Кроме Intel попытку внедрить VLIW-архитектуру в повседневную жизнь предпринимала со своими x86-совместимыми процессорами небезызвестная Transmeta. У команды, в которой работал сам Линус Торвальдс, не было претензий на «новую сверхархитектуру», но процессоры они создали не менее интересные. Transmeta не стала проталкивать свой VLIW как индустриальный стандарт, а сосредоточилась на разработке специального софта, полностью имитирующего (программно!) на VLIW-процессоре обычную архитектуру x86. Производительностью такое решение не отличалось, но зато было простым (ибо VLIW архитектурно проще), дешевым (ибо простым) и потребляющим совсем немного энергии (в силу все той же простоты), что позволило Transmeta вполне успешно позиционировать свои CPU в нишу недорогих мобильных процессоров и даже процессоров для блейд-серверов. К сожалению, производственные трудности и появление технологии Centrino, которая свела конкуренцию на мобильном рынке почти к нулю, привели к тому, что Transmeta терпела огромные убытки. Так что судьба двух доступных пока VLIW-архитектур — Intel Itanium 2 и Transmeta Efficeon — очень похожа. Обе оказались вытеснены в узкоспециализированные ниши: Itanium 2 — в высокопроизводительную; Efficeon — в экономичную.
Итак, VLIW/EPIC на роль процессора завтрашнего дня пока не годится — те потенциальные преимущества, которыми она обладает, сегодня не оправдываются. Но существенные изменения в грядущих процессорах мы все-таки увидим.
Хотим мы того или нет, работать нам придется с многоядерными процессорами. Как уже говорилось, разработка нового процессорного ядра — дело весьма долгое даже при наличии опытной команды и чертежей предыдущей версии изделия; совершенствование технологических процессов, позволяющих уместить на одном кусочке кремния все больше транзисторов, происходит гораздо быстрее. Раньше это выливалось во все более «кэшастые» варианты одних и тех же архитектур и во все более «прямолинейные» варианты их разводки (пожертвовав площадью кристалла и увеличив его размеры, разводку можно сделать «более высокочастотной»); теперь же стало выгоднее просто устанавливать два-три-четыре одинаковых или почти одинаковых ядра в один кристалл или на одну подложку.
Но коль уж все равно нам светит повальный переход на параллельные алгоритмы (а параллельное программирование нетривиальных алгоритмов по праву считается одной из самых сложных современных задач), то имеет смысл уже сегодня заняться разработкой перспективных параллельных архитектур на основе принципиально новых концепций. Именно такой подход в лице процессора Cell (совместное детище Sony, Toshiba и IBM), возможно, и определит облик завтрашнего дня компьютинга.
По меркам же дня сегодняшнего Cell вызывает интерес своей необычностью и потрясающей футуристичностью: девять ядер, из которых одно главное, а восемь — вспомогательные; сумасшедшей пропускной способности интерфейсы и оперативная память Rambus; тактовая частота под три гигагерца. Но новизна процессора не в этом (вернее, не только в этом). Cell — это еще и попытка значительно пересмотреть существующие парадигмы программирования.
Cell в переводе на русский — ячейка. В концепции Cell существуют аппаратные и программные ячейки. Аппаратная ячейка — любой процессор, способный выполнять программные ячейки и связанный с другими процессорами. Программная ячейка — это данные, либо особая программа (apulet), описывающая, как следует обрабатывать данные. В идеале нет никаких самостоятельно существующих программ, нет процессоров и компьютеров. Есть только данные, код, который их обрабатывает, и абстрактная аппаратура, обеспечивающая существование того и другого. Не поняли? Смотрите: пусть у нас есть, например, передаваемый по Сети видеопоток.
