ΔΗΜΗΤΡΗΣ ΓΚΙΖΟΠΟΥΛΟΣ: “ΖΟΥΜΕ ΣΤΗ ΧΡΥΣΗ ΕΠΟΧΗ ΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ”

“Αρχιτέκτονας υπολογιστών”, μοιάζει σαν ρόλος από το Matrix αλλά σε έναν κόσμο όπου οι υπολογιστές έχουν γίνει αναπόσπαστο κομμάτι της καθημερινότητάς μας, η ύπαρξη αυτών των αρχιτεκτόνων τους είναι ζωτικής σημασίας.

Η έρευνα του Δημήτρη Γκιζόπουλου επικεντρώνεται στην εξασφάλιση της ορθής λειτουργίας των σύγχρονων μηχανών. Γιατί όσο και να σας φαίνεται παράξενο και οι υπολογιστές κάνουν λάθος.

Αυτό πώς μας επηρεάζει σαν χρήστες και ποια είναι η σημασία του “λάθους” την εποχή της τεχνητής νοημοσύνης;

Αφορμή για την κουβέντα μας στάθηκε η παρουσία του Δημήτρη Γκιζόπουλου στο TEDxAthens το Σάββατο 5 Οκτωβρίου στην Πειραιώς 260.

Το φετινό υπόσχεται μια συναρπαστική διαδρομή στην καρδιά της γνώσης και της δημιουργικότητας παρουσιάζοντας τις “X Machina” προσωπικότητες, που διαπρέπουν διεθνώς στους κλάδους της επιστήμης, της τέχνης αλλά και της κοινωνικής προσφοράς.

Μπορείτε να εξηγήσετε σ’ έναν άνθρωπο που δεν έχει ιδέα από τεχνολογία ποια είναι η ιδιότητα ενός αρχιτέκτονα των υπολογιστών;
Θα απαντήσω ξεκινώντας από τις ιδιότητες που θέλουμε να έχει ένας υπολογιστής: πρέπει να εκτελεί τα προγράμματά μας γρήγορα, σωστά, και αποδοτικά. Οι προσδιορισμοί «γρήγορα» και «σωστά» είναι ευκολότερο να γίνουν αντιληπτοί ενώ το «αποδοτικά» είναι πιο ευρύ και συμπεριλαμβάνει το κόστος για την κατασκευή και λειτουργία, την ενέργεια που δαπανάται κ.λπ. Η αρχιτεκτονική υπολογιστών (computer architecture) παραδοσιακά οριζόταν ως η «αφαιρετική» (abstract) περιγραφή της δομής και των βασικών λειτουργιών ενός υπολογιστικού συστήματος χωρίς όλες τις λεπτομέρειες της φυσικής σχεδίασης. Για παράδειγμα, η αρχιτεκτονική ορίζει ότι ένας υπολογιστής εκτελεί τις πράξεις της πρόσθεσης και του πολλαπλασιασμού αλλά δεν επιβάλλει τον τρόπο με τον οποίο αυτές θα υλοποιηθούν. Παρόμοια, ορίζει ότι ο υπολογιστής αποθηκεύει αριθμούς στην μνήμη του αλλά δεν επιβάλλει τον τρόπο με τον οποίο θα είναι οργανωμένη η μνήμη. Όμως, πιο σύγχρονοι ορισμοί της αρχιτεκτονικής υπολογιστών ενσωματώνουν και όλες τις σχεδιαστικές τεχνικές για την επίτευξη των ιδιοτήτων που ανέφερα παραπάνω: τη λεπτομερή σχεδίαση (ονομάζεται μικροαρχιτεκτονική) και την τεχνολογία (κυρίως των τσιπ ημιαγωγών αλλά όχι μόνο) ώστε η μηχανή να εκτελεί τα προγράμματα στον μικρότερο δυνατό χρόνο, να δαπανά τη λιγότερη δυνατή ενέργεια, να λειτουργεί αξιόπιστα υπό οποιεσδήποτε συνθήκες (ατέλειες υλικών) αλλά και με ασφάλεια έναντι κακόβουλων επιθέσεων. Για να επιτευχθούν όλοι οι παραπάνω στόχοι (και πολλοί άλλοι) οι αρχιτέκτονες υπολογιστών επιβάλλεται να κατανοούν σε βάθος τόσο το υλικό (hardware) όσο και το λογισμικό (software) των υπολογιστικών μηχανών.

