RISC-архитектура

RISC - архитектура

Сейчас RISC-архитектуры в абсолютном меньшинстве. Да и компании, которые изначально слыли приверженцами RISC-концепции, так или иначе объявили, что собираются делать ставку на новые идеи, иными словами - на post-RISC-процессоры. Речь идет в первую очередь о компаниях Sun и HP, хотя и анонсировавших новые RISC-процессоры для своих серверов, но говорить о каком бы то ни было качественном прогрессе этих архитектур не приходится.

Дело в том, что новые процессоры будут не только использовать шасси предыдущих серверных решений и, как следствие, смогут быть установлены в них в качестве upgrade-блоков, но и в полной мере сохранят все предыдущие наработки, за минимальным числом нововведений. Главная черта современных RISC-процессоров - двухъядерность, которая хотя и даст процессорам весьма ощутимый рост производительности, путь «идейного» развития названных архитектур вряд ли продлит. По сути, выпуск новых реализаций «старых» RISC-архитектур лишь подтверждает их близкую кончину.

Первый RISC-процессор серии PA (Precise Architecture), работавший на частоте 8 МГц, компания НР выпустила еще в 1985 году, а 18 сентября 2001 года на рынок вышел новейший на сегодня процессор этой линейки - PA-8700. Данный чип стал первым решением НР, использующим медные соединения и SOI-транзисторы. Построенный с применением технологии 0,18 мк, он позволил достичь частоты 875 МГц. Что касается планов НР, они весьма красноречиво отражены во фразе: «Переход от PA-RISC к Itanium неминуем, вопрос только - когда?» Необходимо отметить, такое заявление не является неожиданным, особенно если принять во внимание, что Itanium представляет собой совместный проект с Intel. При этом НР по праву считает Itanium наследником PA-RISC. А поскольку в первом реализовано большинство инструкций PA, можно говорить о совместимости «старого» ПО на уровне двоичных кодов без перекомпиляции. Тем не менее для поддержки своих заказчиков HP намерена еще некоторое время выпускать новые процессоры серии РА.

Процессор, готовящийся к выпуску компанией НР в самое ближайшее время, - PA-8800. Он представляет собой новое PA-RISC-решение для систем линейки HP9ххх. PA-8800 будет иметь два ядра PA-8700 на одном чипе с целью получения мультипроцессорности в одном CPU. Кроме увеличения тактовой частоты ядра минимум до 1 ГГц, в PA-8800 предусмотрены кэши первого (работающего на частоте 600 МГц) и второго уровня объемом 35 Мбайт. L1-кэш состоит из двух блоков - кэша инструкций и кэша данных для каждого ядра, общим объемом 3 Мбайт. Огромный L2-кэш, как и в предыдущих реализациях этой архитектуры, будет размещен вне чипа, но на том же картридже, что и сам чип, в виде четырех 72-Мбит чипов.

Процессор будет работать с 128-битной шиной с частотой 400 МГц с поддержкой ECC и позволит организовать канал с оперативной памятью шириной 6,4 Гбайт/с. Ориентировочное число транзисторов PA-8800 - 300 млн, практически в два раза больше, чем у ближайшего конкурента - IBM Power4, который насчитывает 170 млн транзисторов. Площадь процессора PA-8800 - 361 мм². Скорость обмена данными с L2-кэшем составит 9,6 Гбайт/с, а интерфейс процессора будет полностью совместим с шиной для процессоров Intel Itanium, что сделает его весьма выгодным решением, как для тех, кто только желает приобщиться к высокопроизводительным вычислениям, так и для тех, кто уже имеет развернутую ИС на базе предыдущих решений архитектуры PA-RISC. Как утверждается, РА-8700 обеспечит в полтора раза большую производительность серверу, если в нем просто заменить имеющиеся процессоры, и в 2,5 раза более высокую - если установить вдвое большее количество новых процессоров.

Подчеркнем еще раз, компания HP планирует отказаться от применения RISC-процессоров постепенно, переводя своих клиентов на процессоры линейки Itanium.

О популярности систем на базе архитектуры Sun Microsystems говорить, пожалуй, излишне. Эти «рабочие лошадки» получили распространение в самых разных областях.