Что такое видеопоток? На программном уровне это последовательность фреймов — небольших блоков данных, описывающих маленький кусочек (скажем, 0,1 с) видео или звуковой дорожки. В терминах Cell — поток ячеек, содержащих данные разного типа. Его воспроизведение можно представить как результат выполнения некоторой большой программы, с исходными данными в виде этого потока, а можно — как процесс многократного преобразования ячеек с данными, в ходе которого ячейки одного типа (например, сжатый звук) превращаются в ячейки другого типа (несжатый звук) маленькими программками (апулетами). Обычно все эти превращения запрятаны глубоко в некую всеобъемлющую программу, которая копирует поступающие данные в оперативную память, поочередно обрабатывает их разными алгоритмами и старается распределить обработку по нескольким процессорам. Идея Cell состоит в том, что вместо этой программно-ориентированной модели мы берем более естественную, ориентированную на данные модель декодирования видеопотока и сводим написание видеопроигрывателя к написанию инструкций типа «чтобы воспроизвести видеотрансляцию, нужно подключиться по такому-то адресу в Сети к источнику ячеек, преобразовать поступающий поток в поток ячеек со сжатым видео и сжатым звуком, преобразовать сжатый звук в несжатый, сжатое видео в несжатое, обработать несжатый звук эквалайзером и эффект-процессором, а к несжатому видео применить деинтерлейсинг, подогнать получившуюся картинку к размерам экрана, скорректировать яркость, насыщенность и контрастность и воспроизвести получившиеся аудио— и видеопотоки». Вот это и есть программа для Cell! В ней даже нет инструкций, указывающих, как делать все вышеописанное, — за «подробностями» Cell-устройство обращается к библиотеке алгоритмов, причем каждый алгоритм (апулет) — это тоже ячейка, которую, к примеру, можно на лету скачать из Сети с того же самого источника видеотрансляции. А какое железо и какая операционная система обеспечивает этот процесс с точки зрения Cell-программиста (фактически автора алгоритмов и описаний, подобных вышеприведенному), пользователя и главных действующих лиц — данных и апулетов, — совершенно неважно.
Какую выгоду мы имеем при такой организации? Во-первых, все написанные таким образом Cell-программы параллельны по самой своей сути. Мало того что мы разбиваем исполнение программы на несколько явно независящих друг от друга стадий, которые можно исполнять «в параллель». У нас же целая цепочка ячеек-данных, требующих обработки и в подавляющем большинстве случаев все эти ячейки друг от друга совершенно независимы — а значит, мы можем «превращать» по одному и тому же алгоритму несколько ячеек одновременно. Таким образом, в Cell удается загрузить работой не просто десятки — а сотни и даже тысячи «элементарных процессоров» (Synergetic Processing Element, SPE), причем задействовать для запущенной на одном процессоре задачи SPE всех процессоров данного устройства и даже совершенно прозрачным образом привлечь к ней же SPE других устройств! Представьте, что игровая приставка, домашний компьютер, телевизор, холодильник и КПК совместно работают над, скажем, запущенной пользователем задачей рендеринга трехмерной сцены, причем делают это совершенно прозрачным и незаметным для вас способом — и вы поймете всю прелесть подобной организации! А самое замечательное, что вся эта красота не стоила ни малейших усилий. Нам не требовалось размышлять над кластеризацией, пересылкой данных, блокировками, потоками и прочими «прелестями» параллельного программирования, превращающего жизнь программиста в кошмар: мы написали только «интересную» и «содержательную» часть кода, собственно «алгоритмику» задачи, переложив всю рутину на автоматику и, возможно, прозрачным образом задействовав для решения своих задач произвольное количество чужого кода[Скажем, если в трансляции видеопоток сжат нашим «фирменным» кодеком, а звук — обычным стандартным, то потребуется обеспечить лишь «свою» часть по видеодекодированию, а все остальное — декодирование звука, набор «улучшалок» для картинки и т. п. — Cell-устройство возьмет стандартное или ранее загруженное пользователем.].
Возможности для применения Cell-сети необъятны. По сути дела, это некий единый «живой организм», который «растет» (регистрирует в сети новые устройства) или «уменьшается»; который обладает «знаниями» (апулетами) и «живет» в глобальном мире — всемирной Сети, «питаясь» разнообразными данными и «перерабатывая» их. У этого «организма» есть «глаза» (веб-камеры), «уши» (микрофоны), «органы чувств» (клавиатура, мышь, джойстик), «средства коммуникации с внешним миром» (монитор, телевизор, колонки); которые физически могут принадлежать совершенно разным устройствам, но в действительности — одному Cell’у.
Добавление новых устройств в Cell-сеть, как правило, не изменяет ее функциональности (разве что добавляет новые «органы чувств», «средства отображения» и повышает быстродействие) — даже в самом простом варианте Cell универсальна.
Как это все реализовано в железе? В статье о приставках следующего поколения[«Три тополя на Плющихе»] я подробно описывал аппаратную составляющую одного из первых Cell-устройств — PlayStation 3, и его «сердце» — процессор Cell[Вообще-то он называется Broadband Processor, но это название как-то не прижилось], так что еще раз восхищаться сверхсовременными решениями вроде Rambus-памяти и интерконнекта FlexIO, пожалуй, не будем. Лучше посмотрим, откуда эта своеобразная «несимметричная девятиядерная архитектура» взялась.
