Terabajty i teraflopsy

Domowe komputery służą nie tylko do przeglądania internetu i wysyłania poczty. Coraz częściej są zaprzęgane do zadań wymagających znacznej mocy obliczeniowej. Do tego typu zastosowań należy m.in. dekodowanie filmów zapisanych w wysokiej rozdzielczości Full HD (1920x1080 pikseli) czy obsługa najnowszych gier. Z takimi zadaniami nie mogły się mierzyć superkomputery sprzed 10–15 lat. A to dopiero przedsmak tego, co nas czeka w przyszłości.

Przetwarzanie danych multimedialnych czy generowanie scen w grach w czasie rzeczywistym będzie wymagało coraz większych mocy obliczeniowych oraz takich szyn systemowych, pamięci RAM, dysków twardych i innych nośników danych, które poradzą sobie z tysiącami megabajtów przepływających przez procesor. Jak sprostać tym potrzebom, zastanawiają się inżynierowie pracujący nad przyszłymi procesorami, platformami systemowymi, a nawet programiści tworzący podstawy nowych rozwiązań software’owych, które będą wykorzystywały coraz szybszy i bardziej efektywny sprzęt. Firma Intel powołała nawet do życia program Intel Tera-scale Computing Research Program.

Głównym założeniem programu Intel Tera-scale jest opracowanie podstaw technologicznych pod przyszłe produkty, zarówno sprzętowe, jak i programowe, które poradzą sobie z przetwarzaniem ogromnych ilości danych w czasie rzeczywistym. Projekt Tera-scale skupia się m.in. na projektowaniu interfejsów komunikacyjnych, magistral systemowych, kontrolerów, nowych typów pamięci, mikroarchitektury procesorów, ale też oprogramowania, które może być wykorzystywane w przyszłości do przetwarzania danych multimedialnych. Sprzęt i aplikacje powstałe w programie Tera-scale mają dysponować mocą obliczeniową liczoną w teraflopsach (bilionach flopsów, czyli 1012 operacji na sekundę), które w umiarkowanym czasie poradzą sobie z terabajtami danych – stąd nazwa programu Tera-scale.

W projekcie Tera-scale występują trzy główne nurty prac. Pierwszy dotyczy badań nad zaawansowanymi wielordzeniowymi procesorami. Drugi obejmuje prace nad rozwojem platformy systemowej, w tym interfejsów komunikacyjnych i nowych typów pamięci RAM. Trzeci nurt jest związany z oprogramowaniem.

Najbardziej spektakularnym dokonaniem programu Tera-scale jest pokazywany m.in. na ostatnim forum technologicznym Intel Developer Forum (IDF) w San Francisco 80-rdzeniowy procesor o nazwie kodowej Polaris. Maksymalna moc obliczeniowa tego układu wynosi 2 teraflopsy. Dla porównania, najpotężniejszy obecnie na świecie superkomputer IBM Blue Gene/P, składający się z 294 912 procesorów, ma moc obliczeniową rzędu 1 petaflopsa (biliard, czyli 1x1015 operacji na sekundę), a jego poprzednik BlueGene/L miał wydajność 367 teraflopsów.

Polaris jest zbudowany ze 100 milionów tranzystorów. Kość zajmuje powierzchnię 275 mm2, czyli mniej więcej tyle, ile dwa wykonane w procesie technologicznym 65 nanometrów dwurdzeniowe procesory Core 2 Duo (143 mm2). Standardowo układ jest taktowany z częstotliwością 3,16 GHz, pobiera 62 W energii i wykonuje 1,01 biliona operacji na sekundę. Po zwiększeniu prędkości pracy do 6,26 GHz zapotrzebowanie na moc wzrasta do 150 watów, a wydajność układu wynosi dokładnie dwa teraflopsy. Przy takiej prędkości pracy układ potrzebuje już solidnego chłodzenia wodnego. Niemniej przy standardowych parametrach działania wystarcza mu zwykłe chłodzenie, podobne do tego, jakie znamy z naszych pecetów.