Наиболее распространенные RISC-процессоры Sun - SPARC III. Благодаря большому числу регистров для данных с плавающей точкой и сравнительно широким полосам пропускания внутренних шин процессора, в архитектуре SPARC III угадывается высокий вычислительный потенциал и соответствующее ему позиционирование систем. Кроме того, производительна шина, связующая процессор и оперативную память, не в последнюю очередь из-за интегрированного в кристалл процессора контроллера памяти. Интересно, что при этом системы на базе SPARC III используют стандартную память типа ECC SDRAM (128-разрядную), а полоса пропускания системы в целом составляет 2,4 Гбайт/с.

Новые RISC-процессоры UltraSparc IV можно устанавливать в серверы на базе UltraSparc III, ничего в них не меняя. Изготовитель заявляет о планируемом повышении производительности в 1,6-2 раза, по сравнению с UltraSparc III, работающим на той же частоте. Вообще же UltraSparc IV - первый процессор Sun, который может выполнять более одного потока инструкций одновременно. Достигается это за счет размещения на одном чипе сразу двух ядер. Чипы будут производиться на фабриках компании Texas Instruments, с применением 0,13 - мк техпроцесса. Оба процессорных ядра основаны на дизайне UltraSparc III и имеют тактовую частоту 1,2 ГГц. В дальнейшем планируется перейти на 0,09 - мк технологию, что, предположительно, позволит увеличить рабочую частоту процессора вдвое. UltraSparс IV станет основой различных многопроцессорных систем, работающих под управлением ОС Sun Solaris, например, для 106-процессорной системы Sun Fire 15K. Кстати говоря, Sun и далее планирует придерживаться такого подхода к увеличению производительности. Процессор под кодовым наименованием Niagara, выпуск которого запланирован на 2006 год, будет содержать восемь процессорных ядер и сможет одновременно выполнять до 32 потоков.

Архитектура MIPS в свое время была одной из первых RISC-архитектур, получивших признание отрасли. В настоящее время она лицензирована многими крупнейшими производителями полупроводниковых устройств. Пожалуй, самый длительный опыт работы со сложными вычислительными архитектурами - у компании MIPS Technologies, а выпускаемые ею микропроцессоры поддерживают создание SMP-архитектур с разделяемой памятью из сотен микропроцессоров. Пользователей в этой архитектуре привлекает ориентация на мультимедиа и высококачественные средства визуализации изображений.

Кстати, первым 64-разрядным процессором стал MIPS R10000, появившийся в 1991 году. Актуальные же сегодня решения - процессоры MIPS R12000A с частотой 400 МГц, R14000 - 500 МГц, R14000А - 600 МГц и R16000 - 700 МГц. Кардинальные изменения в архитектуре MIPS ожидаются в текущем году, с появлением модели R18000. В этом процессоре, впервые после R8000, станут выдаваться четыре 64-разрядных результата с плавающей запятой за такт. В архитектуру будут добавлены дополнительные устройства загрузки / записи и вещественной арифметики. На тактовой частоте 800 МГц R18000 должен иметь пиковую производительность 3,2 GFLOPS. Тактовая частота для процессоров MIPS достигнет заветной черты 1 ГГц не ранее 2005 года, когда появится чип R20000.

Что касается других нововведений архитектуры MIPS, на последнем Microprocessor Forum в Сан-Хосе разработчик объявил планы по выпуску 64-разрядных процессоров с аппаратной поддержкой многопоточности. Новая технология будет называться MT-ASE. Она позволит процессору быстро переключаться между программами, хранящимися в кэше. Особенности выполнения приложений на современных процессорах, не поддерживающих многопоточность, в том, что при отсутствии в кэше необходимых для выполнения приложения данных, процессору приходится либо в течение нескольких десятков тактов простаивать, ожидая, пока данные подойдут из основной памяти, либо переключаться на выполнение другого приложения, тратя множество тактов на замену содержимого регистров. MT-ASE позволяет быстро восстановить состояние регистров для нового приложения, тем самым сведя простои процессора к минимуму. Новая технология поможет процессорам MIPS, основной нишей которых являются встраиваемые системы, обеспечить решение главной задачи и общение в реальном времени с DSP или сопроцессором.

