حرکت به سمت پردازنده هاي چندين هسته اي( Many-Core)
حرکت توليد کنندگان ريزپردازنده ها از تراشه هاي تک هسته اي به پردازنده هاي 2و 4 هسته اي تا اينجا يک گام استوار بوده است. اينتل و AMD پردازنده هاي 6و 8 هسته اي خود را در ادامه سال 2010 روانه بازار خواهند کرد که ادامه دهنده همين پيشرفت پايدار به حساب مي آيد. اگر محققين اينتل به موفقيتهاي اخير خود در رابطه با يک پردازنده « چندين هسته اي» ادامه دهند، پيشرفت پايدار و مداوم مذکور در آينده نزديک مي تواند يک گام عظيم ديگر را به سمت جلو بردارد. متحده بعنوانمحققين اينتل در آلمان، هند و ايالات متحده بعنوان بخشي از برنامه « Tera-scale Cloud Computer Research» اخيراً در تلاشي مشترک، يک پردازنده 48 هسته اي را با موفقيت به نمايش گذاشتند که محققين اينتل آن را با نام Single-chip Cloud Computer ( SCC) مي شناسند و مي تواند بر نحوه ساخت پردازنده هاي آتي تأثير جدي بگذارد.
اينتل اين تراشه تجربي را يک تراشه « چندين هسته اي» (Many-Core) مي نامد، نه يک تراشه چند هسته اي Sean Kohel. (Multi-Core) يکي از مروجين فناوريهاي Intel Labs در اين رابطه مي گويد:« احتمالاً شما سرانجام مي توانيد يک قفسه از سرورها را با يک تراشه واحد جايگزين نمائيد. ما بسيار مشتاق هستيم که ببينيم وقتي به اين سطح از يکپارچه سازي مي رسيم، چه اتفاقي خواهد افتاد».ل سال 2009

 

تحقيقات ابتدائي در سال 2006 بر روي چيزي متمرکز بود که اينتل آن را يک « پردازنده تحقيقاتي ترافلاپس» مي ناميد. اهداف اصلي که اينتل در سال 2006 براي پروژه خود تعريف کرده بود، عبارتند از:
- ترکيب چندين هسته مميزي شناور ساده با يکديگر
- تائيد اعتبار مفهوم طراحي« Tiled»( موزائيکي)
- آزمايش محدوديتهاي سخت افزاري يک شبکه Mesh
- عرضه قابليتهاي « Sleep» در سطوح هسته و مدار
- عرضه ويژگي عبور دهي پيام « سبک وزن»
- پياده سازي قابليت برنامه ريزي محدود براي انجام آزمايشهاي مقايسه اي ابتدائي
- کسب تجربه، اساساً بر روي مدار هنگاميکه (SCC) Si- پياده سازي قابليت برنامه ريزي محدود براي انجام آزمايشهاي مقايسه اي ابتدائي

- کسب تجربه، اساساً بر روي مدار هنگاميکه (SCC) Single-chip Cloud Computer واقعي در اواخر سال 2009 معرفي شد، اهداف اينتل در مورد پروژه مربوطه نيز تغيير کرد. اهداف اينتل در رابطه با پروژه تحقيقاتي SCC در سال 2009 عبارتند از: - عرضه يک شبکه Mesh با بهبود چشمگير عملکرد براي هر وات
- ارائه مقياس دهي مناسب در هر دو حوزه فرکانس و ولتاژ ديناميک
- عملکرد عبوردهي پيام و اشتراک گذاري کنترل شده حافظه
- پياده سازي قابليت برنامه ريزي کامل جهت تأمين امکان تحقيقات مربوط به نرم افزارهاي کاربردي
- کسب تجربه بر روي مدار، نرم افزار و پردازش موازي

