27.5. Альтернативная технология построения многоядерных систем на кристалле — atac

Архитектура ATAC основывается на ячеистом принципе построения многоядерных процессоров, с тем отличием, что ячейками в данном случае выступают кластеры, которые состоят из нескольких вычислительных ядер, объединенных нанокристалльной сетью. Ячейки объединяются широковещательной оптической шиной. Интересным моментом является интеграция оптоэлектронных модулей и оптических каналов в рамках КМОП-технологии. Предусматривается возможность масштабирования количества ядер до нескольких тысяч.

Направление развития современных микропроцессоров вполне понятно — постепенный переход к многоядерным системам. Многие производители заявляют о достижении 1000 и более ядер на кристалле примерно к середине следующего десятилетия (∼2015). Но существует проблема: нынешние процессорные архитектуры, а особенно межъядерные коммуникационные механизмы, плохо приспособлены к масштабированию до тысячи вычислительных ядер. Это же касается и способов их программирования.

Архитектура АТАС объединяет оптическую широковещательную сеть с ячеистой (плиточной) мультиядерной архитектурой для значительного увеличения производительности, энергетической масштабируемости и упрощения программирования.

Существующие многоядерные архитектуры не позволяют следовать закону Мура для некоторых важных классов параллельных приложений. Ограничения накладываются стоимостью взаимодействий ядер и скоростью обмена с внешней памятью. Целью проекта АТАС является решение этих проблем путем внедрения технологии оптической связи.

Вычислительный процесс можно представить как некий информационный поток, захватывающий ядра процессора, распространение инструкций и передачу значений между ядрами. По мере увеличения количества процессоров будет возрастать задержка передачи данных между отдаленными ядрами. Эффект может увеличиваться, если взаимодействие между парами ядер будет требовать уже занятых коммуникационных ресурсов. Это принципиально для приложений, работающих на глобальных взаимодействиях (широковещательная рассылка или синхронизация кэшей). Помимо потери производительности глобальные коммуникационные операции также ведут к значительным энергетическим затратам. Мультипроцессоры с небольшим количеством ядер используют для внутренних соединений шину. Это простое решение, как известно, не масштабируется на большое количество ядер. Системы с большим количеством ядер применяют связи типа "точка-точка", где управление коммуникациями осуществляется программно.

Как правило, для приложений с нерегулярной, не предсказуемой заранее или широковещательной структурой связей переход к процессорам с тысячами ядер на кристалле может быть крайне затруднен или невозможен. Масштабируемости приложений также мешают существующие программные техники. Программисты должны распределять вычисления по пространству и по времени, а также управлять взаимодействием ядер, если они хотят достичь высокой производительности для данной аппаратной архитектуры. В зависимости от используемой внутрикристальной сети скоординировать действия сотен и тысяч процессоров может быть крайне сложно.

Такие действия, как доставка инструкций ядрам, могут создать сложности даже для SIMD-архитектур. Существующие техники программирования не предусматривают оптимизации межпроцессорных коммуникаций для достижения высокой производительности. Широковещательные сообщения и сообщения "все-ко-всем", используемые в протоколах синхронизации, согласования или распределения инструкций, не имеют прямой аппаратной поддержки и эмулируются путем многократных передач типа "точка-точка".