Mellékleteink: HUP | Gamekapocs
Keres

Masszívan párhuzamos felépítésű lesz a 2010-ben érkező IBM Power7

Bizó Dániel, 2008. augusztus 06. 11:37
Ez a cikk több évvel ezelőtt születetett, ezért előfordulhat, hogy a tartalma már elavult.
Frissebb anyagokat találhatsz a keresőnk segítségével:

Igaznak bizonyultak a nemrég lábra kelt pletykák, az IBM következő generációs szerverprocesszora, a Power7 nyolcmagos lesz. Ezt maga Ross Mauri, a Power Systems divízió vezetője közölte egy interjú során. Ezzel az IBM hivatalosan is rálépett a masszívan párhuzamos felépítésű architektúrák útjára.

[HWSW] Igaznak bizonyultak a nemrég lábra kelt pletykák, az IBM következő generációs szerverprocesszora, a Power7 nyolcmagos lesz. Ezt maga Ross Mauri, a Power Systems divízió vezetője közölte egy interjú során. Ezzel az IBM hivatalosan is rálépett a masszívan párhuzamos felépítésű architektúrák útjára.

Katonásan masszív

A Power7 radikális elmozdulást jelent az extrém órajelű, kétmagos Power6 chiphez képest, ugyanakkor egyelőre nagyon kevés mikroarchitekturális részlet ismeretes. Ez nem is csoda, hiszen az új felsőkategóriás szerverprocesszor megjelenése 2010-ben esedékes, így kommunikációs és versenyképességi okokból is indokolt az IBM hallgatása. Az eddig kiszivárgott részletek egy 45 nanométeres gyártási eljáráson 8 darab 4 utasításszálat kezelő magot (összesen 32 szál) integráló chipről szólnak, melynek órajele a 3-4 gigahertzes tartományban mozog. Az új VSX vektorkiegészítéssel órajelenként 64 lebegőpontos műveletet hajthat végre a Power7, ez akár 256 gigaflops elméleti csúcsot is jelenthet chipenként, szemben a Power6 40 gigaflopsával. Egy processzormodulra alapesetben két Power7 chip kerül, vagyis egy modul 16 magot, 64 utasításszálat és 512 gigaflopsot is hozhat.

Ross Mauri
Ross Mauri
Mauri az IT Jungle-nek adott interjújában erősítette meg a nyolcmagos felépítést, ugyanakkor mikroarchitekturális részleteket nem árult el a versenytársakra hivatkozva. A terméktervek alapján a Power7 jelentős mikroarchitekturális változásokat fog magával hozni, várhatóan megjelennek az egyes kódterületekre specializált gyorsító áramkörök, és a magok hibrid felépítésűek lesznek -- bármit is jelentsen ez. Az IBM a Power6-hoz képest ötszörös, a Power5-höz viszonyítva tízszeres gyorsulással kecsegteti ügyfeleit a Power7 kapcsán.

A Power7-tel kapcsolatos részletekre a Blue Waters kódnéven fejlesztett szuperszámítógépes rendszer specifikációiból derült fény. A Power7 chip és rendszerek fejlesztéseit az IBM jelentős részben a DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency, az Egyesült Államok védelmi minisztériumának kutatási hivatala) által biztosított 244 millió dollárból finanszírozza. A támogatás célja a szuperszámítógépes rendszerek következő generációjának megalkotása, melyek extrém műveleti párhuzamosságot képesek elérni, és potenciáljukat hatékonyan kiaknázni.

A program előírja, hogy legalább 2 petaflops teljesítményt csikarjanak ki a hardverből, és 4 petaflopsig skálázódjanak -- a Blue Waters papíron 10 teraflopsot teljesít. Az IBM egyúttal vállalta, hogy legalább 500 millió dollárt költ a Power7-tel, a rendszerekkel és szoftverekkel kapcsolatos kutatás-fejlesztésre. Piackutatási adatok alapján a UNIX-szerverek éves értéke 15 milliárd dollár fölé rúg, míg a küldetéskritikus rendszereké a 20 milliárdot is meghaladja. A x86-os architektúra által dominált HPC-piac mérete nagyjából 10 milliárd dollár, vagyis az IBM rendszerei által megcélzott piacok összmérete legalább évi 30 milliárd dollár.

Eltervezett evolúció?

