Клетка: настоящее и будущее процессора Cell

26.09.2006 | Версия для печати | Послать ссылку по почте | Комментарии | Добавить в

Суперкомпьютеры, персональные компьютеры, серверы, игровые консоли, бытовая электроника, сотовые телефоны, КПК, плееры… Угадай, что может быть между ними общего, кроме того, что все они работают на транзисторах? На сегодня, пожалуй, примечательных сходств найти не удастся, однако через несколько лет, скорее всего, можно будет уверенно ответить на этот вопрос: «Процессор Cell».

История

Рассказ об истории разработки процессора Cell явно стоит начать с момента появления первого чипа семейства PowerPC. Началось все в 1991 году, когда три корпорации – Apple, Motorola и IBM – решили объединить свои усилия для создания производительного, перспективного и при этом недорогого RISC-процессора и соответствующей платформы для него. В качестве фундамента для разработки была взята проверенная архитектура IBM POWER (Performance Optimization With Enhanced RISC), которую надо было слегка упростить, местами расширить, капитально удешевить и реализовать на одном кристалле. На воплощение поставленной цели ушло порядка двух лет, после чего первый процессор, названный PowerPC 601, был, наконец, представлен общественности. Новинка была призвана конкурировать с появившимся в том же году Intel Pentium, и надо сказать, у PowerPC были все шансы выйти из этого спора победителем, так как он был вдвое меньше по площади, обладал вдвое меньшим энергопотреблением и в большинстве тестов смотрелся предпочтительнее. Вдобавок ко всему PowerPC и стоил дешевле. Однако в IBM затянули с выпуском чипа на рынок, а также не смогли обеспечить его достаточным ассортиментом дешевых комплектующих. В результате итоговая стоимость компьютера на основе PowerPC оказалась раза в полтора выше, чем на основе Intel или AMD, а поэтому и энтузиастов, решившихся опробовать PowerPC, оказалось совсем немного. Спустя пару лет стало окончательно понятно, что на рынке IBM PC новый процессор ничего хорошего уже не ждет, и после подсчета убытков было принято решение отказаться от дальнейших попыток изменить ситуацию. К 1998 году компания Apple осталась и вовсе единственным крупным производителем ПК, использующим PowerPC в своих компьютерах, а Microsoft, в свою очередь, поставила жирную точку в истории совместной жизни IBM PC и PowerPC, вычеркнув последний из списка совместимых процессоров Windows 2000.

Впрочем, такой трагичный расклад не поставил крест на архитектуре PowerPC – она продолжала постепенно эволюционировать, время от времени давая о себе знать анонсами новых мощных процессоров. Так в 1997 году на свет появился Power PC 750, в 1999 году – PowerPC 7400, а в 2002 году – 64-битный PowerPC 970. Впрочем, отношение большинства к PowerPC было как к загнивающей архитектуре, у которой нет и не будет особых перспектив, так что никто даже и не предполагал, что на ее основе может быть создано нечто примечательное, а уж тем более революционное…

С тех самых пор как Sony выпустила консоль PlayStation 2, компьютерное подразделение корпорации размышляло над тем, почему бы не испытать свои силы, например, на рынке рабочих станций, тем более что внушительный потенциал чипов Emotion Engine и Graphics Synthesizer из PlayStation 2 явно позволял поэкспериментировать. Однако, как это обычно и бывает, первый блин (рабочая станция GScube на основе шестнадцати пар чипов Emotion Engine и Graphics Synthesizer) оказался комом, поэтому в Sony решили несколько пересмотреть подход к решению проблемы, и, отказавшись от использования существующих чипов, приступили к созданию принципиально нового процессора. Заинтересовав своим предложением представителей Toshiba и IBM, корпорация основала новый альянс – STI (Sony Toshiba IBM), основной задачей которого стала разработка революционного «суперпроцессора» под кодовым названием «Cell». Четыре года непрерывной работы не прошли даром, и 7 февраля 2005 года альянс, наконец, провел презентацию архитектуры Cell Broadband Engine, продемонстрировав прототип чипа и поделившись максимально подробной информацией обо всем, что касается новой платформы.