Напомню, что в процессоре Cell девять ядер — одно главное и восемь вспомогательных. Но если посмотреть на это с точки зрения концепции Cell, то вспомогательным на самом деле является главное процессорное ядро — PPE (The Power Processing Element). На нем работает операционная система сети Cell, обеспечивающая прозрачное объединение нескольких устройств в сеть; выполнение программ — выборку данных и их распределение вместе с необходимыми апулетами по собственно вычисляющим элементам; взаимодействие с пользователем, работу драйверов устройств… в общем, все то, что мы тремя абзацами выше отнесли к рутине. А самое интересное происходит в маленьких ядрышках процессора Cell — модулях SPE. Фактически каждый такой Synergetic Processing Element — это крошечный самостоятельный компьютер (со своим процессором и своей оперативной памятью), который занимается одним-единственным делом: конвертирует поступающие к нему ячейки-данные согласно заложенному в него алгоритму. То есть физически воплощает в жизнь алгоритм, заложенный нами в одну ячейку-апулет, над ячейками-данными. Все, чем занимается PPE, в сущности, сводится к одному действию: взять данные, требующие обработки, поместить их в память SPE, запустить «процесс превращения» данных в другие данные и куда-нибудь передать полученный результат. Именно поэтому SPE очень много, а блок PPE — один; и именно поэтому у каждого SPE есть своя персональная «локальная» память и нет выхода на «глобальную» (она им попросту не нужна); именно поэтому SPE связаны очень быстрыми шинами и могут передавать данные друг другу напрямую, выстраивая те самые цепочки обработки данных, которые в обычном процессоре являются чистейшей воды абстракцией.
Кстати, использовать для создания Cell-устройств, способных стать частью Cell-сети, описанный процессор вовсе не обязательно. Концептуально от устройства требуется только одно: уметь интегрироваться в сеть (то есть содержать процессор, работающий под управлением соответствующих программ) и уметь выполнять над ячейками-данными ячейки-апулеты (например, содержать хотя бы один SPE). Вполне можно представить, что после «суперпроцессора» Cell появятся более простые варианты с меньшим (или наоборот, большим) числом SPE или даже совсем простые и дешевые мини-процессоры (использующие один SPE и более простой PPE, причем PPE может быть даже не PowerPC-процессором), которые можно будет за сущие гроши устанавливать в любую бытовую технику. С помощью Cell можно одинаково эффективно реализовывать и суперкомпьютеры[Уже представлены блейд-серверы из нескольких Cell-процессоров], и «цифровой дом».
Правда, настанет все это счастье, увы, нескоро — на создание принципиально новых операционных систем (основы Cell), стандартных Cell-библиотек, компиляторов и сред разработки, на перенос имеющегося программного обеспечения и, наконец, на самую обыкновенную перестройку мышления программистов уйдут в лучшем случае годы.
Доживем ли мы до «умных» сетей и распределенных «повсеместных» вычислений, столь же прозрачных, привычных и незаметных, как современные электросети? Годика через три увидим.
приставка Xbox 360, выпуск которой намечен на ноябрь], который невозможно использовать в обычных видеокартах; и нашего сегодняшнего героя R520, построенного по «классической», но сильно переработанной архитектуре. Вдобавок чип получился по-настоящему новым и революционным (после едва ли не трех лет постепенной эволюции удачной линейки Radeon 9xxx), так что его проектирование и доводка наверняка отличались особенной сложностью, и сколько ушло итераций на то, чтобы отловить все ошибки, — знают только инженеры aTI.
Концепция Cell
Хотим мы того или нет, работать нам придется с многоядерными процессорами. Как уже говорилось, разработка нового процессорного ядра — дело весьма долгое даже при наличии опытной команды и чертежей предыдущей версии изделия; совершенствование технологических процессов, позволяющих уместить на одном кусочке кремния все больше транзисторов, происходит гораздо быстрее. Раньше это выливалось во все более «кэшастые» варианты одних и тех же архитектур и во все более «прямолинейные» варианты их разводки (пожертвовав площадью кристалла и увеличив его размеры, разводку можно сделать «более высокочастотной»); теперь же стало выгоднее просто устанавливать два-три-четыре одинаковых или почти одинаковых ядра в один кристалл или на одну подложку.
Но коль уж все равно нам светит повальный переход на параллельные алгоритмы (а параллельное программирование нетривиальных алгоритмов по праву считается одной из самых сложных современных задач), то имеет смысл уже сегодня заняться разработкой перспективных параллельных архитектур на основе принципиально новых концепций. Именно такой подход в лице процессора Cell (совместное детище Sony, Toshiba и IBM), возможно, и определит облик завтрашнего дня компьютинга.