Az erőteljesen párhuzamos felépítésű Power7 jelentős változásnak tetszik a kétmagos, extrém órajelekkel magas egyszálú teljesítményt nyújtó Power6-hoz képest. A Power6 órajele eléri az 5 gigahertzet, és megjelenésekor a legmagasabb egyszálú lebegőpontos teljesítményt nyújtotta. A chip tömegszerverek számára elérhetetlen sávszélességek segítségével közel lineáris a skálázódás a magok számának növelésével, így memóriaintenzív kódok alatt négyutas rendszerek felett gyakorlatilag tönkreveri riválisait az iparági benchmarkokban.

Power6+
A Power6 és 7 közötti hidat a piacon a Power6+ fogja képezni, mely várhatóan valamikor jövőre kerül be a Power System szerverekbe, 45 nanométeres eljárással készül, és megduplázza a rendszerek magszámát -- hogy szilíciumon, tokon vagy modulon, egyelőre nem publikus.
Egyelőre nem világos, hogy a párhuzamosság felé való fordulással egyidőben az IBM mérnökei hogyan tudták kezelni az egyszálú teljesítményt. Bár a szervereken futó kódok jellemzően párhuzamosítottak, a skálázódásnak nagyon is tapintható korlátai mellett vannak feladatok, mint például tranzakcioknális kiszolgálás, ahol az egyes futási idők is kritikusak lehetnek. A Power6 érdekessége az Intel, az AMD és a Sun fejlesztéseinek fényében éppen abban rejlett, hogy látszólag az egyszálú végrehajtást helyezte előtérbe, és a Power5 generációhoz képest nem növelte a fonalak számát, megmaradt a chipenként két magnál és összesen négy szálnál.

Elsőre talán kontraintuitívnak tűnhet, de elképzelhető, hogy az IBM valójában nem váltott irányt egyszer sem, hanem a Power6 a piac és az AIX szoftverplatform felkészítésének egy következő lépése a párhuzamosabb világba vezető úton. A Power6 nem rendelkezik a Power5-ben még meglévő agresszív soronkívüli motorral, gyakorlatilag teljes egészében mellőzi a dinamikus ütemezést és a soronkívüli (out-of-order, OoO) végrehajtást, annak nyomai csak egyes lebegőpontos műveleteknél maradtak meg. Az IBM talán nem az órajel oltárán áldozott, ellenkezőleg, az extrém órajellel ellensúlyozta többek közt az OoO hiányát, és az órajelen keresztül az egyszálú teljesítmény érdekében nem emelkedett a magok száma.

[+] Power6: tervezési koncepció és teljesítmény

Az AIX szoftverszállítóknak így több év áll rendelkezésükre, hogy kódjaikat a Power6 soros mikroarchitektúrájához trenírozzák, és az irány ismeretében szoftvereik párhuzamosságát és skálázódásuk hatékonyságát is fokozzák. A Power7 ugyanis nem kevesebb mint nyolcszor több utasításszálat kezel párhuzamosan mint a Power5 vagy a Power6, egy ekkora váltás pedig valószínűleg túlságosan sokkszerű lett volna az esetlegesen stagnáló vagy visszaeső egyszálú teljesítmény mellett -- így nagyjából három év extra időt kaptak a felkészülésre. Mindez természetesen spekuláció, a Power6 kapcsán korábban a HWSW hasábjain felmerült például az is, hogy az extrém órajeleket a mainframe-ek Power-migrációjához szükséges dinamikus fordítás természete indokolja -- ez azonban tévedésnek bizonyult.

Újra és újra felvetődik a kérdés persze: mekkora az igény ilyen méretű és teljesítményű rendszerekre? A magyar piacon gyakorlatilag nincs kereslet a legnagyobb konfigurációkra, és úgy tűnik, a számítási igények növekedése sem tart lépést a technika fejlődésével. A vezető szerverszállítók, köztük az IBM válasza erra az, hogy így egyre kisebb, költséghatékonyabb dobozokkal tudják kiszolgálni ügyfeleiket -- Mauri a Power7 kapcsán maga is beszélt a kompaktabb, csendesebb formátum felé történő elmozdulásról.

Nehézsúlyú ellenfelek

A még elektronikai tervezés alatt álló Power7 ellenfelei közé 2010 magasságában a Sun Microsystems Rock/Rock+ chipjei tartoznak. A Rock, melynek 45 nanométeres változata a Rock+, több érdekességgel is bír: 16 egyszerű felépítésű magot integrál 4x4-es szervezésben, és 32 utasításszálat kezel szimultán, valamint egzotikus módon implementált spekulatív soronkívüli végrehajtással bír. A 4x4-szervezésben négy mag osztozik az L1 utasítás- és adattáron is, ezek a blokkok pedig egy belső crossbar (összekötő) felületen kommunikálnak egymással, az L2 tárral és a külvilággal egyaránt. A szuperskalár magok négy utasítás szélesek, a komplexitás és fogyasztás leszorítása érdekében pedig nélkülözik a dinamikus utasításütemezést, alapvetően sorrendben hajtják végre a szoftveres szál utasításait, ugyanakkor egzotikus módon mégis soronkívüli végrehajtásúak lehetnek.

