Cell — единица производительности

Евгений Патий, "Экспресс электроника", #05/2005

В наше время на IT-рынке c завидной периодичностью появляется информация о выходе очередного инновационного продукта, призванного совершить революцию и низвергнуть с трона прежних властителей. Как правило, грядущая новинка (иногда оказывается, что на самом деле ее и не существует вовсе) активно продвигается посредством умело запускаемых слухов. Примеры такого маркетинга хорошо известны. К счастью, сказанное не относится к компаниям IBM, Toshiba и Sony, разработавшими принципиально новый микропроцессор под названием Cell и уже представившими его работающий прототип. Достоверными сведениями об этом чипе мы и спешим поделиться с вами.

Вообще, все началось с микропроцессора PowerPC, созданного IBM в сотрудничестве с Apple и Motorola и выпущенного в 1993 году. Этот чип был действительно хорош для своего времени, однако к концу прошлого века у непосредственного его производителя, компании Motorola, возникли серьезные трудности с выпуском годных изделий. За производство PowerPC взялась компания IBM, к тому моменту уже имевшая репутацию серьезного изготовителя микроэлектроники, к тому же хорошо проявившая себя в различных совместных проектах. PowerPC производства IBM оказался удачным процессором, чипы этого семейства выпускаются и используются в различных продуктах по сей день.

К своему очередному совместному проекту IBM привлекла фирмы Sony и Toshiba. Цель образования данного альянса проста: создание нового революционного процессора на базе наработок, полученных в результате проектирования и производства PowerPC.

Здесь следует сделать отступление. Заметьте, сколь часто мы слышим словосочетание «революционная разработка». Как правило, оно употребляется лишь с целью привлечения внимания к продукту, в то время как ничего действительно революционного в нем нет, да и быть не может. Но применительно к Cell это выражение употребить уместно, хотя и с некоторой оговоркой.

На самом деле Cell — это целая архитектурная философия. Попробуем разобраться, в чем причины ее появления. И начнем с того, что Sony, инициатор всей истории с Cell, уделяет огромное внимание персональным компьютерам и игровым приставкам. У компании есть крупная дочерняя структура под названием Sony Computer Entertainment Inc. (SCEI), которая курирует данное направление. На этапе разработки игровой консоли PlayStation 2 было много разговоров о возможном создании Sony собственного процессора, ориентированного на использование в этой консоли, однако, судьба сложилась иначе — SCEI не нашла сильных партнеров, готовых поддержать начинание, а собственных ресурсов для осуществления затеи, видимо, было недостаточно.

Спустя некоторое время, речь идет уже о PlayStation 3, именно тут появляются первые упоминания о Cell. SCEI творчески переосмыслила предыдущий неудачный опыт, заручившись поддержкой крупнейших производителей микроэлектроники — IBM и Toshiba. Альянс получил название STI (Sony, Toshiba, IBM), а сведения о Cell, перейдя из категории слухов и недомолвок, стали уже чем-то поддающимся анализу и прогнозам.

Изначальная задумка в виде процессора для игровой консоли получила логическое развитие: Cell, будучи чипом еще на бумаге, уже «вырос из штанишек» PlayStation 3. Конкретные данные о процессоре альянс обнародовал на ежегодной конференции разработчиков микроэлектронных устройств International Solid State Circuits Conference (ISSCC) в 2005 году — исходя из этих сведений, Cell должен стать настоящим прорывом.

Следующее поколение потребительских электронных устройств, таких, как проигрыватели Blu-ray, HDTV, HD-камкордеры и, конечно, консоли PlayStation 3, потребует значительных вычислительных мощностей — на этот рынок, в первую очередь, и нацелен процессор Cell. Более того, IBM планирует использовать Cell в своих серверах, а также продавать чипы сторонним производителям.

Хотя Sony и Toshiba сотрудничали на этапе разработки PlayStation 2, сегодняшние реалии требуют помощи сильного партнера, который взял бы на себя часть вопросов, касающихся разработки дизайна процессоров и выпуска чипов — всем этим требованиям отвечала IBM. Стоит напомнить, что «Голубой гигант» обладает крупнейшими производственными мощностями и всегда готов прийти на помощь коллегам (как это случалось уже не раз).

Работы над новым процессором начались еще в 2001 году, за это время Sony потратила на разработку Cell немало средств — чего стоит специально построенная фабрика в Нагасаки, где будут выпускаться процессоры.

Архитектура Cell

Cell спроектирован на основе архитектуры высокопроизводительных распределенных вычислений, включающей аппаратные и программные ячейки («Cell»). Последние состоят из данных и программного кода (также известны как «апплеты»). Программные ячейки передаются аппаратным, где они обрабатываются с возвращением результата.

Архитектура Cell не фиксированна — если у пользователя есть консоль PlayStation 3, телевизор HDTV, оснащенные процессорами Cell, вычислительные мощности этих чипов могут быть объединены для решения одной задачи. Прелесть Cell в том, что его можно использовать практически где угодно — от карманного компьютера до сервера, причем из этих устройств можно создать сеть распределенных вычислений.