Konstrukcja procesora jest nietypowa. Każdy z 80 rdzeni został podzielony na 12 niezależnych części, które można w razie potrzeby wyłączyć, jeśli dany moduł nie jest wykorzystywany. Zabieg ten ma na celu zmniejszenie zużycia energii. Kolejną ciekawostką jest sposób komunikacji między rdzeniami. Wymieniają one między sobą informacje za pośrednictwem specjalnych routerów, tak samo jak w sieci lokalnej LAN. Szybkość wymiany danych w tej „procesorowej” sieci wynosi 32 GB/s. Wbudowane w rdzenie routery komunikacyjne umożliwiają swobodne kierowanie przepływem danych i przekazywaniem obliczeń z jednego rdzenia do drugiego. Taka konstrukcja pozwala na efektywne zarządzanie mocą obliczeniową – gdy jest jednocześnie wykonywanych kilka lub kilkanaście zadań, w zależności od obciążenia można łatwo wykorzystać poszczególne rdzenie do wykonywania jednych bądź drugich obliczeń. Od routerów zależy też komunikacja z umieszczonymi bezpośrednio nad nimi modułami pamięci.

Krzemowy moduł (niczym nieosłonięty krzem), zawierający tranzystory z pamięcią RAM, jest montowany bezpośrednio na strukturze krzemowej procesora. Ta przełomowa technologia produkcji układów półprzewodnikowych (nazwana 3D Die Stacking) powoduje, że działają one znacznie szybciej. Sygnał ma do przebycia krótszą drogę. Przepływa w pionie i ma do pokonania ułamki milimetra, a nie drogę rzędu centymetrów, jak na płaskiej strukturze. Układy zajmują poza tym znacznie mniej miejsca.

Przy okazji projektowania Polarisa okazało się, że nie opłaca się produkować układów o tradycyjnej architekturze z liczbą rdzeni większą niż szesnaście. Większa ich liczba bowiem nie powoduje już liniowego wzrostu wydajności. Jest to spowodowane występującymi wówczas zatorami komunikacyjnymi, i to właśnie dlatego na potrzeby 80-rdzeniowego Polarisa opracowano wewnętrzną sieć routerów.

Z kolei prace nad oprogramowaniem prowadzone w projekcie Intel Tera-scale mają na celu przygotowanie jak najlepszych algorytmów pozwalających rozdzielić zadania równolegle na wiele rdzeni. Jednym z pierwszych efektów jest aplikacja do przeszukiwania materiałów wideo z zarejestrowanymi meczami piłkarskimi. Eksperymentalne oprogramowanie automatycznie wyszukuje najciekawsze fragmenty gry, takie jak gole, strzały na bramkę czy faule. Program potrafi śledzić przemieszczanie się graczy, tor piłki oraz ruchy ciała zawodnika i na tej podstawie specjalne algorytmy wyszukują najciekawsze fragmenty gry.

Ciekawym projektem są też technologie automatycznego rozpoznawania twarzy. Nie jest to łatwe zadanie, gdyż twarz na różnych zdjęciach jest zwykle inaczej oświetlona i ułożona pod innym kątem. Niemniej eksperymentalna aplikacja radzi już sobie z przeszukiwaniem bazy zdjęć, wskazując w niej tę samą osobę. Kolejnym zagadnieniem softwa- re’owym Tera-scale jest opracowanie algorytmów szybkiego indeksowania materiałów multimedialnych.

Pierwsze seryjne procesory bazujące na 80-rdzeniowym Polarisie pojawią się między 2010 a 2015 rokiem. Intel planuje też wyposażyć procesory wielordzeniowe w rdzenie przeznaczone do zadań specjalnych. Chodzi tutaj m.in. o specjalizowane rdzenie do szyfrowania danych, procesory sygnałowe DSP i moduły do wirtualizacji. Procesor DSP (Digital Signal Processor) to cyfrowy układ przeznaczony do wykonywania jednego, ściśle określonego typu zadań, np. strumieniowego dekodowania sygnału wideo. W tym, co robi, jest bardzo szybki – nawet do kilkuset razy w porównaniu ze zwykłym procesorem. Z kolei moduły do wirtualizacji pozwalają na uruchomienie na jednym pececie kilku wirtualnych maszyn jednocześnie – każdej z własnym systemem operacyjnym.

Największą zaletą Polarisa jest jednak jego elastyczna budowa. Osiemdziesięciordzeniowy procesor łatwo jest podzielić na mniejsze kawałki. Kilkurdzeniowe wydajne układy mogą się znaleźć np. w telefonach komórkowych i sprzęcie audio-wideo czy w sprzęcie sieciowym. Kilkudziesięciordzeniowe układy z pewnością trafią do domowych komputerów, układy zaś 80-rdzeniowe znajdą się w najpotężniejszych maszynach i serwerach, montowanych w specjalnych centrach baz danych. W bazach tych będą przechowywane takie materiały multimedialne, jak gry i filmy wysokiej rozdzielczości, do których będzie miał dostęp każdy internauta. Czy taka wizja przyszłości się ziści? Zobaczymy. Wszak do 2015 roku nie jest aż tak daleko.