NEXT 9/2008 - Potęga wielu rdzeni

Do układów dwu-, cztero-, a nawet sześciordzeniowych zdążyliśmy się już przyzwyczaić. Powoli nadchodzą jednak czasy, w których procesory będą się składały nie z kilku, ale kilkuset miniaturowych rdzeni, a ich moc obliczeniowa wyrażana będzie w teraflopsach.

80-rdzeniowy procesor Polaris to jedno z przedsięwzięć badawczych mających na celu zaprojektowanie rozwiązań pozwalających na przetwarzanie terabajtów danych na procesorach o teraflopsowej wydajności. Na zdjęciu pracownik Intela prezentuje płytkę krzemową z procesorami Polaris. Gotowy egzemplarz działa na eksperymentalnej platformie umieszczonej na zdjęciu.

Idea przeprowadzania równoległych obliczeń dzięki jednoczesnemu zastosowaniu kilku procesorów nie jest nowa. Już w 1960 roku amerykańska firma Control Data Corporation produkowała skonstruowane m.in. przez legendarnego Seymoura Craya – twórcę późniejszych superkomputerów z rodziny Cray – komputery z serii CDC-6000. Wyposażone one były w dwie główne jednostki centralne i od 7 do 10 procesorów pomocniczych, które dzisiaj nazwalibyśmy koprocesorami.

Zwielokrotnianie procesorów

W 1982 roku zaprezentowany został Cray X-MP, pierwszy na świecie komputer wykorzystujący architekturę SMP (Symmetric Multiprocessing). W maszynie tej zwielokrotniono zastosowany procesor wektorowy i wykorzystano wspólną dla wszystkich jednostek centralnych pamięć operacyjną. Zastosowane w tym superkomputerze rozwiązania wykorzystywane są do dziś w systemach wieloprocesorowych oraz we wszystkich układach wielordzeniowych produkowanych przez firmy AMD i Intel.

Pierwsze dwuprocesorowe maszyny SMP zgodne z architekturą x86 pojawiły się w 1995 roku. Były to komputery wykorzystujące układy Pentium Pro. Później przyszedł czas wieloprocesorowych komputerów wykorzystujących kości Intel Xeon i AMD Opteron. Jeśli chodzi o seryjnie produkowane układy dwurdzeniowe, to firma AMD jako pierwsza zaprezentowała swoje dwurdzeniowe Opterony z serii 200 i 800 już w kwietniu 2005 roku. Masowo produkowane układy czterordzeniowe pierwszy zaś opracował i zaprezentował Intel. Były to pokazane w grudniu 2006 roku kości Xeon 5300 i Core 2 Extreme QX6700.

Granica opłacalności

W trakcie prac nad układami cztero- i więcej rdzeniowymi wyszło na jaw, że zwiększanie w architekturze SMP liczby rdzeni ma sens tylko do pewnego momentu. Według Intela granica ta to maksimum 16 tradycyjnych rdzeni x86. Dalsze rozbudowywanie układów nie ma sensu, gdyż zyski ze zwiększenia wydajności są tracone na czas potrzebny do wymiany informacji między rdzeniami oraz zsynchronizowanie i zapewnienie spójności danych przechowywanych w pamięci. Procesory takie nie tylko nie przyspieszą, ale wręcz zwolnią.

Wielu specjalistów zajmujących się architekturą i produkcją procesorów uważa, że granica opłacalności to wręcz tylko osiem rdzeni, gdyż koszty produkcji układów o większej liczbie zintegrowanych procesorów będą zbyt duże w stosunku do uzyskiwanej mocy obliczeniowej. Tak czy inaczej, zbliżamy się powoli do końca możliwości dalszego, prostego zwiększania mocy obliczeniowej procesorów przez dodawanie rdzeni. Podobnie kilka lat temu procesory osiągnęły kres możliwości przyspieszania ich prędkości pracy przez zwiększanie szybkości zegara taktującego. Przyspieszanie zegara przestało być opłacalne ze względu na trudności związane z ilością dostarczanej do układów energii i ogromnymi problemami z ich sprawnym chłodzeniem.

W tym miejscu naukowcy doszli do technologicznej ściany – co zrobić, aby za 5–6 lat procesory kolejnych generacji były wciąż szybsze od swoich poprzedników, zwłaszcza że ogromna moc obliczeniowa będzie potrzebna do strumieniowego przetwarzania w czasie rzeczywistym coraz większej liczby obrazów wideo wysokiej rozdzielczości. Konstruktorzy Intela postanowili wrócić do sprawdzonej idei wykorzystania wielu prostych procesorów. Tak narodził się projekt Intel Terascale Computing Research Program i powstający w jego ramach 80-rdzeniowy procesor Polaris.

Prosta wielordzeniowość

W konstrukcji Polarisa inżynierowie wykorzystali doświadczenia zdobyte przy projektowaniu superkomputerów klastrowych zbudowanych na bazie tysięcy zwykłych dwu- i czterordzeniowych procesorów komunikujących się ze sobą za pomocą przerzutników InfiniBand. Doświadczenia te w połączeniu z praktyką zdobytą przy produkcji układów półprzewodnikowych zaowocowały skonstruowaniem zamkniętego w jednej niewielkiej obudowie procesora, którego maksymalna moc obliczeniowa wynosi 1,81 teraflopsa. Dla porównania teoretyczna moc obliczeniowa trzygigahercowego procesora Intel Core 2 Duo to 12,5 GFLOPS, a najszybszego obecnie na świecie superkomputera IBM Roadrunner, składającego się z, bagatela, 122 400 procesorów, wynosi 1026 teraflopsów.

Powierzchnia 80-rdzeniowego Polarisa wynosi 275 mm2, czyli tyle, ile serwerowego procesora Intel Xeon. Układ składa się ze 100 milionów tranzystorów i pobiera mniej mocy niż standardowe jednostki centralne montowane w pecetach. Procesor taktowany jest zegarem 3,16 GHz i wykonuje 1,01 biliona operacji na sekundę. Pobiera on wówczas zaledwie 62 W energii. Po zwiększeniu prędkości pracy do 5,1 GHz zapotrzebowanie na moc wzrasta do 175 W, ale za to wydajność przekracza już 1,63 teraflopsy. Przy maksymalnej dopuszczalnej prędkości 5,7 GHz wydajność wzrasta do 1,81 teraflopsa. Wówczas układ ten zużywa 265 W energii, co nie jest zbyt wygórowaną jak na obecne czasy wartością w porównaniu z prądem pobieranym przez karty graficzne.

Ocena:    (aby ocenić, musisz się zalogować w serwisie)

 del.icio.us |  Wykop mnie |  Digg this story |  dodajdo.com

• Procesor skrojony na miarę »
  rewolucja w podejściu do budowy CPU
• Kupić czy poczekać? »
  nowe procesory Intela
• Wirtualizacja z Xenem »
  uruchamianie systemów wirtualnych
• Notebooki przyszłości »
  rozwój komputerów przenośnych
• Rok smoka »
  raport: procesory AMD