Η έρευνά σας εστιάζει στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ της απόδοσης, της ενεργειακής αποδοτικότητας και της ορθής λειτουργίας των σύγχρονων υπολογιστικών συστημάτων. Πώς αυτά τα τρία στοιχεία επηρεάζουν τη συνολική εμπειρία του χρήστη και ποιες είναι οι μεγαλύτερες προκλήσεις στην εξισορρόπηση τους;
Η εμπειρία του χρήστη μιας υπολογιστικής μηχανής εξαρτάται και από τις τρεις πτυχές. Απαιτούμε τα προγράμματά μας να εκτελούνται γρήγορα (υψηλή απόδοση), η μπαταρία του φορητού υπολογιστή μας να διαρκεί περισσότερο (χαμηλή ενέργεια), και φυσικά, οι υπολογισμοί μας να εκτελούνται πάντα σωστά (υψηλή αξιοπιστία)! Θα σας εξηγήσω με παραδείγματα την στενή αλληλεπίδραση των τριών πτυχών. Για να επιτύχουμε ταχύτερη εκτέλεση μπορούμε να αυξήσουμε τον ρυθμό ρολογιού του επεξεργαστή μας, αλλά αυτή η απόφαση αυξάνει την ενέργεια που θα καταναλώνει αλλά και την πιθανότητα να κάνει λανθασμένους υπολογισμούς! Για να μειώσουμε την ενέργεια που δαπανάται μπορούμε να μειώσουμε την τάση του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει τα τσιπ του επεξεργαστή αλλά τότε θα πρέπει να χάσουμε απόδοση (ταχύτητα εκτέλεσης) και θα ρισκάρουμε και πάλι την ορθότητα της εκτέλεσης. Τέλος, αν θέλουμε η υπολογιστική μηχανή μας να είναι ανθεκτική σε ατέλειες των υλικών από τα οποία κατασκευάζονται τα τσιπ ή σε σωματίδια από το διάστημα (άρα να λειτουργεί ορθά υπό όλες τις συνθήκες) επιβάλλεται να δαπανήσουμε περισσότερη ενέργεια και να θυσιάσουμε απόδοση! Καμία από τις πτυχές της σχεδίασης μιας υπολογιστικής μηχανής δεν είναι ανεξάρτητη από τις άλλες. Η βέλτιστη σχεδίαση είναι ένα παιχνίδι συμβιβασμών μεταξύ απόδοσης/ποιότητας και κόστους όπως κι αν αυτό μετριέται. Γι’ αυτό η δουλειά ενός μηχανικού υπολογιστών είναι συναρπαστική.

Πρέπει να τρομάζουμε από το γεγονός ότι οι υπολογιστές κάνουν λάθη; Βρήκατε τον τρόπο να εντοπίζουμε το 1 στα 1000 τσιπ που μπορεί να μη λειτουργεί σωστά;
Όταν η Meta και η Google ανακοίνωσαν πριν τρία χρόνια τον αριθμό των ελαττωματικών τσιπ προκάλεσαν αίσθηση. Όμως χρειάζεται προσοχή για να κατανοηθεί τι σημαίνει «1 στα 1000 τσιπ». Δεν αναφέρεται σε τσιπ που γενικώς δεν λειτουργούν σωστά και μπορούν να προκαλέσουν την παύση της λειτουργίας του υπολογιστή ή μια άλλη εύκολα αντιληπτή λανθασμένη λειτουργία όπως το «κρασάρισμα» του υπολογιστή. Το «1 στα 1000» τσιπ αναφέρεται σε επεξεργαστές που λειτουργούν κανονικά και δίνουν λανθασμένα αποτελέσματα πράξεων χωρίς να το γνωρίζουμε! Γι’ αυτό ονομάζονται «σιωπηλά σφάλματα» (silent errors). Κυριολεκτικά ο ελαττωματικός επεξεργαστής αντί να δώσει το αποτέλεσμα 11 στην πρόσθεση των αριθμών 5 και 6, δίνει ένα λανθασμένο αποτέλεσμα, π.χ. 14. Το λανθασμένο αποτέλεσμα (που ποτέ δεν ελέγχουμε αν είναι σωστό) συσσωρεύεται και επηρεάζει τους επόμενους υπολογισμούς χωρίς κανείς να το αντιλαμβάνεται. Δημιουργείται έτσι αυθόρμητα το ερώτημα «αφού τα σφάλματα είναι σιωπηλά, πως μπορεί κανείς να τα μετρήσει;» ή αντίστοιχα «πως γνωρίζουμε ότι τα υπόλοιπα 999 τσιπ δεν παράγουν σιωπηλά σφάλματα;». Η δική μας έρευνα εστιάζει σε δύο πτυχές του προβλήματος. Πρώτον να εκτιμήσουμε πόσα προγράμματα που εκτελούνται σε έναν υπολογιστή (σε ένα κέντρο δεδομένων ή οπουδήποτε αλλού) ανά ώρα, μέρα, εβδομάδα παράγουν σιωπηλά σφάλματα, δηλαδή να μετρήσουμε το μέγεθος ή τον ρυθμό του προβλήματος. Δεύτερον, και μάλλον σημαντικότερο, να εντοπίσουμε τα τσιπ που λόγω ατελειών των υλικών ή της κατασκευής μπορούν να δημιουργήσουν σιωπηλά σφάλματα κατά την εκτέλεση, πριν αυτό συμβεί. Δηλαδή πριν να επηρεαστεί ο χρήστης. Ναι, βρήκαμε έναν ιδιαίτερα αποτελεσματικό τρόπο να εντοπίζουμε τα ελαττωματικά τσιπ και τον αξιολογούμε σε μεγάλη κλίμακα.

