13-я КОМНАТА: Ячейка, она же клетка, она же… Cell

У читателя, ознакомившегося с материалами рубрики «Архитектура ХХ века» в прошлом номере, могло сложиться ощущение, что в процессоростроении все мыслимое и немыслимое давным-давно изобретено и придумать что-то более совершенное, нежели суперскалярный OoO-процессор, невозможно в принципе. Однако это не так.

Основных «альтернативных» современному мэйнстриму путей развития два: один очень старый, второй совсем новый. Широкого распространения они пока не получили, но, может, их время еще не пришло?

Вернемся на минутку в прошлое и вспомним главную идею, положенную в основу RISC: процессор должен быть устроен как можно проще - это и экономически выгоднее, и наращивать тактовую частоту и применять разные технологические трюки, кардинально увеличивающие производительность, легче.

Так может, повыкидывать из процессора все эти хитрые декодеры и планировщики и оставить только самое необходимое - исполнительные блоки, набор регистров, подсистему памяти и минимальный набор обслуживающей логики? Зачем, к примеру, заниматься хитроумным переименованием регистров, если этих самых регистров можно понаделать сотню-другую? И зачем отслеживать зависимости инструкций, если можно писать программы так, чтобы эти зависимости никогда не нарушались? Проще говоря, коли наш суперскалярный OoO-CPU все равно в конечном счете работает не с исходным программным кодом, а с неким внутренним его представлением - не лучше ли сразу записывать программы в этом представлении, обходясь без посредников? «В очередном такте исполнительному устройству X- загрузить из оперативной памяти по адресу из регистра такого-то данные и сохранить их в регистр такой-то; исполнительному устройству Y - взять данные из регистров такого-то и такого-то, сложить их и записать результат в регистр такой-то; устройству Z - проверить регистр такой-то на выполнение условия и по результатам проверки подкрутить внутренний указатель такой-то и сбросить при необходимости конвейер». Получится одна очень длинная инструкция (Very Long Instruction Word, VLIW), полностью и исчерпывающе описывающая, что каждому из блоков процессора следует в очередном такте делать.

К чему мы тогда придем? Получится архитектурно очень простой процессор, который будет очень трудно программировать: ведь придется детально учитывать его внутреннее устройство и особенности. Но если мы научимся это делать, то в качестве компенсации получим возможность изготовить сколь угодно навороченный CPU малой кровью - без всяких сверхсложных декодеров и планировщиков на три-четыре инструкции. К примеру, в отечественной разработке «Эльбрус Е2K» предполагалось одновременное исполнение до 24 инструкций за такт - при сохранении приемлемой сложность CPU. Реализовать что-либо подобное в классическом суперскалярном процессоре - нельзя; а при VLIW-подходе, не ограниченном жесткими рамками скоростного декодирования и планирования программы, - можно. Ведь никто же нам не запретит компилировать и оптимизировать программу хоть часами, хоть сутками - лишь бы потом она быстро исполнялась?

Единственная очевидная загвоздка в подобном подходе - тот самый компилятор, умеющий генерировать очень сложный технически и требующий тщательнейшей оптимизации машинный код для VLIW-процессоров. Но ведь, в конце концов, и простые компиляторы с языков высокого уровня когда-то казались чудом, а сейчас мы преспокойно используем сложнейшие компиляторы C++, работающие с парадигмами обобщенного программирования. Так что создание совершенного оптимизирующего компилятора для VLIW-процессоров - это, скорее, вопрос времени[Отрадно, кстати, сознавать, что над созданием этих «суперкомпиляторов», в первую очередь - Intel C/C++ Compiler, активно работают наши соотечественники - например, Нижегородская лаборатория (бывшая московская команда Бориса Бабаяна, разрабатывавшая компиляторы для «Эльбруса Е2К»). Нам бы, правда, к этому еще и свои процессоры с компиляторами…]. Но есть и другие проблемы.

Проблема первая - жесткая привязка исполняемого кода к конкретному процессору. x86-программа запросто может работать и на i386, и на Pentium 4; с каноническим VLIW-процессором такой фокус, увы, не пройдет. Правда, Intel в усовершенствованной версии VLIW-архитектуры (EPIC - Explicitly Parallel Instruction Computer, компьютер с явно заданным параллелизмом команд) смягчила этот недостаток, введя не инструкции, а bundles - эдакие «полуинструкции», упакованные в контейнере с информацией о взаимозависимостях между этим и другими бандлами. Предполагается, что процессор, без труда проверив бандлы на взаимозависимость, может запускать их параллельно и, таким образом, обладать некоторой «свободой действий» в проектировании будущих CPU, сохраняющих бинарную совместимость с текущим поколением.

Вторая проблема прямо вытекает из первой: довольно трудно сделать совместимые VLIW-процессоры, предназначенные для разных секторов рынка. Уж больно сильно привязан программный код к аппаратной начинке. То есть если мы делаем «супер-VLIW», с кучей исполнительных устройств и тщательно вылизанной подсистемой памяти - то ровно такой же «суперпроцессор» (с суперсебестоимостью) нам придется продавать и для low-end-сектора рынка. И наоборот, «сэкономив» и выкатив процессор для low-end и middle-end, мы получим крепкого середнячка, но не лидера производительности. Подход EPIC с его бандлами слегка исправляет ситуацию, но не до конца - дешевых Itanium в природе так и не появилось.

