestigioso a nivel individual de Europa, que tiene en cuenta para su concesión únicamente la excelencia científica, tanto del investigador como de la propuesta de investigación. «El objetivo principal del proyecto es mejorar las prestaciones de los computadores del futuro, reduciendo tanto el tiempo de ejecución de las aplicaciones como el consumo de energía del computador a la mitad», explica Ros Bardisa.

Para ello va a trabajar en mejorar de una forma revolucionaria el diseño de procesadores que se usan en una gran variedad de dispositivos, desde smartphones, portátiles y ordenadores de sobremesa hasta los grandes servidores de las empresas líderes en tecnología de la información y las comunicaciones.

Según el investigador, «los procesadores actuales logran altas prestaciones usando técnicas de predicción y 'esperando' a que esta predicción sea correcta. En cambio ECHO, propone 'cambiar el futuro', reordenando los eventos que suceden dentro del procesador y del sistema de memoria para que se ajusten a la predicción realizada. De esta forma, cuando el procesador realiza una predicción ésta siempre será cierta. Una frase, de Abraham Lincoln, que expresa muy bien este concepto es 'la mejor manera de predecir el futuro es crearlo'».

Por ejemplo, las aplicaciones científicas que requieren mucho cómputo reparten el trabajo a realizar entre los procesadores del computador con el fin de reducir el tiempo que tardan en dar una respuesta. Los procesadores a su vez obtienen un alto rendimiento ejecutando las operaciones requeridas para completar el trabajo en un orden distinto al establecido en el programa. Esto puede provocar un resultado incorrecto cuando los procesadores comparten datos. Los computadores actuales solucionan este problema, descartando el trabajo realizado y ejecutando de nuevo las operaciones incorrectas. En cambio, ECHO retrasará la ejecución de las operaciones que puedan afectar a la corrección, permitiendo a los procesadores re-ordenar operaciones sin tener que descartar trabajo por ese motivo.

Ros Bardisa partía de la hipótesis de que es posible cambiar el orden de los eventos generados en el computador sin afectar a la corrección de los programas que se ejecutan en él. «Publicamos un primer estudio que analizaba esta posibilidad en 2017 y el artículo fue elegido como uno de los doce artículos más relevantes de ese año en arquitectura de computadores (la rama de la informática que estudia el diseño lógico y estructura de los computadores) a nivel mundial», dice.

Hasta la fecha, ya ha transcurrido el primer año y medio del proyecto, se han iniciado todas las líneas de investigación propuestas y se ha contratado a la mayor parte del personal requerido. A pesar de llevar relativamente poco tiempo en ejecución, se han conseguido ya hitos importantes.

Como apunta Alberto Ros Bardisa, «se han publicado los resultados de la investigación realizada hasta ahora en las conferencias y revistas más prestigiosas. Uno de los resultados más destacados es una nueva técnica de prebúsqueda de instrucciones que hemos llamado 'prebúsqueda entrelazada', en analogía al entrelazamiento cuántico».

La prebúsqueda de instrucciones es una técnica fundamental para la ejecución eficiente de programas contemporáneos con millones de líneas de código y consiste en predecir las instrucciones que serán utilizadas por el procesador y entregárselas justo cuando éste las necesite. La prebúsqueda entrelazada consiste en detectar instrucciones que están 'entrelazadas', es decir, cuando el procesador accede a una instrucción accederá también su instrucción entrelazada en un cierto margen de tiempo.

Esta técnica demostró ser la más efectiva de entre todas las presentadas en el primer campeonato internacional de prebúsqueda de instrucciones, en 2020, obteniendo el primer premio gracias a una reducción del tiempo de ejecución de algunas aplicaciones usadas en servidores a casi la mitad. Empresas como Intel y Apple han mostrado su interés en la prebúsqueda entrelazada invitando al profesor de la Universidad de Murcia a presentarles el trabajo en sus sedes. La última versión de esta técnica de prebúsqueda ha sido recientemente aceptada para su publicación y presentación en junio de este año en la principal conferencia en arquitectura de computadores: International Symposium on Computer Architecture (ISCA).

El grupo de investigación CAPS tiene una larga tradición investigadora en arquitectura computadores, apostando fuertemente por una investigación de calidad en vez de cantidad. «Gracias a esto, nuestro grupo se ha convertido en un referente internacional en arquitectura de computadores y ha conseguido posicionar a la Universidad de Murcia entre las 50 mejores del mundo en el área de arquitectura de computadores según el Computer Science Ranking», indica Ros Bardisa.

En el desarrollo de ECHO trabajan de manera estrecha con el grupo de arquitectura de computadores de la Universidad de Uppsala en Suecia, donde el propio investigador estuvo desarrollando su investigación antes de llegar como profesor a la UMU.

El hecho de contar con la financiación de un ERC Consolidator Grant, que supone hasta dos millones de euros para desarrollar la investigación propuesta durante un periodo de cinco años y está destinada principalmente a la contratación de personal, les ha permitido contar con siete investigadores contratados y planean incorporar nuevos investigadores en los próximos años.