Основные характеристики

Итак, что же представляет собой этот самый процессор Cell? В двух словах, это многоядерный RISC-процессор, наделенный феноменальной производительностью в вычислениях с плавающей точкой и идеально подходящий для работы в многопроцессорных системах. Представленный на презентации прототип чипа работает на тактовой частоте 4 ГГц, содержит в себе 234 миллиона транзисторов, производится по 90-нанометровому техпроцессу с применением технологии SOI (Silicon-on-Insulator) и занимает по площади 221 мм2. Сразу стоит заметить, что указанные выше характеристики касаются лишь демонстрационного образца, и в серийное производство будет запущен несколько другой вариант. В частности, в планах альянса перейти на 65-нанометровую технологию производства, благодаря чему удастся уменьшить площадь кристалла и резко понизить энергопотребление, которое составит приблизительно 30-40 ватт вместо 80 ватт у исходного чипа. Также возможны вариации на тему тактовой частоты – процессор отлично чувствует себя в диапазоне от 3.2 ГГц до 5.3 ГГц, чем можно воспользоваться в целях подбора оптимального соотношения производительности и энергопотребления. Предел возможностей показанной версии Cell, как заверяют создатели, это – 250 гигафлоп (миллиардов операций с числами с плавающей точкой в секунду), и если это хоть наполовину соответствует действительности, Cell без шуток можно будет назвать суперпроцессором.

Как же все-таки этому чипу удается демонстрировать столь выдающуюся производительность? Чтобы ответить на этот вопрос, придется подробнее остановиться на его архитектуре. Cell объединяет в себе целых девять самостоятельных процессоров, один из которых является управляющим – PPE (POWER Processor Element), а остальные восемь – «присоединяемыми», SPE (Synergistic Processor Element). Все процессоры довольствуются общей оперативной памятью, пользуясь единым встроенным контроллером интерфейса памяти – MIC (Memory Interface Controller). Также не менее важными компонентами Cell являются контроллер интерфейса шины ввода-вывода – BIC (Bus Interface Controller) и шина – EIB (Element Interconnect Bus), объединяющая между собой все вышеперечисленные блоки. Ниже мы рассмотрим каждый их этих элементов более детально.

Повторимся: конкретные цифры касаются лишь презентационного варианта чипа Cell, на практике архитектура процессора допускает широчайшую масштабируемость почти по всем направлениям, и этим непременно будут пользоваться производители для создания CPU, удовлетворяющих конкретным нуждам.

PPE и SPE

В начале статьи мы не случайно рассказывал про архитектуру POWER – управляющий процессорный элемент является ни чем иным, как 64-битным PowerPC. Среди важных особенностей PPE стоит отметить возможность одновременной обработки двух потоков (SMT (Simultaneous Multi-Threading)) и наличие блока векторных вычисление VMX (Vector Multimedia eXtensions). Объем L1-кэша составляет 16 Кб для инструкций и 16 Кб для данных, объем L2-кэша – существенно больше, и составляет 512 Кб. По большому счету, PPE не является главной вычислительной мощью чипа, он, скорее, служит контроллером для эффективного распределения нагрузки между SPE.

Присоединяемые процессорные элементы реализованы на порядок проще. Они являются векторными RISC-процессорами со 128-битной SIMD-архитектурой (Single Instruction, Multiple Data). Основу SPE составляют четыре блока для выполнения операций с числами с плавающей точкой и четыре блока для выполнения целочисленных векторных операций. За один такт SPE может обсчитывать либо шестнадцать 8-битных целых, либо восемь 16-битных целых, либо четыре 32-битных целых, либо четыре числа с плавающей точкой. Каждый SPE оснащается собственной локальной памятью объемом 256 Кб (четыре блока по 64 Кб) для хранения инструкций и данных, причем содержимое данной памяти доступно для PPE и может полностью управляться на программном уровне. Также каждый SPE имеет в своем распоряжении 128 регистров с разрядностью 128 бит. Для доступа к внешней оперативной памяти SPE использует расширенный набор команд DMA, при этом передача данных может идти без участия PPE. Теоретическая пиковая производительность одного SPE при тактовой частоте 3.2 ГГц составляет 25.6 гигафлоп в секунду, и в условиях реальных тестов удавалась достичь до 98% использования этого потенциала.