Масштабируемость — одна из сильных сторон архитектуры Cell, так как вычислительная мощность единственного процессора велика сама по себе — отдельно взятый вычислительный элемент Cell (Processing Element, PE) имеет теоретическую мощность 250 GFLOPS (миллиардов операций с плавающей точкой в секунду).

Отдельный вычислительный элемент состоит из следующих блоков:

• Один процессорный модуль (Processing Unit, PU);
• Восемь присоединенных процессорных модулей (Attached Processing Unit, APU);
• Контроллер прямого доступа к памяти (Direct Memory Access Controller, DMAC);
• Интерфейс ввода/вывода (Input/Output Interface);
• Шина связываемых элементов (Element Interconnect Bus, EIB).

Озвученные на ISSCC ‘2005 названия основных структурных элементов были несколько изменены: Processing Unit стал POWER Processor Element, PPE (процессорный элемент на основе ядра PowerPC), Attached Processing Unit — Synergistic Processor Element, SPE (синергический процессорный элемент).

Вот некоторые цифры, касающиеся вычислительного элемента Cell:

• Тактовая частота 4,6 ГГц;
• Напряжение питания ядра 1,3 В;
• Рабочее энергопотребление около 85 Вт;
• Десять термосенсоров;
• Пропускная способность «вне процессора» 6,4 Гбит/с;
• Техпроцесс 90 нм («кремний-на-диэлектрике», low-k, восемь слоев, медно-металлические внутренние соединения);
• Количество транзисторов — 234 млн, площадь чипа 221 мм².

Характеристики для нынешнего дня кажутся неслыханными. Конечно же, имеется в виду серийно выпускаемый чип, об экстремальном разгоне речь в данном случае не идет.

Анатомия Cell

Процессор Cell значительно отличается от привычных x86-чипов. Микросхема включает 64-разрядное ядро POWER и восемь процессорных элементов (Synergistic Processor Element — SPE), представляющих собой специализированные микрокомпьютеры. IBM позиционирует Cell как систему на чипе, подобно процессорам POWER5, мультипроцессорность у Cell предусмотрена изначально.

По имеющимся сведениям, прототип Cell основан на 64-разрядном ядре POWER и восьми 32-разрядных блоках SPE. Эти компоненты соединены скоростной шиной EIB, кроме того имеется встроенный двухканальный контроллер памяти, который сегодня способен работать с быстрой памятью Rambus XDR (максимальный объем 256 Мбайт). Связь с остальными компонентами производится посредством системной шины FlexIO (кодовое название Redwood) с пиковой тактовой частотой 6,4 ГГц, FlexIO может связывать и другие процессоры Cell.

До сих пор неясно, какой чип на самом деле является предком процессорного ядра Cell — известно лишь, что это не Power5 и не PowerPC 970. В любом случае, PPE процессора Cell обладает кэш-памятью первого уровня объемом 64 кбайт (32 кбайт — данные, 32 кбайт — инструкции) и 512 кбайт второго уровня, а также конвейером длиной 11 стадий, что по нынешним меркам немного. Несмотря на короткий конвейер, разработчики сообщают о грандиозном частотном запасе у Cell.

Cell обладает встроенной технологией управления энергопотреблением. Если учесть, что компания Sony — лицензиат технологии Long Run от Transmeta, то возможно, именно она применяется в новом процессоре.

Гораздо более интересны специализированные 128-битные синергистические (synergistic) процессорные элементы. В них 128-битный операнд разделяется на четыре 32-битных слова, каждый SPE представляет собой специализированный процессор для работы с потоковыми инструкциями SIMD — для процессоров Intel аналогами являются блоки SSE, для AMD — 3DNow! Возникает справедливый вопрос: зачем целых восемь SPE? Точного ответа на него нет, хотя можно сделать некоторые предположения. Наличие восьми блоков обработки потоковых данных дает повод назвать Cell «гипермультимедийным», более того, компания IBM сама считает Cell симбиозом собственно процессора и графического чипа. Потоковых данных в окружающем нас мире очень много, поэтому чтобы загрузить все восемь SPE, практических применений можно придумать достаточно: задачи шифрования, перекодирования в реальном времени видео и аудиоинформации, архивация, трехмерная анимация и т. д. На этом фоне заданный выше вопрос видоизменяется: почему у процессоров x86 подобных блоков так мало?

Cell против PC: аппаратура

Если позиционировать Cell как противника имеющимся или планируемым решениям AMD и Intel, здесь появляется совершенно другой вид противостояния, нежели те, что были ранее. Разница в скорости очевидна хотя бы потому, что в ближайшем будущем не намечается никакого капитального пересмотра архитектуры x86, который смог бы приблизить процессоры Intel и AMD к Cell по производительности.