Есть два способа использования новых возможностей процессора. Если приложение «не знает» о технологии MT-ASE, то оно видит не один процессор, а два виртуальных процессора, работающих по схеме SMP. Называется такой режим Virtual Processing Engine. Второй, более перспективный вариант реализуется в случае, когда приложение «знает» о новых возможностях процессора. Тогда оно может самостоятельно, с помощью расширенного набора команд, создавать и переключать потоки, используя все возможности процессора. На данный момент компания не представила рабочих прототипов, однако планирует сделать это в начале следующего года.

Впрочем, если обратиться к линейке новых продуктов компании SGI - владельца архитектуры MIPS, то выяснится, что ее наиболее производительные решения построены на процессорах Intel Itanium 2. Это свидетельствует, что и новые образчики архитектуры MIPS ориентированы в первую очередь на армию старых пользователей этой архитектуры.

IBM Power4 на сегодня является несомненным лидером производительности, и ряд независимых тестирований платформ на базе данной архитектуры тому яркое подтверждение. Во многом столь высокие результаты производительности процессору удается демонстрировать благодаря интегрированию в кристалл двух процессорных ядер, а также другим продвинутым возможностям. Например, несмотря на наличие двух ядер, каждое из которых обладает собственными кэшами первого уровня для данных и инструкций, кэш второго уровня объемом 1450 кбайт все-таки общий. Он управляется тремя раздельными контроллерами, подключенными к процессорным ядрам через коммутатор (Core Interface Unit - CIU). Интересно, что контроллеры работают автономно и могут выдавать за такт 32 байт данных. Каждый из процессоров использует для коммуникации с CIU две раздельные 256-битные шины для выборки инструкций и загрузки данных, а также отдельную 64-битную шину для сохранения результатов. Пропускная способность L2-кэша превышает 100 Гбайт/с. В целом, система L2-кэша выглядит сбалансированной. У каждого из процессоров имеется специальный блок для поддержки некэшируемых операций (Noncacheable Unit).

Информация о новом процессоре IBM - Power5 - стала известна на Microprocessor Forum. Этот процессор появится на рынке в текущем году и будет содержать целый ряд важных нововведений. Одним из них станет встроенная технология энергосбережения, которая по сравнению с Power4 позволит выполнять на 50% больше инструкций на том же объеме энергии, без какого-либо ущерба производительности.

Архитектура Power5, содержащего 276 млн транзисторов, будет построена на базе Power4 с некоторыми видоизменениями, коснувшимися числа поддерживаемых процессоров в многопроцессорных конфигурациях, улучшенного быстродействия и энергопотребления. Соответственно, Power5 будет обратно совместим с Power4 на уровне программного обеспечения.

Как и в Power4, в Power5 предусмотрено два процессорных ядра на одном чипе с общим кэшем L2 объемом 1,92 Мбайт (у Power4 - 1,44 Мбайт). Точно так же кэш L3 размещен вне чипа, но в отличие от Power4, будет напрямую связан с кэшем L2, а не с контроллером кэш-памяти, что несколько снижает задержки при работе с кэшем и улучшает масштабируемость архитектуры при работе в многопроцессорных конфигурациях. Встроенный в процессор контроллер оперативной памяти позволит адресовать до 1024 Гбайт, что вдвое больше адресного пространства Power4.

Форм-фактор нового чипа будет необычным: мы уже привыкли к модулям, содержащим по несколько чипов, однако IBM собирается поставлять свой новый процессор по четыре чипа Power5 с размещением 36 Мбайт кэш-памяти третьего уровня в модулях размером 95х95 мм. То есть, к примеру, сервер с 128 аппаратными процессорными разделами получается установкой всего лишь 16 подобных модулей по четыре процессора с двумя процессорными ядрами каждый. В терминах обработки инструкций производительность Power5 будет вдвое больше Power4: последний обрабатывает инструкции группами по пять за такт, а Power5 - по две группы по пять инструкций за один такт.

Пока не известно, появятся ли процессоры для Macintosh на архитектуре Power5, хотя в IBM не отрицают такой возможности. Последний процессор для Apple, PowerPC 970, использовал архитектуру Power4 без второго процессорного ядра, однако у Power5 существует еще одна деталь, делающая его привлекательным для использования в рабочих станциях: распределения приоритетов выполнения вычислительных потоков на аппаратном уровне. Но есть и другая сторона медали: площадь кристалла в 389 мм² превышает размеры PowerPC 970 почти в четыре раза.

