Single Chip Cloud Computer - prototyp 48-rdzeniowego procesora od Intela

Badacze z Intel Labs zademonstrowali eksperymentalny, 48-rdzeniowy procesor — „Single Chip Cloud Computer” — który zmieni wiele zasad obowiązujących w konstrukcji współczesnych laptopów, komputerów stacjonarnych i serwerów. Ten futurystyczny chip zawiera od 10 do 20 razy więcej jednostek obliczeniowych, niż najpopularniejsze współczesne procesory sprzedawane pod marką Intel® Core™.

Długofalowym celem badawczym jest dodanie zwiększonych możliwości skalowania do przyszłych komputerów, co umożliwi opracowanie nowych aplikacji oraz interfejsów człowiek-maszyna. W przyszłym roku firma planuje zaangażować branżę i świat akademicki, udostępniając sto lub więcej tych eksperymentalnych układów do praktycznych badań nad opracowaniem nowych aplikacji i modeli programistycznych.

Intel, wprowadzający kluczowe funkcje do nowej linii procesorów z serii Core na początku przyszłego roku oraz sześcio- i ośmiordzeniowe procesory w dalszej części 2010 roku, przedstawił prototyp procesora zawierający 48 w pełni programowalnych rdzeni wykonawczych, najwięcej, ile dotychczas zmieszczono na jednej kości krzemowej. Zawiera on szybką, wewnętrzną sieć do współdzielenia informacji oraz nowo opracowane techniki zarządzania zasilaniem, dzięki którym 48 rdzeni może działać niezwykle energooszczędnie, pobierając zaledwie 25W w trybie jałowym lub 125W podczas pracy z maksymalną wydajnością (mniej więcej tyle, co współczesne procesory Intela i zaledwie dwie standardowe żarówki).

Intel planuje dokładniej zbadać szeregowanie i koordynowanie wielu rdzeni eksperymentalnego układu oraz wykorzystać tę wiedzę w przyszłych chipach przeznaczonych na rynek masowy. Na przykład przyszłe laptopy o tak wysokiej mocy przetwarzania mogłyby dysponować „wzrokiem” — wykrywać obiekty i ruch tak samo, jak robi to człowiek, w czasie rzeczywistym i z wysoką dokładnością.

Wyobraźmy sobie, że pewnego dnia komputer udzieli nam wirtualnej lekcji tańca, a sklep internetowy będzie używał trójwymiarowej kamery i ekranu przyszłego laptopa, aby pokazać jak w lustrze użytkownika noszącego ubrania, którymi jest zainteresowany. Kręcąc się i obracając, użytkownik będzie mógł zobaczyć, jak układa się tkanina i czy jej kolor pasuje do odcienia skóry.

Tego rodzaju interakcja może wyeliminować potrzebę korzystania z klawiatur, pilotów i joysticków w grach. Niektórzy badacze uważają, że komputery będą mogły odczytywać fale mózgowe, więc do wydawania poleceń wystarczą myśli, na przykład dyktowanie słów będzie odbywało się bez mówienia.

Naukowcy z Intel Labs nadali testowemu chipowi nazwę „Single Chip Cloud Computer”, ponieważ jego wewnętrzna organizacja przypomina centra danych używane do tworzenia internetowej „chmury” zasobów obliczeniowych w celu dostarczania milionom użytkowników takich usług, jak bankowość online, sieci społecznościowe i sklepy internetowe.

„Chmurowe” centra danych składają się z dziesiątek, a nawet tysięcy komputerów połączonych przewodową siecią, które równolegle wykonują duże zadania i przetwarzają ogromne zbiory danych. Nowy, eksperymentalny chip Intela wykorzystuje podobne podejście, ale wszystkie komputery i sieci są zintegrowane na jednej kości krzemowej rozmiaru znaczka pocztowego, w której wykorzystano 45-nanometrową intelowską technologię z metalową bramką o wysokiej stałej dielektrycznej (high-k metal-gate). Radykalnie ogranicza to liczbę fizycznych komputerów potrzebnych do utworzenia chmurowego centrum danych.

- Dzięki takiemu chipowi w przyszłości powstaną centra danych o rząd wielkości bardziej energooszczędne niż te, z którymi mamy do czynienia dzisiaj, co zapewni dużą oszczędność miejsca i kosztów zasilania – powiedział Justin Rattner, szef Intel Labs i główny dyrektor ds. technologii w firmie Intel. – Oczekuję, że z czasem te futurystyczne koncepcje trafią do urządzeń produkowanych masowo, podobnie jak zaawansowane technologie motoryzacyjne, takie jak elektroniczne sterowanie silnikiem, poduszki powietrzne i zapobieganie blokowaniu kół podczas hamowania, używane w większości współczesnych samochodów.