Мультиядерные чипы от AMD и Intel уже доступны, но высокоскоростные чипы x86 обладают высоким энергопотреблением, что влечет определенные ограничения. Например, чтобы уместить два ядра Opteron в одном чипе, AMD пришлось снизить их тактовую частоту — иначе энергопотребление процессора вышло бы за разумные рамки. Аналогична ситуация и у Intel с процессором на базе ядер Pentium 4.

Тем не менее, например, Pentium M характеризуется хорошей производительностью при невысоком энергопотреблении, поэтому разработка многоядерного чипа на основе Pentium M должна пройти более гладко. Здравый смысл подсказывает, что в ближайшие годы появятся процессоры с двумя, четырьмя и восемью ядрами, аналогичными тем, что используются в Pentium M.

Стоит рассмотреть возможное противостояние архитектуры Cell и x86 и с точки зрения параллелизма. Как говорилось выше, Cell изначально предполагает параллельную природу вычислений, что ставит этот процессор в выгодное положение по отношению к потенциальным конкурентам. Алгоритм прост: если требуется больше процессорной мощности, нужно лишь добавить еще один (два, три) процессор(а). Операционная система самостоятельно перераспределит программные ячейки с учетом второго, третьего и т. д. процессоров. Что касается платформы PC, много операционных систем под нее поддерживает мультипроцессорные конфигурации. Но огромное количество стороннего ПО не способно использовать преимущества нескольких процессоров и требует коренных изменений на уровне первичного алгоритма — а этот процесс может занять долгие годы. Приложения для Cell будут изначально разрабатываться с учетом масштабируемости.

Хотя Cell может оказаться значительно более производительным, нежели существующие процессоры архитектуры x86, история показывает, что платформа PC обладает удивительной способностью «класть на лопатки» значительно более производительные и изящные разработки. Чтобы преодолеть это обстоятельство, производительности в чистом виде недостаточно.

Cell против PC: программное обеспечение

Основная проблема, как всегда, — в программном обеспечении, неважно, насколько производителен новый процессор. Именно ввиду этого обстоятельства платформа PC всегда оказывалась выигрышной с точки зрения продаж, так как программного обеспечения для PC всегда было гораздо больше, чем для любой иной платформы.

Cell должен стать дешевым и мощным. Но может ли он бросить вызов PC? Может, по нескольким причинам, которые необходимо перечислить.

Во-первых, существует Linux, который доказал всему миру, что и на устоявшемся рынке программного обеспечения для PC возможны прорывы — эта операционная система сегодня выглядит вполне реальным конкурентом Windows. Но для Cell важнейшее свойство Linux — кросс-платформенность. Если пользователю Linux необходимо определенное программное обеспечение, то замена аппаратной платформы будет для него совершенно прозрачна: это ПО может быть успешно скомпилировано и запущено как на старой, так и на новой аппаратуре. Если быть более конкретным — компания IBM уже переносит Linux на платформу Cell.

Во-вторых, козырем Cell выглядит ценовой фактор. Некоторые платформы требуют компонентов, выпускающихся крайне малыми партиями. Это автоматически повышает стоимость готового устройства до пределов, в которых конкурировать с PC уже нельзя. Cell может быть дорогим лишь на первом этапе продвижения, но когда предприятия Sony, Toshiba и IBM достигнут расчетной нагрузки и производство процессоров будет вестись в больших объемах, цена значительно снизится.

Кроме того, процессоры Cell могут производиться на предприятиях Samsung, Infineon и даже AMD — естественно, при наличии соответствующих лицензионных соглашений.

Технологически возможна интереснейшая идея создания периферийной карты с интерфейсом PCI Express, оснащенной процессором Cell — эдакое подспорье компьютеру, аппаратный ускоритель. Причем данное утверждение не голословно, об этом говорят уже многие производители. Хотя есть риск, что Microsoft проигнорирует Cell как таковой...

Еще одна серьезная опасность, касающаяся программного обеспечения: многие факты свидетельствуют о потенциальной сложности написания программ для Cell, ведь это означает заставить все девять подпроцессоров, входящих в состав Cell, работать четко и скоординированно. И это, в принципе, не беда — были бы инструментальные средства разработчика, а компилятор сам расставит все по местам. Загвоздка в том, что сейчас таких средств нет (хотя есть обещания о появлении оных к моменту выхода самого Cell).

Все-таки писать программы для Cell можно уже сейчас — для этого существует набор расширений для компилятора GCC.

Кроме того, большие шансы использования Cell компанией Apple позволяют говорить о портировании на эту платформу MacOS X. Не будем забывать, что внутри MacOS X кроется ядро BSD — а BSD давно доказала свою жизнеспособность в самых различных аппаратных конфигурациях.

Итак, Sony, Toshiba и IBM обладают потенциально очень мощной разработкой. При надлежащей рекламной кампании (а в ней, по-видимому, можно не сомневаться) скоро в домах поселятся устройства совершенно нового уровня — телевизор будет помогать проигрывателю декодировать видеоконтент, а игровая приставка — обсчитывать трехмерный пейзаж. Как-то это все не укладывается в рамки привычного понимания применения компьютерной техники. Ну что ж, нам остается лишь ждать.