Ожидается, что первые поставки Power5, выполненных с соблюдением 0,13 - мк норм, начнутся в будущем году. Power5+, который будет производиться по 90-нм нормам, начнет продаваться в 2005 году, а Power6 - в 2006-м.

Что же являет собой представитель архитектуры IA-64 от Intel - Itanium/Itanium 2, который призван вытеснить RISC-решения? Многие специалисты сходятся во мнении, что на сегодня Itanium/Itanium 2, пожалуй, наиболее яркий пример объединения идеи CISC- и RISC-процессоров в одно целое, реализующий при этом ряд совершенно новых концепций. Наиболее интересная из них - методика построения CPU, подкрепленная концепцией EPIC. Речь идет о возможности выполнять несколько инструкций за один такт. Кстати, данная возможность Itanium 2 более продвинута, чем ее аналоги в конкурентных разработках. Ее суть такова: еще на этапе компиляции кода определить его логику и расположить команды на очередь исполнения таким образом, чтобы обеспечить максимальную параллельность их выполнения на функциональных блоках процессора. Реализация столь сложной многоэтапной логики является довольно-таки эффективным методом повышения результативности работы системы спекулятивного выполнения команд, которая в прочих современных процессорах тем сложнее, чем сложнее схема их функциональных блоков. На практике, предикатная компиляция многократно оправдывает столь оригинальный подход к организации архитектуры семейства Intel Itanium/Itanium 2, число функциональных блоков которого достаточно велико. На сегодня, по всей видимости, не существует ни одного процессора, способного реально обрабатывать более 4-6 команд за такт одновременно. Даже теоретическая, а не реальная степень параллелизма современных процессорных архитектур не превышает более 6-8 команд за такт, да и то число 8 команд / такт принадлежит сложному чипу IBM Power4, чья стоимость вряд ли станет приемлемой в обозримом будущем. Использование же предикатной схемы позволяет увеличить эффективность параллелизма выполнения команд.

Как известно, важную роль в эффективности параллельного и спекулятивного исполнения команд, а также «махинаций» при переименовании регистров выполняет система предсказания ветвлений и логических конструкций обрабатываемого кода. А поскольку у процессоров Itanium/Itanium 2 имеется предективный компилятор, моделирующий командное слово заранее, коэффициент полезного действия системы внутренней оптимизации обработки команд высок, что позволяет демонстрировать семейству Itanium/Itanium 2 высокую производительность. Причем в последующих версиях процессоров платформы IA-64 разрыв между EPIC-системами и прочими высокопроизводительными архитектурами будет лишь увеличиваться, так как система внутренней оптимизации обработки команд последних, с увеличением тактовой частоты и почти неизбежном в таких случаях удлинении конвейера, станет лишь терять свою эффективность. Тогда как уровень вычислительного КПД EPIC-процессоров будет снижаться минимально, ведь их ядра получают оптимизированный для распараллеливания код.

Одно из главных отличий RISC-архитектур, от CISC - использование большого числа регистров. В этом плане Itanium близок к высокопроизводительным предкам - его число регистров составляет 328 - это своеобразный рекорд индустрии для однокристального процессора. Из них 128 регистров ориентированы на работу с 64-разрядными целочисленными данными, еще 128 - на 80-разрядные с плавающей точкой, а остальные 72 представляются регистрами предикатов. Последние являются универсальными полями, ориентированными на исполнение нескольких ветвей программного кода. Предикаты содержат несколько значений элементов кода, подсчитанных альтернативными способами, и до момента выяснения их необходимости (угадал механизм спекулятивного выполнения ход программы, или нет) не вытираются.

Этот высокопроизводительный процессор со сниженным энергопотреблением будет впервые использован в новых передовых серверах Sun Fire уже в 2005 году. Использующий технологию «многопотоковости на кристалле» CoolThreads, UltraSPARC T1 является первым в мире экологическим процессором. Исследования показывают, что высокая производительность процессоров UltraSPARC T1 позволяет уменьшить число всех web-серверов в мире, что может существенно сократить потребление энергии и оказать такое же влияние на снижение содержания углекислого газа в атмосфере, что и увеличение площади леса на 400 тыс. га.

