keynotes

FPGA books

Reiner Hartenstein

Die FPGA-Seite
@ TU Kaiserslautern

(auf Deutsch)

Der Stromverbrauch von Computern wird unbezahlbar

Fast jeder Laie hat eine Vorstellung vom Computer oder Mikroprozessor und auch davon, daß Software zu deren Betrieb benötigt wird. Fast jeder Laie weiß, daß das heutige Leben und die globale Wirtschaft und Vernetzung ohne Computer undenkbar ist. Ja, sogar die Wettbewerbsfähigkeit der Deutschen Wirtschaft ist ohne weitreichende Computer-Anwendung undenkbar.

Computer-Technik im Umbruch. Inzwischen befindet sich die Computer-Technik in dramatischem Umbruch wegen des von-Neumann-Syndrom [2, 3]. Rasch steigender Stromverbrauch vor Allem Server-basierter Infrastrukturen [6] wird unbezahlbar werden - für Ende nächsten Jahrzehnts höher prognostiziert als die ganze Welt heute für alles verbraucht.

Eine ausgereifte Alternative ist vorhanden. Seit 1984 hat sich eine inzwischen weitgehend ausgereifte alternative Technologie entwickelt, die Computer ersetzen kann unter drastischer Senkung des Stromverbrauchs. Es handelt sich um sogenannte FPGAs, deren Anwendungstechnik "Reconfigurable Computing" genannt wird, inzwischen auch das Thema einer Unmenge internationaler Konferenzreihen [8]

Die Absenkung des Stromverbrauchs bis auf weniger als ein Tausendstel. Viele Studien z. Umprogrammierung v. Computer-Software auf FPGA-Kodierung wurden veröffentlicht. Ersparnis-Faktoren hängen vom Anwendungsgebiet ab [5].  Der bisherige "Weltrekord" (Prof. El-Ghazawi, George Washington Univ., Washington, DC 2009)  teilt die Stromrechnung durch 4800 (in Worten: viertausend-achthundert), wobei sich die Größe (das Volumen) der Hardware-Ausstattung auf weniger als ein Tausendstel reduziert hat. Zudem ist keine Klimatisierung mehr nötig.

Die Informatik muß neu erfunden werden. Heutige Programmierer sind nicht qualifiziert f. FPGAs [5]. Software Engineering Kurrikula müssen ersetzt werden durch duale Programming Kurrikula, die beides umfassen: Configware und Software sowie deren Verzahnung ineinander. Die Monopol-artige Vorherrschaft des von-Neumann (vN) Computers muß dringend beendet werden durch Einbeziehung des (nicht-vN) Xputers [5]. Reconfigurable Computing muß dringendst an vorrangiger Stelle mit in die ACM/IEEE Kurrikulums-Empfehlungen aufgenommen werden [7].

Popularisierung dringend erforderlich. Leider ist dies immer noch nur eine Nischen-Technologie mit einem viel zu geringen Marktvolumen aus Gründen mangelhafter Personal-Qualifikation [5]. Die ist auch eine Herausforderung an die Medien. Wie kann man einem Laien erklären, was ein FPGA ist und warum dies eine so wichtige Technik ist. Eine solche Popularisierung würde dazu beitragen, daß sich FPGA-Nutzung rascher durchsetzt. Nur so ist der Stromverbrauch drastisch zu senken und ein Zusammenbruch dieser Infrastrukturen zu vermeiden.

Talentierter Journalist gesucht. Gern bin ich bereit zur Unterstützung der Arbeit eines Journalisten, der die Herausforderung annimmt, das Thema "FPGAs" in eine dem Laien verständliche Sprache zu übersetzen. FPGA-Hersteller wie Xilinx, Altera und andere haben anscheinend kein Talent für so etwas.

Erster Ansatz zum Einstieg?  Es gibt Internet-Seiten in mehreren Sprachen (auch Deutsch) mit dem Titel " Einführung in die FPGA-Technologie" u. " Wie funktionieren FPGAs?" und andere WWW-Seiten.                         BNN-Artikel

The FPGA Page
@TU Kaiserslautern

(in English)

The Energy-inefficiency of Computing becoming Unaffordable

Due to predictions the many million data stations of growing size together with other ICT infrastructures will toward the end of next decade reach an electricity consumption higher than that of the entire world to-day for everything [6]. This power wall is caused by the massive energy-inefficiency due to the von Neumann paradigm [2,3]. To avoid a future collapse we are urgently forced to establish preventive measures being effective worldwide [1].

It is tellingly effective, that for application modules the energy efficiency can be improved by up to several orders of magnitude by migration from its instruction-stream-based implementation on a von-Neumann-paradigm-based (vN) Computer over to practice Reconfigurable Computing on a datastream-paradigm-based Xputer running on FPGAs (see fig. 3 in [5]). Published til 2009 the highest speed-up factor has been 28,500 and 4,800 the highest energy saving factor [4]. Often speed-up factors between 10 and 100 can be expected, depending on the kind of application and also on the qualifications of the implementers.

Such Education Problems are the reason that although being massively attractive, also to avoid the future collapse, FPGAs had only a very bad marketing success. For almost 20 years FPGAs occupied only about 1.5 percent of the microchip market (fig. 9 in [5]). This FPGA Marketing Paradox indicates the massive qualification problems of people doing the synthesis job and those implementing application development systems. It is a scandal, that the ACM curriculum development task force kept FPGAs as well as Reconfigurable Computing strictly away from their recommendation documents.

This task force behaviour is an imbelievable scandal, since curricula on software engineering only are fully obsolete [7]. FPGAs are on the market for more than three decades. Masses of well attended international conferences on related subject areas are running [8]. Some of them have been successful for moore than two decades.

For major software packages the migration requires a lot of manpower and takes a lot of time, so that intermediate twin paradigm solutions are required which are running on heterogeneous systems. Not only for complicated applications heterogenenous platforms will be required even for the final solutions.

Curricula on software engineering only are obsolete, since qualifications for heterogeneous computing are absolutlely essential and will be highly dominant soon. The massive dominance of the von Neumann paradigm cannot be tolerated any longer. We must redirect all CS and ECE education and research to be based on widely-spread twin-paradigm qualifications and facilities. Herewe must massively improve research on synthesis methodology and RC microchip design. The twin-pardigdm approach is also supported co-called "All Programmable FPGAs" available on the market. Several high performance computing conferences changed their name by including the term "heterogeneous".

 Literature:                                                

[1] The Reinvent Computing page
[2] The von Neumann syndrome

[3] Buch zum von Neumann syndrome.
[4] The Reconfigurable Computing Paradox
5 The alternative Machine Paradigm f. Energy-efficient Computing
[6] Number and Size of Data Centers
[7] Computing: Reconfigurable versus Rebooting
[8] FPGA and Reconfigurable Computing Conferences