Το γεγονός του  “υπολογιστικού λάθους” δεν πρέπει να το λάβουμε σοβαρά υπόψη την εποχή της ραγδαίας ανάπτυξης της τεχνητής νοημοσύνης;
Φυσικά. Όλα τα μοντέλα τεχνητής νοημοσύνης «εκπαιδεύονται» μαζικά εκτελώντας για μεγάλα χρονικά διαστήματα προγράμματα σε εκατοντάδες χιλιάδες τσιπ επεξεργαστών διαφόρων τύπων: CPUs, GPUs, και ειδικά τσιπ επιταχυντών (accelerators) για μηχανική μάθηση. Αν 1 στα 1000 τέτοια τσιπ (περισσότερα από 1 κατά την εκτίμησή μου) εκτελούν λανθασμένους αριθμητικούς υπολογισμούς όπως πολλαπλασιασμούς και προσθέσεις, πώς μπορούμε να εμπιστευόμαστε το προϊόν της εκπαίδευσης του μοντέλου τεχνητής νοημοσύνης και στη συνέχεια να το χρησιμοποιούμε μαζικά; Ευτυχώς, όλες οι μεγάλες εταιρείες τεχνολογίας γνωρίζουν την βαρύτητα του προβλήματος της αξιόπιστης εκτέλεσης των υπολογισμών και επενδύουν στην επίλυσή του.

Συμμετέχετε σε μια παγκόσμια προσπάθεια, μαζί με ιδιωτικές εταιρείες για τη βελτίωση της ποιότητας των υπηρεσιών των σύγχρονων μηχανών. Λειτουργεί αυτή η συνεργασία μεταξύ ακαδημαϊκού χώρου και βιομηχανίας περισσότερο υπέρ του πολίτη ή της τεχνολογικής βιομηχανίας;
Η υπολογιστική (computing) είναι και θα παραμείνει ο πιο συναρπαστικός τομέας της ανθρώπινης δραστηριότητας. Σαν τέτοιος έχει πάντα και τις δύο πτυχές: τη συνεισφορά στη βελτίωση της ζωής όλων μας αλλά και το επιχειρηματικό κέρδος που τροφοδοτεί περαιτέρω καινοτομίες. Πάντα οι γραμμές μεταξύ των δύο πτυχών είναι λεπτές. Ευτυχώς, στο πρόβλημα των σιωπηλών σφαλμάτων των τσιπ τα πράγματα είναι σχετικά απλά: κανείς δεν θα εμπιστευτεί υπολογιστικές μηχανές που δεν λειτουργούν σωστά άρα δεν θα τις αγοράσει. Η παραμικρή αμφιβολία για την ορθότητα της λειτουργίας (άρα την ποιότητα) μιας υπολογιστικής μηχανής βλάπτει δραματικά την εμπορικής της αξία. Συνεπώς είναι προς το συμφέρον και των πολιτών-χρηστών των υπολογιστικών μηχανών αλλά και όλων των παικτών της τεχνολογικής βιομηχανίας να μειώσουν ή να εξαλείψουν τις επιπτώσεις του προβλήματος των σιωπηλών σφαλμάτων. Η ακαδημαϊκή ερευνητική κοινότητα τρέφεται με την ύπαρξη τόσο σημαντικών προβλημάτων που απαιτούν λύσεις!

Ποια θα είναι τα κύρια σημεία στην ομιλία σας στο TEDxAthens;
Θα αναφερθώ στις αιτίες που προκαλούν τα σιωπηλά σφάλματα και το εκτιμώμενο εύρος του προβλήματος καθώς και τις απαιτούμενες προσεγγίσεις για την επίλυσή του. Έχουμε διαθέσιμο ένα πολύ ευρύ φάσμα λύσεων οι οποίες όμως κοστίζουν και ο επιμερισμός του κόστους μεταξύ των συντελεστών της τεχνολογικής βιομηχανίας δεν είναι προφανής. Ως προς την ερευνητική και ακαδημαϊκή κοινότητα: ζούμε σε χρυσές εποχές.