В то время как энергопотребление большинства современных процессоров составляет около 150 Вт, процессору UltraSPARC T1 необходимо всего около 70 Вт, что сравнимо с объемом энергии, потребляемой многими бытовыми лампочками. UltraSPARC T1 обеспечивает высокую скорость обработки транзакций и позволяет экономить миллионы долларов за счет снижения расходов на электропитание и охлаждение систем вычислительных центров, а также на аренду помещений.

UltraSPARC T1, разработанный на базе архитектуры SPARC, поддерживает технологию CoolThreads и имеет восемь ядер, способных одновременно выполнять по четыре потока. Кроме того, данный процессор, отличающийся, как уже было сказано, низким энергопотреблением, обеспечивает в то же время существенный прирост производительности системы и использует преимущества разработанной специалистами Sun инновационной архитектуры «многопотоковости на кристалле» (Chip Multi-Threading, CMT) для эффективного выполнения многопотоковых приложений.

Итак, UltraSPARC T1 - это:

первый процессор, который объединяет 32 системы на одном кристалле, производимом с использованием 90-нанометровой технологии. Благодаря восьми ядрам с тактовой частотой 1,2 ГГц, которые по суммарной производительности сравнимы с гипотетическим процессором с частотой 9,6 ГГц, новый процессор обеспечивает огромные преимущества;

первый процессор с целым рядом дополнительных компонентов - так, интеграция коммуникационных средств в процессор делает систему более компактной, снижает ее энергопотребление и повышает производительность;

первый процессор с четырьмя контроллерами памяти - эффективные средства передачи данных между вычислительными ядрами и памятью доставляют процессору данные с той скоростью, с которой он может их обработать;

высокая производительность при низком уровне энергопотребления, поскольку минимальные задержки при доступе к памяти позволяют передавать больше данных за конкретный интервал времени;

первый процессор, потребляющий менее 70 Вт энергии и, как следствие, генерирующий меньше тепла.

UltraSPARC T1 позволяет повысить защищенность системы за счет 10-кратного ускорения шифрования (в сравнении с процессорами конкурентов) и более эффективного выполнения программных средств обеспечения безопасности. Процессор шифрует тот же объем данных за меньшее число циклов, чем другие процессоры. При этом на шифрование расходуется всего лишь 5% ресурсов процессора.

Пять лет назад наши инженеры осознали ограничения традиционной архитектуры процессоров и приступили к разработке технологии CoolThreads. Результат их работы по значимости не уступает созданию процессоров с архитектурой RISC и может оказать столь же заметное влияние на рынок, как технология Java.

По мере увеличения мировых цен на энергоносители проблема потребления энергии современными вычислительными центрами становится все более серьезной как в экономическом, так и в экологическом плане, поскольку:

возможности 80% всех вычислительных центров ограничены тепловыделением и энергопотреблением;

количество тепла, выделяемого аппаратными системами одинакового объема, за последние 5 лет увеличилось более чем в 4 раза;

в 40% вычислительных центров необходимо модернизировать систему отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха;

более чем в 50% вычислительных центров регистрируются температурные показатели, превышающие средний уровень.

Проблемы, связанные с энергопотреблением и охлаждением систем, сегодня не менее важны, чем производительность. Прошли те времена, когда устройства сравнивались по соотношению «цена / производительность». Главное сегодня - это эксплуатационные показатели, своеобразный КПД-то есть та производительность, которую выдает процессор, потребляя определенное количество электричества, воды, воздуха и места. И у UltraSPARC T1 здесь конкурентов нет.

Sun Microsystems планирует начать поставки новых серверов Sun Fire с поддержкой технологии CoolThreads уже в этом году.

Теперь поговорим об инновациях в сфере программного обеспечения. Sun Microsystems не в первый раз обновляет версию ОС Solaris, и каждая новая версия всегда отличается от предыдущей, но эти нововведения не всегда было легко понять даже специалистам. Однако у Solaris 10 есть несколько усовершенствований, которые понятны всем, причем они приводят к существенному улучшению работы компьютерных систем на базе Solaris 10. Так, в последнее время оказались особенно востребованными ОС, способные работать в гетерогенных средах на аппаратных платформах от различных производителей, поскольку большинство компьютерных систем на предприятиях построены именно таким образом. Новая версия Solaris 10 функционирует на нескольких платформах - SPARC, x86 и AMD64, что позволяет защитить инвестиции заказчика. Кроме того, реализована совместимость на уровне исходных текстов прикладного ПО для платформ SPARC и x86, а также обеспечивается работа приложений Linux, скомпилированных для платформы x86.

