Seriál: Čipy budoucnosti
40 let po vzniku prvního mikroprocesoru se procesory staly nedílnou součástí každodenního života a najdeme je všude – od chladniček až po stěrače automobilů. V tomto seriálu vám ukážeme, jak digitalizace změnila běh našich životů.
VZÁJEMNÁ SPOLUPRÁCE Intel a CHIP
Procesory s desítkami jader
Vědecký výzkum neustále pracuje na vývoji technologií budoucnosti. V evropských laboratořích jsou vyvíjeny SCC (Single Chip Cloud Computer) procesory, které již dnes obsahují 48 jader architektury x86 na jediném čipu velikosti poštovní známky.
JULIAN BÜHLER
Energeticky úsporná počítačová centra, inteligentní automobily a přenos elektřiny vzduchem. V rámci našeho seriálu, který vzniká ve spolupráci se společností Intel, jsme vám již několikrát ukazovali zajímavé technologie blízké budoucnosti. Kdo však tyto technologie vyvíjí a kde se na nich pracuje? Ve světě existuje celá řada známých výzkumných ústavů a univerzit, ale málokdo ví, že velká část vývoje budoucích počítačových technologií probíhá v německém Braunschweigu. Již devět let zde pracuje evropské centrum vývoje procesorů společnosti Intel, jež zaměstnává stovku vědců, kteří mají za úkol vymýšlet technologie budoucnosti a sestavovat jejich prototypy.
V tomto ústavu vznikla celá řada produktů a centrum mimo jiné spolupracovalo i na vývoji několika procesorů. Nejnovějším výsledkem vývoje je SCC (Single Chip Cloud Computer) čip, který v rámci jediného procesoru poprvé obsahuje 48 jader architektury x86. První prototyp byl vyvinut pro výzkumné účely, v budoucnu však budou procesory s velkým množstvím jader běžně používány v zařízeních určených koncovým uživatelům.
Vývoj procesorů se v osmdesátých a devadesátých letech zaměřoval na neustálé zvyšování jejich taktovací frekvence, v letech budoucích však půjde spíše cestou navyšování výpočetních jader umístěných na ploše procesoru. Dnes jsou běžně v prodeji procesory se dvěma či čtyřmi jádry, ale už příští rok budeme moci koupit procesory s šesti a osmi jádry. V dlouhodobějším výhledu bude možné na plochu jediného procesoru umístit až 100 samostatných jader. Vývojoví pracovníci však ještě musí vyřešit několik problémů. Nejde totiž jen o vývoj samotného procesoru, ale i to, aby tato technologie měla dostatečnou softwarovou a hardwarovou podporu ze stran jiných výrobců. Z toho důvodu spolupracuje Intel s řadou společností a univerzit na celém světě a prvním 100 partnerům hodlá dát k dispozici první prototypy 48jádrových procesorů.
Nákupy: Virtuální zkušební kabina
Uživatelé, kteří na počítači vytvářejí jen textové dokumenty, se možná mohou ptát, k čemu je vlastně potřeba takový nárůst výkonu a schopností procesoru. Podle vyjádření Justina Rattnera, CEO Intelu, si Intel klade za cíl během příštího desetiletí vylepšit rozhraní mezi počítačem a člověkem. Výsledkem by měla být mnohem užší a přirozenější komunikace mezi uživatelem a počítačem. V budoucnu by tak měly vymizet běžné vstupní periferie, jako jsou klávesnice a myši, a ovládání počítače by se mělo stát přirozenějším, například prostřednictvím hlasových příkazů. Počítače by v dohledné době měly dosáhnout takového výpočetního výkonu, který by jim umožnil automaticky "inteligentně" rozpoznat, co od nich uživatel právě potřebuje.
"Hranice mezi člověkem a počítačem zanikne."
Justin Rattner, CEO Intelu
Takovýto scénář zatím spadá spíše do kategorie sci-fi filmů a ještě pár let si na podobný způsob komunikace s počítačem počkáme, ale již dnes si lze představit, že v budoucnu dokáže notebook postavený na technologii SCC naprosto změnit způsob, jakým nakupujeme na internetu. Výkonný notebook zachytí vestavěnou kamerou fotografii uživatele a v reálném čase jej zobrazí na displeji oblečeného do oblečení, které si právě prohlíží na stránkách oděvního e-shopu. Výkon SCC procesoru tak neoslní jen nejnáročnější milovníky špičkových technologií, ale i běžné domácí uživatele.
Trik: 2 × 6 × 4 = 48
Jak je možné, že v budoucnosti bude standardní domácí počítač disponovat výkonem, který dnes zvládají jen špičkové superservery? Nestačí jen přidat více jader do jednoho procesoru, důležité je, aby spolu jednotlivá jádra dokázala komunikovat.
Přesně tento problém řeší i v braunschweigském centru, kde ve spolupráci s odborníky z Indie a USA pracují na vývoji nové architektury. Její základ je podobný drátovému modelu sítě, jejíž struktura se skládá z různých jednotek a podjednotek. Nejmenší stavební jednotka procesoru se skládá z dvojice jader, dvou vyrovnávacích pamětí druhé úrovně, příkazového bufferu a routeru. Šest takovýchto destiček pak dává dohromady další jednotku, která je spojena s paměťovým řadičem, se kterým spolupracuje operační paměť typu DDR3. Procesor SCC počítače se skládá z dvanácti takovýchto jednotek, takže celkem obsahuje 48 jader. Všech 48 jader se skrývá na ploše jediného procesoru.