По меркам же дня сегодняшнего Cell вызывает интерес своей необычностью и потрясающей футуристичностью: девять ядер, из которых одно главное, а восемь — вспомогательные; сумасшедшей пропускной способности интерфейсы и оперативная память Rambus; тактовая частота под три гигагерца. Но новизна процессора не в этом (вернее, не только в этом). Cell — это еще и попытка значительно пересмотреть существующие парадигмы программирования.
Cell в переводе на русский — ячейка. В концепции Cell существуют аппаратные и программные ячейки. Аппаратная ячейка — любой процессор, способный выполнять программные ячейки и связанный с другими процессорами. Программная ячейка — это данные, либо особая программа (apulet), описывающая, как следует обрабатывать данные. В идеале нет никаких самостоятельно существующих программ, нет процессоров и компьютеров. Есть только данные, код, который их обрабатывает, и абстрактная аппаратура, обеспечивающая существование того и другого. Не поняли? Смотрите: пусть у нас есть, например, передаваемый по Сети видеопоток.
Что такое видеопоток? На программном уровне это последовательность фреймов — небольших блоков данных, описывающих маленький кусочек (скажем, 0,1 с) видео или звуковой дорожки. В терминах Cell — поток ячеек, содержащих данные разного типа. Его воспроизведение можно представить как результат выполнения некоторой большой программы, с исходными данными в виде этого потока, а можно — как процесс многократного преобразования ячеек с данными, в ходе которого ячейки одного типа (например, сжатый звук) превращаются в ячейки другого типа (несжатый звук) маленькими программками (апулетами). Обычно все эти превращения запрятаны глубоко в некую всеобъемлющую программу, которая копирует поступающие данные в оперативную память, поочередно обрабатывает их разными алгоритмами и старается распределить обработку по нескольким процессорам. Идея Cell состоит в том, что вместо этой программно-ориентированной модели мы берем более естественную, ориентированную на данные модель декодирования видеопотока и сводим написание видеопроигрывателя к написанию инструкций типа «чтобы воспроизвести видеотрансляцию, нужно подключиться по такому-то адресу в Сети к источнику ячеек, преобразовать поступающий поток в поток ячеек со сжатым видео и сжатым звуком, преобразовать сжатый звук в несжатый, сжатое видео в несжатое, обработать несжатый звук эквалайзером и эффект-процессором, а к несжатому видео применить деинтерлейсинг, подогнать получившуюся картинку к размерам экрана, скорректировать яркость, насыщенность и контрастность и воспроизвести получившиеся аудио— и видеопотоки». Вот это и есть программа для Cell! В ней даже нет инструкций, указывающих, как делать все вышеописанное, — за «подробностями» Cell-устройство обращается к библиотеке алгоритмов, причем каждый алгоритм (апулет) — это тоже ячейка, которую, к примеру, можно на лету скачать из Сети с того же самого источника видеотрансляции. А какое железо и какая операционная система обеспечивает этот процесс с точки зрения Cell-программиста (фактически автора алгоритмов и описаний, подобных вышеприведенному), пользователя и главных действующих лиц — данных и апулетов, — совершенно неважно.
Какую выгоду мы имеем при такой организации? Во-первых, все написанные таким образом Cell-программы параллельны по самой своей сути. Мало того что мы разбиваем исполнение программы на несколько явно независящих друг от друга стадий, которые можно исполнять «в параллель». У нас же целая цепочка ячеек-данных, требующих обработки и в подавляющем большинстве случаев все эти ячейки друг от друга совершенно независимы — а значит, мы можем «превращать» по одному и тому же алгоритму несколько ячеек одновременно. Таким образом, в Cell удается загрузить работой не просто десятки — а сотни и даже тысячи «элементарных процессоров» (Synergetic Processing Element, SPE), причем задействовать для запущенной на одном процессоре задачи SPE всех процессоров данного устройства и даже совершенно прозрачным образом привлечь к ней же SPE других устройств! Представьте, что игровая приставка, домашний компьютер, телевизор, холодильник и КПК совместно работают над, скажем, запущенной пользователем задачей рендеринга трехмерной сцены, причем делают это совершенно прозрачным и незаметным для вас способом — и вы поймете всю прелесть подобной организации! А самое замечательное, что вся эта красота не стоила ни малейших усилий. Нам не требовалось размышлять над кластеризацией, пересылкой данных, блокировками, потоками и прочими «прелестями» параллельного программирования, превращающего жизнь программиста в кошмар: мы написали только «интересную» и «содержательную» часть кода, собственно «алгоритмику» задачи, переложив всю рутину на автоматику и, возможно, прозрачным образом задействовав для решения своих задач произвольное количество чужого кода[Скажем, если в трансляции видеопоток сжат нашим «фирменным» кодеком, а звук — обычным стандартным, то потребуется обеспечить лишь «свою» часть по видеодекодированию, а все остальное — декодирование звука, набор «улучшалок» для картинки и т. п. — Cell-устройство возьмет стандартное или ранее загруженное пользователем.].