فناوريهاي SCC
 

Kohel مي گويد معماري SCC به يک ابزار کامپيوترها شباهت دارد که در داخل سيليکون، مجتمع و يکپارچه سازي شده اند. تراشه چندين هسته اي، حاوي فناوريهاي متعددي است که مي توانند آينده طراحي پردازنده ها را تغيير دهند. اين فناوريها عبارتند از:
- شبکه On-chip: هر هسته در داخل SCC هسته اي قادر است يک پشته نرم افزاري جداگانه را اجرا نموده و اساساً يک گره Computing مجزا را تقليد کند. هسته ها مي توانند بر روي شبکه ها On-chip با يکديگر ارتباط برقرار نمايند. امکان جابجائي داده ها مابين هسته هاي همکار کننده تنها در مدت چند ميلي ثانيه وجود دارد که تأخير را در مقايسه با يک قفسه از سرورها بطور چشمگيري کاهش مي دهد.
- مديريت توان مصرفي: Kohel مي گويد مديريت توان مصرفي يکي از نقاط تمرکز اصلي محققين SCC بوده است. به برنامه نويسان امکان داده شده است تا توان مصرفي بر روي تراشه SCC را از طريق نرم افزار خودشان کنترل کنند. نرم افزار مي تواند توان مصرفي را بر حسب نيازهاي نرم افزار به يکي از 8 ناحيه ( Island) تعريف شده بر روي تراشه کاهش داده و يا آن را بطور کامل خاموش نمايند. اينتل مي گويد تراشه SCC برحسب مديريت نرم افزاري سطوح مذکور مي تواند با تواني معادل 25 تا 125 وات کار کند.
- پشتيباني از عبوردهي پيام Scale-out: تراشه SCC از يک مدل برنامه ريزي « Scale-out Message Passing» پشتيباني مي کند که به آنچه از قبل در Data-Centerهاي Cloud مورد استفاده قرار گرفته است شباهت زيادي دارد. Scale-out به استفاده از گره هاي مستقل( هريک با حافظه مخصوص به خودش) براي پردازش يک نرم افزار کاربردي، اشاره دارد.
- پشتيباني از حافظه اشتراکي منسجم( Coherent) مبتني بر نرم افزار: SCC از پشتيباني انسجام کاشه سخت افزاري استفاده نمي کند، بلکه از استفاده از انسجام مبتني بر نرم افزار بهره مي گيرد. اين تکنيک به صرفه جوئي در مصرف برق منتهي مي گردد.
با اين فناوريها، معماري چندين هسته اي SCC انعطاف پذير و مقياس پذير مي گردد( اين معماري به آساني توانسته است تا وراي 48 هسته گسترش پيدا کند). Kohel در اين زمينه مي گويد:« خود معماري توانسته است از 64، 100 و يا حتي تعداد بيشتري از هسته ها پشتيباني نمايد.»

اتصال کاشه تحت مديريت نرم افزاري
 

يکي از حوزه هائي که SCC در آن دستخوش يکي تغيير قابل ملاحظه شده است، روش اشتراک گذاري داده ها مابين نواحي حافظه کاشه است. Kohel در اين زمينه مي گويد:« ما يک ويژگي با نام انسجام سخت افزاري کاشه را حذف کرده ايم. در انسجام سخت افزار کاشه، تمام کاشه با داده ها بروزرساني مي شوند و ما بايد اطمينان پيدا کنيم که داده ها براي تمام هسته ها قابل دسترسي هستند، اما اين روش با هزينه بالائي در زمينه مصرف برق همراه خواهد بود. بنابراين ما مرحله مذکور را حذف کرده ايم که باعث صرفه جوئي در توان مصرفي مي گردد».
بعبارت ديگر با انسجام سخت افزاري کاشه، هر بار که داده ها در يک هسته تغيير مي کنند، تمام کاشه ها بايد براي انعکاس داده هاي بروز رساني شده، تغيير نمايند. اين تغييرات مستلزم مصرف توان بسيار بالائي خواهد بود، در حاليکه بر حسب نوع کاري که هريک از هسته ها مشغول انجام آن مي باشد، ممکن است هيچ لزومي براي اعمال اين تغييرات وجود نداشته باشد. Kohel مي گويد:« ممکن است تمام هسته ها در حال انجام کارهاي متفاوتي بوده و نيازي به بروز رساني کاشه نداشته باشند.»
در مقابل، اينتل يک انسجام کاشه مديريت شده توسط نرم افزار را در SCC پياده سازي کرده است. استفاده از يک انسجام کاشه مديريت شده توسط نرم افزار در عين حال از مقياس پذيري بالاتري برخوردار مي باشد که آن را کاملاً براي تراشه هاي چندين هسته اي مناسب مي سازد. Kohel مي گويد:« ما بايد اين مديريت کاشه را در نرم افزار انجام دهيم، زيرا کارآمدتر از روش سخت افزاري خواهد بود. ما داده ها را بعنوان يک بسته مابين هسته ها جادر مقابل، اينتل يک انسجام کاشه مديريت شده توسط نرم افزار را در SCC پياده سازي کرده است. استفاده از يک انسجام کاشه مديريت شده توسط نرم افزار در عين حال از مقياس پذيري بالاتري برخوردار مي باشد که آن را کاملاً براي تراشه هاي چندين هسته اي مناسب مي سازد. Kohel مي گويد:« ما بايد اين مديريت کاشه را در نرم افزار انجام دهيم، زيرا کارآمدتر از روش سخت افزاري خواهد بود. ما داده ها را بعنوان يک بسته مابين هسته ها جابجا مي کنيم».