Egy szál végrehajtását megakasztó esemény bekövetkeztekor (tipikusan TLB/cache-miss) egy árnyékszál tovább folytatja az utasításszál futtatását, és előmelegíti a cache-eket, előre dekódolja a soronkövetkező utasításokat, és egyes esetekben végre is hajtja azokat, és egy átmeneti tárolóba helyezi az eredeményeket. Mikor a futást korábban megakadályozó esemény elhárul, akkor ismét folytatódik a valódi fonál végrehajtása, de már az árnyékfonalak által kitaposott úton, akár kész eredményeket találva -- a "vártnál" jóval gyorsabban. A technika szépsége, hogy a komplexitás minimális, néhány százalékos emelkedése mellett úgy segíti futásidőben a teljesítmény fokozását, hogy teret enged a kimerítő szoftveres optimalizációnak is, ugyanis csak "probléma" estén avatkozik be.

[+] A Sun UltraSPARC új generációja: Rock

A Rock ezenkívül tranzakcionális memóriavezérlésre is képes, amivel hatékonyabbá teheti a memória kihasználását. A metódus célja, hogy a párhuzamosan futó szálak ne blokkolják a memóriát, mint a hagyományos rendszerekben, ahol az azonos címekre hivatkozás miatt a memória egyes részeit csak egy szál tudja írni vagy olvasni. A Rock ezért csoportokba rendezi a különböző szálakhoz tartozó memóriaműveleteket, amelyeket aztán tranzakciókra darabol szét, ezáltal lehetővé téve, hogy egy memóriaterülethez akár több szál is hozzáférjen kizárások ("mutex") nélkül. A Sun 65 nanométeren 2,3 gigahertzet és 250 wattos fogyasztást céloz meg a Rockkal, az első szerverek szállításai jövő év közepére várhatóak legkorábban.

A már készen lévő, és a szerverekbe való beépítésre váró Rockkal szemben sokkal kevesebb részlet ismert a 2010 végére, 2011-re várható Poulsonról, mely az Intel Itanium processzorcsaládjának tagja. A Poulson legnagyobb érdekessége jelenleg, hogy már 32 nanométeres félvezetőeljárást alkalmaz majd. Az Itanium család ezzel kihagyja a 45 nanométeres fázist, hogy egy ugrással drasztikusan javítson versenyképességén, jelenlegi nyomasztó hátrányát előnyre váltva: a kétmagos Itanium chipek ma még mindig 90 nanométeres eljáráson készülnek, míg az IBM Power6 és a Fujitsu SPARC64 VII is már 65 nanométeres technológiával. A 32 nanométeres eljárás akár 16 nagyteljesítményű vagy 32 keskenyebb mag számára is elegendő helyet tudna biztosítani hatalmas gyorsítótárak társaságában -- az Intel ultrapárhuzamos mikroarchitektúráról beszél.

[+] Lassabb lesz a vártnál a négymagos Itanium, de így is átütő előrelépés

A távoli és gyakorlatilag ismeretlen Poulsonig azonban még érkezik az idei év végén, jövő év elejére pedig szerverekbe a Tukwila, a négymagos Itanium. A 65 nanométeren implementált processzor legnagyobb újdonsága a duplázódott magszám mellett a gyökeresen új rendszerinfrastruktúra. A korábbi, mára már igencsak idejemúlt és a teljesítmény gátjává vált PA-RISC buszrendszert az Intel QuickPath pont-pont összeköttetései váltják, és a processzorok integrált memóriavezérlőt kapnak. Mindez egy nagyságrenddel nagyobb sávszélességeket és drasztikusan alacsonyabb késleltetéseket jelent a rendszerben, így a processzor erőforrásai is jóval magasabb kihasználtságúak lehetnek korábban memóriakorlátos kódok alatt. Az Intel mindezek ellenére kétszeres teljesítménynövekedésről beszél mindössze, igaz, hozzáteszi: legalább, ha belevesszük a lazított, 170 wattos TDP-vel elérhető 2 gigahertzes órajelet is.