Wiele rdzeni pozwala oprogramowaniu inteligentnie zarządzać danymi w celu osiągnięcia wyższej wydajności
Prototypowy układ wykorzystuje szybką sieć między rdzeniami do efektywnego współdzielenia informacji i danych. Technika ta znacznie zwiększa wydajność i energooszczędność komunikacji w porównaniu z dzisiejszym modelem centrum danych, ponieważ pakiety danych wędrują tylko kilka milimetrów wewnątrz chipa, a nie dziesiątki metrów do innego systemu komputerowego.

Oprogramowanie aplikacyjne może wykorzystać tę sieć do szybkiego, bezpośredniego przekazywania informacji między współpracującymi rdzeniami w czasie kilku mikrosekund, ograniczając potrzebę dostępu do danych w wolniejszej pamięci systemowej. Aplikacje mogą też dynamicznie określać, które rdzenie mają zostać wykorzystane do realizacji danego zadania w danej chwili, dopasowując wydajność i zużycie energii do wymagań poszczególnych zadań.

W celu zmaksymalizowania wydajności pokrewne zadania można wykonywać na pobliskich rdzeniach, a nawet przekazywać wyniki bezpośrednio od jednego rdzenia do drugiego, jak na taśmie produkcyjnej. Oprogramowanie może również zarządzać napięciem i częstotliwością taktowania poszczególnych rdzeni. Można włączać i wyłączać rdzenie albo zmieniać ich wydajność, nieustannie adaptując je tak, aby zużywały minimum energii potrzebnej w danym momencie.

Przezwyciężanie problemów programistycznych
Programowanie procesorów staje się trudnym wyzwaniem w miarę, jak producenci komputerów i oprogramowania zaczynają wykorzystywać coraz więcej rdzeni na pojedynczej kości krzemowej. Prototypowy układ umożliwia użycie popularnych, wydajnych technik programowania równoległego, które obecnie stosuje się w chmurowych centrach danych. Jak pokazał dziś Rattner, badacze z firm Intel, HP i Yahoo Open Cirrus rozpoczęli już przenoszenie aplikacji chmurowych do 48-rdzeniowego układu IA z wykorzystaniem Hadoop, szkieletu Javy obsługującego rozproszone aplikacje intensywnie przetwarzające dane.

Intel planuje zbudować 100 lub więcej eksperymentalnych układów i udostępnić je branżowym oraz akademickim partnerom z całego świata z myślą o opracowaniu nowych aplikacji i modeli programowania przyszłych procesorów wielordzeniowych. Jedną z europejskich instytucji, które będą używać chipu Intela w przyszłych badaniach, jest ETH Zurich ze Szwajcarii.

- Jesteśmy bardzo podekscytowani jednoukładowym, chmurowym komputerem Intela – powiedział prof. Timothy Roscoe z wydziału informatyki ETH Zurich. – W ramach projektu Barrelfish projektujemy architekturę systemów operacyjnych do przyszłych komputerów wielordzeniowych. System pamięci układu i obsługa przekazywania komunikatów doskonale odpowiadają naszym potrzebom. Dzięki niemu będziemy mogli przetestować i zweryfikować nasze pomysły.

Nowy układ reprezentuje najnowsze osiągnięcie intelowskiego programu Tera-scale Computing Research Program, którego celem jest przełamywanie barier na drodze do przyszłych chipów zawierających dziesiątki lub setki rdzeni. Został opracowany wspólnie przez ośrodki badawcze Intel Labs w Bangalore (Indie), Brunszwiku (Niemcy) i Hillsboro (Oregon, Stany Zjednoczone). Laboratorium w Brunszwiku – część Intel Labs Europe – opracowało rdzeń procesora, wyspecjalizowany sprzęt umożliwiający rdzeniom komunikację ze zredukowanymi opóźnieniami, a także udoskonalony, energooszczędny kontroler pamięci zoptymalizowany pod kątem konstrukcji wielordzeniowej. Niemiecki zespół, odpowiedzialny za weryfikację całego układu, zastosował swoją zastrzeżoną technologię emulacji mikroprocesora, dzięki czemu badacze z całego świata mogli testować koncepcje programowe i sprzętowe, zanim układ został fizycznie zbudowany. Skróciło to fazę projektową mniej więcej o połowę i przyspieszyło tworzenie oprogramowania. Szczegółowe informacje o architekturze i obwodach nowego układu mają zostać opublikowane w artykule, który zostanie przedstawiony w lutym podczas International Solid State Circuits Conference.