حرکت از Multicore به Many-Coreنوع کاربردهاي امکانپذير براي مصرف کنندگان عام همراه بوده است . انتظار اصلي از تراشه هاي تک هسته اي، اجراي نرم افزارهاي کاربردي مبتني بر متن و يا چند رسانه اي بود، آن هم با استفاده از مجموعه داده هائي در حد چند مگابايت و سطح اجرائي MIPS( ميليون دستورالعمل در ثانيه). با اينحال هنگاميکه استفاده از معماريهاي چند هسته اي آغاز شد، وظايف سنگين تري نظير Computing موبايل سطح بالا، مضمون ويديوئي HD و ساير موارد مشابه رواج بيشتري پيدا کردند. پردازنده هاي چند هسته اي مي توانند از مجموعه داده هائي در اندازه هاي گيگابايتي استفاده کرده و به سطح اجرائي GIPS( ميليارد دستورالعمل در ثانيه) برسند.
 

Kohel مي گويد:« انتقال از پردازنده هاي تک هسته اي به تراشه هاي چند هسته اي، مثالي از يک تلاش بزرگتر براي مقياس دهي عملکرد در طول زمان به حساب مي آيد. تا پيش از اوايل دهه 2000 ميلادي و رواج پردازنده هاي چند هسته اي، شما واقعاً پردازش ويديوئي خوبي را در اختيار نداشتيد».
ورود تراشه هاي چندين هسته اي که مجموعه داده هائي در اندازه هاي ترابايتي را اداره کرده و به سطح اجرائي TIPS( تريليون دستورالعمل در ثانيه) مي رسند، قدم بعدي خواهد بود. Kohel معتقد است که پردازنده هاي چندين هسته اي مي توانند قدرت پردازش مورد نياز برKohel مي گويد:« انتقال از پردازنده هاي تک هسته اي به تراشه هاي چند هسته اي، مثالي از يک تلاش بزرگتر براي مقياس دهي عملکرد در طول زمان به حساب مي آيد. تا پيش از اوايل دهه 2000 ميلادي و رواج پردازنده هاي چند هسته اي، شما واقعاً پردازش ويديوئي خوبي را در اختيار نداشتيد».