EIB, MIC и BIC

Важнейшую роль в обеспечении высокой производительности играет шина EIB. Она связывает друг с другом все компоненты процессора, используя для этого четыре 128-битных кольца, передающих данные в противоположных направлениях (два кольца – в одну сторону, два – в другую). При этом за один цикл может пересылаться до 768 бит. Чтобы компоненты чипа не отвлекались на данные, которые для них не предназначаются, каждый из них оборудован повторителем, пересылающим данные дальше по кольцу, пока они не достигнут места назначения. Шина EIB проектировалась с прицелом на будущее, поэтому если для следующих чипов потребуется убрать или добавить определенное количество SPE, это можно будет сделать просто и безболезненно.

При разработке контроллера интерфейса памяти альянсу активно помогала скандально-известная компания Rambus. Именно новую разработку этой фирмы, двухканальную память XDR RAM, и планируется использовать совместно с процессором Cell. При установке четырех чипов памяти суммарная пропускная способность интерфейса составит 25.6 Гбайт/с, притом, что на данный момент максимально возможный объем установленной памяти может достигать 32 Гб (в дальнейшем он может быть и расширен, если, конечно, Rambus удастся изготовить более емкие чипы). Контроллер интерфейса ввода-вывода также основывается на одной из разработок Rambus – шине FlexIO, которая может похвастаться пропускной способностью в 76.8 Гбайт/с.

Перспективы

Теперь пора разобраться, в каких же устройствах может пригодиться Cell. Прежде всего, он хорош как центральный процессор – такому будут рады в любом персональном компьютере, сервере или игровой приставке. Низкое энергопотребление в сочетании с пятиступенчатой системой понижения тактовой частоты явно придется по вкусу портативным компьютерам, а появление в будущем миниатюрной версии под названием Micro Cell откроет для него дорогу и на рынок мобильных телефонов, КПК, карманных аудио- и видеоплееров, а также портативных консолей (Sony PlayStation Portable 2?). Естественно, это еще далеко не все! Одно из главных достоинств Cell в его всесторонней универсальности, поэтому он может использоваться практически для любых задач. Графический чип? Пожалуйста! Физический процессор? Ради Бога! DSP-процессор? Само собой! Плюс ко всему, если вспомнить про популярность PowerPC во всякой интеллектуальной электронике, Cell там явно будет не лишним.

Этим уникальные возможности Cell снова не ограничиваются. Корпорация IBM, будучи прирожденным фанатом всякого рода суперкомпьютеров, просто не могла оставить без внимания и эту сторону вопроса. Чип изначально затачивался под параллельную работу в связке с десятками/сотнями/тысячами... таких же, как он. Недаром процессор получил название «Cell», что можно перевести как «клетка» или «ячейка». Можно не сомневаться, что совсем скоро список мощнейших суперкомпьютеров возглавит именно такой «клеточный» организм. Конечно, суперкомпьютеры как таковые могут быть нам интересны лишь из любопытства – все равно мало кому удастся потрогать их своими руками. В быту, на первый взгляд, единственное применение, которое можно найти связке процессоров Cell, это многопроцессорные персональные компьютеры, однако на самом деле все намного круче. Оказывается, для того чтобы процессоры Cell могли скооперироваться для решения общих задач, совершенно необязательно, чтобы они находились внутри одного устройства, достаточно лишь наличия любой связи между ними. Что это значит? Допустим, у тебя есть игровая приставка, телевизор и видеомагнитофон, все они соединены друг с другом, и, естественно, в каждом из них имеется по чипу Cell. Теперь, когда ты в очередной раз засядешь за любимую игрушку, над обсчетом трехмерного мира будет трудиться не только процессор приставки, а одновременно все три чипа Cell, впрочем, если во время игры, к примеру, у видеомагнитофона возникнут свои неотложные дела (вроде записи телепередачи), его процессор переключится на решение новой задачи, а закончив с ней, снова вернется к игровым проблемам. А теперь представь, что будет, если объединить все процессоры в твоей квартире... А в подъезде? В доме? В районе? В городе?..