Solaris традиционно славится высокой надежностью. Среди возможностей новой версии, которые должны еще больше укрепить эту репутацию, важнейшее место занимает технология контейнеров - Solaris Containers. Контейнеры, или зоны, представляют собой отдельные виртуальные системы, внутри каждой из которых существует собственное пространство имен и процессов, свои наборы пользователей, каталогов, сетевых адресов. Зоны изолированы друг от друга, благодаря чему процессы и пользователи, работающие в одной зоне, не имеют доступа к другой. И даже у суперпользователя (Root) зоны нет возможности увидеть, что делается в другой зоне. Таким образом, даже в случае взлома отдельной зоны злоумышленник не получает доступа ко всей системе, а остается в рамках только этой зоны.

Контейнеры позволяют распределять системные ресурсы (процессорное время, ОЗУ, дисковое пространство) между отдельными процессами, группами процессов и пользователями. Например, администратор может выделить 40 частей (Shares) процессорного времени серверу баз данных, 30 частей - серверу приложений; 5 раз по 10 частей - 5 web-серверам, работающим в режиме горизонтального масштабирования, в результате чего все эти приложения гарантированно получают свою долю процессорного времени. Технология Solaris Containers дает администратору уникальную возможность создания виртуальных серверов, не пересекающихся друг с другом ни по пользователям, ни по процессам. Каждый из этих виртуальных серверов можно перезагружать по отдельности; можно также запускать и останавливать сервисы и давать пользователям доступ, не опасаясь, что это затронет другие виртуальные серверы, работающие на этой машине.

Важной особенностью реализации Solaris Containers является то, что поддержка даже нескольких десятков и даже сотен виртуальных серверов не увеличивает нагрузку на администратора: все контейнеры работают в рамках одной копии ОС Solaris и могут наследовать все установленные пакеты и патчи, а также глобальные настройки. Таким образом, администратор не должен поддерживать каждый виртуальный сервер в отдельности, поскольку использование технологии контейнеров не налагает на него дополнительных обязанностей. Кроме того, эта технология является экономичной и в плане системных ресурсов: на каждый контейнер требуется менее 1% накладных расходов по сравнению с полноценными виртуальными машинами, в которых функционируют отдельные копии ОС.

Одна из интересных возможностей Solaris 10 - это консолидация сообщений об ошибках. Теперь система фиксирует только первопричину ошибки, а не порождает лавину сообщений о различных неполадках, возникших в результате одного-единственного сбоя. Благодаря этому можно сэкономить многие часы рабочего времени администраторов, пытающихся понять причины ошибки. ОС анализирует статистику работы аппаратуры и заранее прекращает использование подозрительных компонентов. Например, обнаружив возникновение корректируемых ошибок оперативной памяти, система оповестит об этом администратора, а сама постарается больше не использовать «умирающий» чип.

Наконец, Solaris 10 имеет средства самолечения (Predictive Self Healing). Заметив неполадки в работе приложений и сервисов, ОС автоматически перезапускает их, благодаря чему последствия случайных сбоев в основном устраняются за считаные секунды без вмешательства администратора.

Чрезвычайно важным является обеспечение не только бесперебойной, но и производительной работы приложений. Чтобы упростить анализ функционирования ПО в реальных условиях, компания Sun включила в новую версию своей ОС средство динамической трассировки задач - Dynamic Tracing (DTrace), которое контролирует более 30 тыс. различных точек системы (так называемых проб), позволяя администраторам собирать любую статистику: о частоте системных вызовов, объемах передаваемых данных, размерах стеков, о загрузке процессоров и т.п. Для создания специализированных сценариев контроля за работой системы DTrace имеет собственный язык программирования D. За счет анализа работы реальной, а не тестовой системы возникает возможность оперативно понять причины снижения производительности приложения, а суммарная производительность системы при точной настройке иногда возрастает в 30 раз.