ورود تراشه هاي چندين هسته اي که مجموعه داده هائي در اندازه هاي ترابايتي را اداره کرده و به سطح اجرائي TIPS( تريليون دستورالعمل در ثانيه) مي رسند، قدم بعدي خواهد بود. Kohel معتقد است که پردازنده هاي چندين هسته اي مي توانند قدرت پردازش مورد نياز براي تنوعي از نرم افزارهاي کاربردي جديد نظير دنياهاي مجازي 3 بعدي و کنفرانسهاي ويديوئي« غرق کننده» ( Immersed) را فراهم نمايند. برقراري ارتباط با کامپيوتر، وضعيت طبيعي تري پيدا خواهد کرد زيرا نرم افزارهاي کاربردي ويديوي 3 بعدي مي توانند ژستهاي طبيعي را بخوانند. به گفته Kohel، حرکت به سمت تراشه هاي چندين هسته اي« باعث طبيعي تر شدن تجربه تعامل با کامپيوتر خواهد شد».ر بانک حاوي 4 title)، يک گروه از 4 کنترلر حافظه و يک شبکه I/O اشاره دارد که هريک از آنها مي توانند با ولتاژ مستقلي کار کنند. مثالهائي از نواحي ولتاژي با يک V در نمودار شکل [5] نشان داده شده اند.
Kohel مي گويد:« کنترل ديناميک با اين تعداد بالا از هسته ها اهميت بسيار زيادي پيدا مي کند. ما نمي خواهيم فرض کنيم که همه آنها در حال انجام کار مشابهي هستند». با SCC، توسعه دهندگان نرم افزاري و برنامه نويسان خواهند توانست مقادير فرکانس و ولتاژ را بر حسب نيازهاي نرم افزار کنترل نمايند.
David Anderson استاديار علوم کامپيوتر در دانشگاه Carengie Mellon که احتمالاً يکي از همکاران اينتل در زمينه تحقيقات SCC خواهد بود، مي گويد:« Cloud Computer تک تراشه اي يک سکوي موجود و حاضر براي تحقيقات Data Center به حساب مي آيد، زيرا ترکيب کنترل Fine-Grain ولتاژ و فرکانس با توانائي خاموش کردن کامل مناطقي از پردازنده به معناي آن است که ما مي توانيم توازن مابيKohel مي گويد:« کنترل ديناميک با اين تعداد بالا از هسته ها اهميت بسيار زيادي پيدا مي کند. ما نمي خواهيم فرض کنيم که همه آنها در حال انجام کار مشابهي هستند». با SCC، توسعه دهندگان نرم افزاري و برنامه نويسان خواهند توانست مقادير فرکانس و ولتاژ را بر حسب نيازهاي نرم افزار کنترل نمايند.

David Anderson استاديار علوم کامپيوتر در دانشگاه Carengie Mellon که احتمالاً يکي از همکاران اينتل در زمينه تحقيقات SCC خواهد بود، مي گويد:« Cloud Computer تک تراشه اي يک سکوي موجود و حاضر براي تحقيقات Data Center به حساب مي آيد، زيرا ترکيب کنترل Fine-Grain ولتاژ و فرکانس با توانائي خاموش کردن کامل مناطقي از پردازنده به معناي آن است که ما مي توانيم توازن مابين پردازش، حافظه و I/O را به دقت بررسي نمائيم». اي SCC، اينتل باز هم Tile را تکرار کرده و از تمام فضاي قابل دسترسي استفاده مي نمايد. همانطور که در شکل [6] مشاهده مي کنيد، يک تراشه SCC تقريباً ابعادي معادل يک تمبر پستي دارد(A). هنگاميکه به يک سطح کلي تراشه نگاه کنيد، يک کنترلر حافظه و 6 tile را خواهيد ديد(B). هر tile شامل يک روتر، دو ناحيه کاشه L2، يک بافر پيام و دو هسته خواهد بود(C).
اينتل قبلاً ايده Tileها را با تراشه« اثبات مفهوم»( Proof-of-Concept) خود با نام Polaris که شامل 80 هسته بود و در سال 2007 معرفي شد، تشريح کرده بود. Kohel در اين زمينه مي گويد:« اين يک شيوه پيشرفته تر از پياده سازي tile در مقايسه با Polaris است، شيوه اي که احتمالاً مي توان از آن در يک محصول واقعي استفاده کرد . اين يک تراشه تجربي است و از مفاهيم پيش نمونه اي استفاده مي نمايد که ما فکر مي کنيم مي خواهيم آنها را در طول زمان ترکي ب نمائيم».
به گفته Kohel، محققين اينتل به خاطر همين معماري Tiled تصميم گرفته اند که عبارت «Cloud Computer» را در نام تراشه SCC درج نمايند. او مي گويد:« اگر به تراشه نگاه کنيد، تا حدودي به چيزي شباهت دارد که در Cloudها مي بينيد، حداقل از ديدگاه يک برنامه نويس. اين نام براساس مدل تجاري Cloud Computer انتخاب نشده است. با اينحال، آنها از جنبه سخت افزاري داراي معماري مشابهي هستند».
با وجود آنکه اينتل هيچ برنامه اي براي تجاري سازي اين نسخه بخصوص از SCC ندارد، بعضي از مفاهيم و ويژگيهاي آن نهايتاً مي توانند به ريزپردازنده هاي واقعي راه پيدا کنند. Tim Mattson مهندس ارشد Intel Labs مي گويد:« اين تراشه از ديدگاه يک برنامه نويس بسيار جذاب خواهد بود زيرا از يک معماري حافظه کاملاً غني برخوردار است. با اين تراشه، ما به اکتشاف و بررسي معماريهاي حافظه متفاوتي نسبت به خط چند هسته اي استاندارد خود و همچنين نحوه تأثيرگذاري آنها بر مدلهاي برنامه نويسي خواهيم پرداخت».