Суровая реальность

Как бы пафосно это ни звучало, глобальное распространение «клеточного» процессора действительно способно перевернуть все представления о вычислительной технике. Правда, остается одна мелочь: для осуществления этого плана данный процессор надо еще продать, и, к сожалению, уже сейчас у многих возникают небеспочвенные опасения, что с этим будет не все так гладко. Коммерческий успех камня зависит от множества второстепенных факторов, а именно: поддержки сторонних производителей железа и программного обеспечения, появления сверхпопулярных устройств на его основе, низкой цены, отсутствия дефицита, продуманной рекламной компании и других не менее важных условий. А тут, как говорится, не заладилось.

Началось все с неожиданного решения корпорации Apple. Как известно, с незапамятных времен яблочники были ярыми приверженцами процессоров PowerPC, неизменно используя их в фирменных настольных компьютерах и ноутбуках. Даже несмотря на определенные проблемы с производством мобильных PowerPC 970, мало кто сомневался, что Apple так и останется верной своей родной архитектуре, и в начале 2006 года заявит о своем желании в будущем частично или полностью перейти на процессоры Cell. Однако события развивались по совершенно другому сценарию: в Apple сделали диаметрально противоположный выбор в пользу процессоров Intel. И даже нельзя сказать, что это было ошибочным шагом – сближение с PC просто чудесным образом отразилось на популярности макинтошей, добавив в копилку компании много новых зелененьких бумажек. Так что теперь вероятность того, что Apple вернется на PowerPC или Cell, крайне мала. К тому же этой осенью альянс Cell вполне возможно ожидает другое разочарование, и куда более неприятное. С самого начала центральным проектом на основе процессора Cell была консоль нового поколения Sony PlayStation 3. Сумасшедшие объемы продаж предыдущей приставки PlayStation 2 должны были, вроде как, гарантировать не меньший успех и новой игрушке, но недавнее официальное заявление Sony о том, что цена консоли составит от 499 у.е. до 599 у.е. (долларов – для США, евро – для Европы) многих повергло просто в шок. Причем это только рекомендованная розничная цена! Учитывая несусветную наглость большинства дистрибьюторов, можно не сомневаться, что реальная цифра на ценнике окажется «немного» другой. Тем более, после откровенного нежелания Sony говорить о снижении цен, из тройки конкурирующих консолей нового поколения – PlayStation 3, Microsoft Xbox 360 и Nintendo Wii – именно изначальному гипотетическому лидеру пророчат аутсайдерские позиции.

Возможное появление Cell на рынке персональных компьютеров на сегодняшний день также является довольно большим вопросом. Пытаться тягаться с процессорами Intel и AMD новичку вряд ли под силу. То же самое касается и графических чипов NVIDIA и ATI. Физические процессоры пока не особо распространены, но и тут, в первую очередь, стоит ожидать шагов от NVIDIA и ATI. Использование Cell в качестве сопроцессора, допустим, устанавливаемого на отдельной плате расширения, конечно, весьма заманчиво, но перед этим надо заручиться поддержкой разработчиков операционных систем (читай Microsoft) и софта, а это очень-очень непросто. Конечно, чисто теоретически, возможно все – программисты IBM добавили в ядро Linux поддержку Cell, компания Toshiba изготовила опытный работоспособный образец настольного компьютера на базе нового процессора, но о том, что такое чудо техники может появиться в домах рядовых пользователей, пока слишком рано говорить...

Game Over?

Впрочем, если временно закрыть глаза на описанные выше «проблемные» отрасли, то перед процессором Cell по-прежнему открыты широчайшие просторы для самореализации. Давно на рынке электроники не появлялось ничего подобного, и будет очень обидно, если Cell так и не сможет реализовать свой потенциал.

КОММЕНТАРИИ:

Keywords: zPOSTz zARTICLEz, zCPUz z10915z
Для Авторов: edit delete