Computación difusa

Abstract

Esta tesis se enmarca en el ámbito de las técnicas de mejora de la eficiencia de ejecución (disminución del consumo y aumento de la velocidad) en el diseño de procesadores orientados a la ejecución de aplicaciones multimedia. En los últimos años la proliferación de los sistemas de baja potencia (móviles, PDAs, etc.) ha generado una enorme demanda de capacidad de cálculo en estos dispositivos. Estos sistemas han de enfrentarse al difícil reto de mejorar sus prestaciones manteniendo limitado su consumo.<br/><br/>Se puede ver claramente que la evolución seguida por las arquitecturas de bajo consumo se aparta de la tendencia marcada años atrás por los procesadores de alto rendimiento. En el segmento de alta velocidad los aumentos significativos del rendimiento se han obtenido habitualmente a cambio de ejecutar más instrucciones por unidad de tiempo, muchas de ellas de forma especulativa.<br/><br/>En esta tesis se propone un novedoso sistema de cálculo para contenidos multimedia: el cálculo difuso. Este sistema permite aprovechar, por un lado, la redundancia de los contenidos multimedia y, por otro, la tolerancia respecto a los errores exhibida por los destinatarios de los contenidos (los sentidos humanos) para obtener grandes ahorros de tiempo y energía en el procesado.<br/><br/>Para conseguir estos objetivos, el cálculo difuso se basa en un principio muy simple: para obtener un resultado correcto para una operación no es necesario realizar un cálculo exacto. O dicho de otro modo, no importa cometer errores si no hay nadie que pueda distinguirlos. Este principio, que aplicado a otros ámbitos (bases de datos, por ejemplo) puede parecer una aberración, cobra pleno sentido cuando se aplica a los contenidos multimedia. De hecho, hace muchos años que este principio se está empleando asiduamente, solo que a otro nivel: Los algoritmos de compresión más usuales (mp3 y jpeg por ejemplo) se basan en obtener resultados inexactos para lograr reducir la cantidad de información que es necesario almacenar o transmitir. En esta tesis proponemos hacer exactamente lo mismo pero para conseguir aumentar la velocidad de los procesadores y reducir la energí¬a que consumen.<br/><br/>La implementación de un sistema de cálculo difuso se ha abordado desde dos perspectivas distintas: el cálculo difuso de instrucciones y el cálculo difuso de regiones. El cálculo difuso de instrucciones, como su mismo nombre indica, consiste en la substitución de una instrucción determinista (como una multiplicación) por otra instrucción que de lugar a un resultado aproximado. Esto se ha realizado, o bien mediante unidades funcionales que operan sobre un número menor de bits, o bien mediante un sistema de memorización tolerante.<br/><br/>El cálculo difuso de regiones, por su parte, consiste en la substitución de un fragmento de código completo por un mecanismo hardware-software que es capaz de generar un resultado aproximado para las mismas entradas que el código original.<br/><br/>Los resultados obtenidos muestran que las ideas propuestas en esta tesis dan lugar a importantes ahorros de energí¬a y tiempo en el procesado de contenidos multimedia sin modificar sustancialmente (es decir, de forma apreciable) la salida de dicho procesado. Se han obtenido ahorros del 15% en tiempo y del 25% en energía para un conjunto de programas multimedia con calidades de salida muy buenas.<br/><br/>En resumen, a lo largo de la tesis se han realizado las siguientes aportaciones:<br/><br/>- Se ha propuesto una nueva forma de procesar datos: el cálculo difuso}, que permite ahorrar tiempo y energía en el procesado de archivos multimedia.<br/><br/>- Se han propuesto diferentes implementaciones de cálculo difuso: la memorización tolerante de regiones, la memorización tolerante de instrucciones y el uso de unidades funcionales reducidas. Todos ellos, sistemas que pueden integrarse en un procesador actual.