اعداد و ارقام مربوط به SCC
 

48 هسته بر روي تراشه SCC، بيانگر بالاترين تعداد هسته هاي سازگار با IA(Intel Architecture) است که تاکنون بر روي يک تراشه واحد ترکيب شده اند. اينتل پردازنده مجهز به هسته هاي بيشتر را تحت عنوان Polaris در سال 2007 به نمايش گذاشت که حاوي 80 هسته بود. با اينحال، هسته هاي پياده سازي شده بر روي Polaris با معماري IA انطباق نداشتند. اينتل با Polaris بعنوان يک تراشه اثبات مفهومي رفتار کرد که اختصاصاً براي تحقيقات سطح بالا طراحي نشده بود( وظيفه اي که تراشه SCC بر عهده دارد).
به گفته Kohel، اينتل حتي با يک تراشه 80 هسته اي در کارنامه گذشته خود، احساس نمي کرد که نياز دارد با SCC از اين تعداد عبور کند. در واقع اين شرکت هيچ تعداد خاصي از هسته هاي منطبق با معماري IA را براي تراشه SCC بعنوان يک هدف در نظر نگرفته بود. Kohel در اين زمينه مي گويد:« در رابطه با تعداد هسته ها، ما صرفاً مي خواستيم تعداد بسيار زيادي از آنها داشته باشيم و به همين دليل فقط ناحيه قابل دسترسي خود را با حداکثر تعداد هسته هاي ممکن پر کرديم».
بعضي از جنبه هاي خاص تراشه SCC عبارتند از:
- 48 هسته منطبق با معماري IA
- توليد شده با فناوري 45 نانومتري مبتني بر Hi-K metal-gate sillicon
- 48 ناحيه کاشه L2
-24 Tile با دو هسته IA در هر Tile
- يک شبکه Mesh دو بعدي 4×6 ( 24 روتر) با پهناي باند 256 گيگابايت بر ثانيه در بين بخشهاي مختلف ( Bisection)
- 4 کنترلر حافظه DDR3( با قابليت آدرس دهي 64 گيگابايت)
-384 کيلوبايت حافظه اشتراکي On-die براي عبور دهي پيامها در بين هسته ها
- مديريت توان مصرف با مقياسهائي از 25 وات تا 125 وات
- Die با مساحت 567 ميليمتر مربع
- 1/3 ميليارد ترانزيستور
- نزديک به 25 ميليون ترانزيستور براي هر هسته( در صورتيکه ترانزيستورهاي اختصاص يافته به سخت افزار شبکه سازي را در نظر نگيريم)
- قابليت اجراي نسخه سفارشي سازي شده اي از لينوکس