Третий и, пожалуй, главный недостаток VLIW - это то, что предусмотреть и спланировать все события в процессоре невозможно. К примеру, нельзя предугадать, сколько времени займет операция обращения к оперативной памяти. А раз так, то нельзя и эффективно запланировать ее: OoO-исполнения во VLIW-процессорах не бывает, и если мы думали, что данные для инструкции в кэше будут, а их там не оказалось, то весь этот сложный, «мышцастый» процессор будет простаивать десятки и сотни тактов, дожидаясь исполнения злополучной инструкции загрузки данных. В EPIC придуман способ борьбы и с этой проблемой - программную предвыборку данных, software prefetch[Это такие специальные инструкции, которые позволяют процессору параллельно с основным исполнением запросить фоновую подгрузку в кэш-память определенных данных, если их там еще нет.]; однако подсистема памяти до сих пор остается одним из самых узких мест любого VLIW-процессора.

Идея VLIW отнюдь не нова - еще в середине 80-х годов корпорация Intel пыталась продвигать весьма неординарный VLIW-процессор i860. Однако описанные проблемы и отсутствие по-настоящему эффективных оптимизирующих компиляторов поставили крест на i860 еще до его практического рождения. Да, i860 был «суперкомпьютером на чипе», да, он опережал свое время, но как процессор общего назначения - никуда не годился[Теоретический максимум производительности - 60 Мфлопс. Практический максимум для программистов, вручную оптимизировавших код для i860 на ассемблере, - 40 Мфлопс. Производительность обычного компилятора для i860 - не более 10 Мфлопс. Производительность рабочих станций на первом коммерческом MIPS R3000 - 9 Мфлопс; на первом Intel Pentium - 15-40 Мфлопс.]. Для него требовались специальные сложные компиляторы и новая инфраструктура - и все лишь ради того, чтобы в конце концов получить производительность, в большинстве случаев уступающую производительности стремительно развивавшихся RISC-конкурентов! i860 мог быть очень быстрым процессором для вычислений с плавающей точкой - но между «мог» и «был» в большинстве приложений зияла огромная пропасть, которую было проще преодолеть, положившись на технический прогресс, благодаря которому даже безнадежно «тормознутая» в те годы архитектура x86 через несколько лет достигла такого же уровня производительности. Некоторое время Intel 80860 использовался в качестве специализированного программируемого DSP-процессора (графического ускорителя), но заметного распространения даже в такой ипостаси не получил.

Впрочем, полный провал i860 не помешал корпорациям Intel и Hewlett-Packard уже через два года инициировать разработку «суперпроцессора» Itanium, который должен был исправить ошибки 860-го процессора и стать заменой не только архитектуре x86, но и всем тогдашним RISC-архитектурам. Архитектура получила звучное название IA-64 (Intel Architecture for 64-bit), и поначалу казалось, что «пересадят» пользователей на Itanium едва ли не начиная с Pentium II. Itanium должен был с помощью специального полуаппаратного эмулятора поддерживать набор инструкций x86, так что переход с архитектуры IA-32 на IA-64 обещал быть безболезненным. «Крутизна» новинки была так очевидна, что Silicon Graphics, например, даже забросила разработку своей фирменной архитектуры MIPS, рассудив, что с Itanium ей все равно не сравниться.

Но если отбросить красивые слова и посмотреть, что получилось на практике, то следует признать, что проект Itanium «блестяще провалился». Вначале очень долго задерживался первый Itanium (Merced). Потом некстати вылезла со своими процессорами AMD и вынудила Intel ввязаться в «гонку мегагерц», по итогам которой «устаревшая» архитектура x86 сделала такой колоссальный рывок, что однозначного «суперпроцессора» из со скрипом появившегося на свет Itanium уже не получилось. Затем была проведена большая «работа над ошибками», в ходе которой производительность и «производственные» технические характеристики Itanium 2 значительно улучшились, так что «итаниумное» семейство с трудом, но все же завоевало лидерство в производительности (особенно при вычислениях с плавающей точкой, критичных для научных расчетов). Но принципиально это ситуацию не изменило. Перспективы для иного, кроме как High-End-применения, у Itanium сегодня печальные - фактически AMD убила его развитие своими 64-разрядными процессорами. Да, старшие модели 64-разрядных Opteron в среднем проигрывают старшим Itanium 2 по производительности; однако проигрыш этот невелик и компенсируется тем, что «Оптероны» гораздо дешевле и не требуют специальной адаптации уже имеющихся программ к IA-64. В итоге получилось так, что Intel, конечно, предпочла бы использовать свою архитектуру IA-64 вместо чужой архитектуры AMD64, однако выбирая между быстрой потерей большей части серверного рынка, занятого сегодня процессорами Xeon, и утратой надежды на то, что Xeon в обозримом будущем будет заменен на Itanium, Intel выбрала первый вариант. А после введения в «Зионах» технологии EM64T (копии AMD64) от развития собственных Itanium-систем отказалась большая часть поставщиков серверов, начиная с IBM и заканчивая Dell. Даже соразработчик Itanium компания Hewlett-Packard (как и SGI, которая ради IA-64 поставила крест на своей процессорной архитектуре PA-RISC) потихоньку сворачивает линейку продуктов на основе этих CPU. Так что злая ирония про «Itanic» (по аналогии с «Titanic») сегодня, к сожалению, уместна как никогда.

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.