Возможности для применения Cell-сети необъятны. По сути дела, это некий единый «живой организм», который «растет» (регистрирует в сети новые устройства) или «уменьшается»; который обладает «знаниями» (апулетами) и «живет» в глобальном мире — всемирной Сети, «питаясь» разнообразными данными и «перерабатывая» их. У этого «организма» есть «глаза» (веб-камеры), «уши» (микрофоны), «органы чувств» (клавиатура, мышь, джойстик), «средства коммуникации с внешним миром» (монитор, телевизор, колонки); которые физически могут принадлежать совершенно разным устройствам, но в действительности — одному Cell’у.
Добавление новых устройств в Cell-сеть, как правило, не изменяет ее функциональности (разве что добавляет новые «органы чувств», «средства отображения» и повышает быстродействие) — даже в самом простом варианте Cell универсальна.
Как это все реализовано в железе? В статье о приставках следующего поколения[«Три тополя на Плющихе»] я подробно описывал аппаратную составляющую одного из первых Cell-устройств — PlayStation 3, и его «сердце» — процессор Cell[Вообще-то он называется Broadband Processor, но это название как-то не прижилось], так что еще раз восхищаться сверхсовременными решениями вроде Rambus-памяти и интерконнекта FlexIO, пожалуй, не будем. Лучше посмотрим, откуда эта своеобразная «несимметричная девятиядерная архитектура» взялась.
Напомню, что в процессоре Cell девять ядер — одно главное и восемь вспомогательных. Но если посмотреть на это с точки зрения концепции Cell, то вспомогательным на самом деле является главное процессорное ядро — PPE (The Power Processing Element). На нем работает операционная система сети Cell, обеспечивающая прозрачное объединение нескольких устройств в сеть; выполнение программ — выборку данных и их распределение вместе с необходимыми апулетами по собственно вычисляющим элементам; взаимодействие с пользователем, работу драйверов устройств… в общем, все то, что мы тремя абзацами выше отнесли к рутине. А самое интересное происходит в маленьких ядрышках процессора Cell — модулях SPE. Фактически каждый такой Synergetic Processing Element — это крошечный самостоятельный компьютер (со своим процессором и своей оперативной памятью), который занимается одним-единственным делом: конвертирует поступающие к нему ячейки-данные согласно заложенному в него алгоритму. То есть физически воплощает в жизнь алгоритм, заложенный нами в одну ячейку-апулет, над ячейками-данными. Все, чем занимается PPE, в сущности, сводится к одному действию: взять данные, требующие обработки, поместить их в память SPE, запустить «процесс превращения» данных в другие данные и куда-нибудь передать полученный результат. Именно поэтому SPE очень много, а блок PPE — один; и именно поэтому у каждого SPE есть своя персональная «локальная» память и нет выхода на «глобальную» (она им попросту не нужна); именно поэтому SPE связаны очень быстрыми шинами и могут передавать данные друг другу напрямую, выстраивая те самые цепочки обработки данных, которые в обычном процессоре являются чистейшей воды абстракцией.
Кстати, использовать для создания Cell-устройств, способных стать частью Cell-сети, описанный процессор вовсе не обязательно. Концептуально от устройства требуется только одно: уметь интегрироваться в сеть (то есть содержать процессор, работающий под управлением соответствующих программ) и уметь выполнять над ячейками-данными ячейки-апулеты (например, содержать хотя бы один SPE). Вполне можно представить, что после «суперпроцессора» Cell появятся более простые варианты с меньшим (или наоборот, большим) числом SPE или даже совсем простые и дешевые мини-процессоры (использующие один SPE и более простой PPE, причем PPE может быть даже не PowerPC-процессором), которые можно будет за сущие гроши устанавливать в любую бытовую технику. С помощью Cell можно одинаково эффективно реализовывать и суперкомпьютеры[Уже представлены блейд-серверы из нескольких Cell-процессоров], и «цифровой дом».
Правда, настанет все это счастье, увы, нескоро — на создание принципиально новых операционных систем (основы Cell), стандартных Cell-библиотек, компиляторов и сред разработки, на перенос имеющегося программного обеспечения и, наконец, на самую обыкновенную перестройку мышления программистов уйдут в лучшем случае годы.
Доживем ли мы до «умных» сетей и распределенных «повсеместных» вычислений, столь же прозрачных, привычных и незаметных, как современные электросети? Годика через три увидим.