به کار انداختن هسته ها
 

از زمان معرفي SCC در اواخر سال 2009 به بعد، اينتل هميشه با يک پرسش متداول مواجه بوده است: اگر تراشه هاي آينده داراي 100 هسته( و يا بيشتر) خواهند بود، اين هسته ها چطور مورد استفاده قرار خواهند گرفت؟ Kohel پيشنهاد مي کند که براي بدست آوردن ايده هائي در اين زمينه، به Supercomputing و Data-Centerها توجه نمائيم.
سوپر کامپيوترهاي امروزي اساساً از تعداد زيادي از ريز پردازنده ها استفاده مي کنند که از طريق يک شبکه داراي عملکرد بالا با يکديگر ارتباط برقرار مي نمايند. Data-Centerها نيز از يک مدل Cloud-Computing مشابه استفاده نموده و تعداد زيادي از پردازنده ها را بر روي مجموعه هاي بزرگي از داده ها به کار مي گيرند. SCC براي بهره گيري از همين تکنيکهاي برنامه ريزي موازي ساخته شده است که از قبل در حوزه هاي مذکور مورد استفاده قرار گرفته اند.
Kohel درباره تراشه SCC مي گويد:« اين محصول همانند يک شبکه بر روي يک تراشه واحد طراحي گرديده است. شما مي توانيد از همان مدلهاي برنامه نويسي براي اين تراشه استفاده نمائيد که در سوپرکامپيوترها و Data-Centerها به اثبات رسيده اند».

تحقيقات
 

با حرکت پروژه SCC به سمت جلو، اينتل بر روي حوزه هاي خاصي از تحقيقات تمرکز خواهد نمود. پيش از هر چيز، اينتل به جستجوي حوزه هائي خواهد پرداخت که در آنها مي تواند مفاهيم برنامه نويسي موازي را بر روي پردازنده هاي عمومي براي دسک تاپها و لپ تاپها اعمال نمايد. ثانياً، اينتل بطور جدي بر روي بهبود معماري SCC براساس نيازهاي برنامه نويساني که از اين تراشه براي انجام تحقيقات عملي خود بر روي مدلهاي جديد برنامه نويسي و نرم افزارهاي کاربردي استفاده مي کنند، کار خواهد کرد.
به گفته Kohel، اينتل در نظر دارد تا تقريباً 100 تراشه تجربي SCC را توليد کرده و آنها را در اختيار همکاران تجاري خود قرار دهد. او در اين رابطه مي گويد:« اين تراشه براي محققين برنامه نويسي و محققين تراشه ها بسيار مفيد خواهد بود. به اين ترتيب آنها ديگر مجبور نخواهند بود که از شبيه سازها استفاده کنند».
بدون SCC، آزمايش نرم افزارهاي کاربردي طراحي شده براي يک سوپرکامپيوتر معمولاً به شبيه سازي بر روي يک سيستم کوچکتر که از قدرت کمتري برخوردار است، نياز خواهد داشت که يک فرآيند وقتگير و نااميدکننده است.
David Anderson مي گويد:« موازي سازي عظيم تراشه SCC، اين توانائي را در اختيار ما قرار مي دهد تا امروز به بررسي سطحي از موازي سازي بپردازيم که از نرم افزارهاي کاربردي 5 سال بعد انتظار مي رود و به اين ترتيب بهترين استفاده را از سکوهاي چندين هسته اي نوظهور داشته باشيم».
Kohel از اعلام يک خط زماني در مورد دستيابي تحقيقات SCC به محصولات واقعي چندين هسته اي که در دسک تاپها و لپ تاپها ظاهر خواهند شد، خودداري کرد. او مي گويد:« ما تراشه اي مانند اين را بعنوان چيزي که به توليد انبوه آن خواهيم پرداخت در نظر نمي گيريم».
با اينحال، تحقيقات يک مسير کاملاً آشکار را دنبال مي کند و تراشه هاي چندين هسته اي که به يک معماري از نوع Tile مجهز هستند مطمئناً آينده پردازنده ها را تشکيل خواهند داد. اما نبايد انتظار داشته باشيم که سال آينده با يک جهش ناگهاني از پردازنده هاي 8 هسته اي به پردازنده هاي 48 هسته اي مواجه شويم. هنگاميکه نوبت به افزايش تعداد هسته ها و سوئيچ از ساختار چند هسته اي به ساختار چندين هسته اي مي رسد، پيشرفت پايدار همچنان بعنوان يک قاعده اصلي در نظر گرفته مي شود.
منبع: بزرگراه رايانه، شماره 129