Důležitou komunikaci mezi jednotlivými částmi této sítě procesorů zajišťuje celkem 24 routerů pracujících s extrémně vysokou rychlostí 256 GB/s.
Každé jádro dokáže pracovat naprosto nezávisle a je možné na něm spustit vlastní operační systém. Díky tomu vzniká síť podobná tzv. "cloud computingu", tedy spojení několika nezávisle pracujících výpočetních center s různými systémy prostřednictvím internetu. Výhodou umístění podobné sítě na jediném čipu je, že odpadá pomalé propojení internetovou infrastrukturou, a samozřejmě také fakt, že všechna výpočetní centra jsou v tomto případě umístěna na prostor stejně velký, jako je poštovní známka. Díky tomu je komunikace mezi jednotlivými "počítači", tedy jádry, mnohem kratší, rychlejší a energeticky úspornější.
SCC cloud: Energetická úspora budoucnosti
Vysoká úspora elektrické energie představuje pravděpodobně nejpozoruhodnější charakteristiku SCC technologie. V rámci SCC procesoru mohou mít jednotlivá jádra a skupiny procesorů různou frekvenci a vytížení a spotřeba energie se dynamicky mění podle momentálních potřeb procesoru. Díky pokročilému systému řízení spotřeby má SCC procesor celkovou spotřebu v rozmezí 25 až 125 wattů, což představuje stejné množství elektrické energie, jaké spotřebují dvě běžné žárovky.
Dlouho předtím, než se SCC čipy stanou běžným základem domácích počítačů, budou představovat revoluci v oblasti výpočetních center. Dnes tato centra představují energeticky nejnáročnější oblast IT a díky SCC procesorům by se mohla stát mnohem úspornějšími, a tedy i přátelštějšími k životnímu prostředí. Aplikace pracující v rámci SCC čipu mohou dynamicky přiřazovat jednotlivé úkoly určitým procesorům, takže je možné, aby byly zpracovávané úlohy přidělovány určitým jádrům v ideálním pořadí, podobně jako fungují výrobní linky průmyslových podniků.
Do té doby však bude nutné provést celou řadu hardwarových testů a bude třeba vymyslet optimalizovaný software, který bude schopen efektivně využívat všech možností SCC procesoru. Systém tohoto typu bude muset být hlavně vybaven operačním systémem, který dokáže inteligentně komunikovat s jednotlivými jádry procesoru. Za tímto účelem spolupracuje Intel kromě Microsoftu i s jinými partnery. Tým vědců ze Spolkové vysoké technické školy v Curychu pracuje na projektu s kódovým označením "Barrelfish", který má za úkol vývoj operačního systému pro více- a mnohojádrové systémy.
Výzkum v braunschweigském centru přinesl řadu dílčích úspěchů. V současnosti jsou již hotova jádra procesoru včetně modelů pro rychlý přenos instrukcí i paměťové řadiče. Na tomto hardwarovém základě již proběhla validace procesoru a vznikla i první verze optimalizovaného operačního systému na bázi Linuxu. Zbývá ještě dlouhá cesta, ale základy technologie počítačů budoucnosti jsou již pevně položeny.
AUTOR@CHIP.CZ
48 JADER ARCHITEKTURY X86 NA JEDINÉM PROCESORU: JAK TO FUNGUJE?
Hlavní výhodou SCC čipu společnosti Intel je množství a typ použitých jader. V tomto případě se nejedná o funkčně omezená jádra (jako jsou shaderové jednotky grafických karet), ale o kompletní procesory pracující s příkazovou sadou architektury x86. To například znamená, že na každém jádru může běžet samostatný operační systém. Spolupráce takového množství jader je možná díky rozdělení jader do několika segmentů.
A Nejmenší celek se skládá ze dvou jader se dvěma vyrovnávacími pamětmi druhé úrovně a příkazového bufferu.
B Na vyšší úrovni struktury SCC čipu je spojeno šest destiček do další samostatné jednotky vybavené vlastním paměťovým řadičem, pomocí kterého komunikují s 3D pamětí.
C V současném prototypu SCC procesoru najdeme čtveřici výše zmíněných jednotek, což znamená, že celkový počet jader na SCC procesoru dosahuje 48 (2 × 6 × 4 = 48). Při takovém množství CPU nemá smysl používat společnou vyrovnávací paměť, jako je tomu u současných dvoujádrových procesorů, ale komunikace mezi jednotlivými jádry probíhá po 2D Mesh síti. Ta v rámci procesoru přenáší data vysokou rychlostí 256 GB/s.
Foto: VÝZKUM V braunschweigském centru probíhá výzkum jader, dalších hardwarových modulů a velmi rychlých paměťových řadičů SCC procesoru.
Foto: TESTOVACÍ SESTAVA SCC PROCESORU Výzkumný tým Intelu vyvíjí nejen naprosto nový hardware, ale i testovací procedury technologie mnohojádrových procesorů budoucnosti.
Foto: POČÍTAČOVÁ FARMA NA POŠTOVNÍ ZNÁMCE Tento prototyp vypadá podobně jako dnešní běžné procesory, ale obsahuje 48 jader architektury x86.
Foto: TESTOVACÍ ZÁKLADNA Prototypy 48jádrového SCC procesoru s architekturou x86 procházejí řadou testů.