Специализированные системы с программируемой структурой

Обладая способностью реализовать любую схему, ПЛИС имеют, по сравнению с жесткой логикой, большую площадь в пересчете на используемый вентиль. Комбинацией, сохраняющей программируемость при уменьшении, по сравнению с ПЛИС, затрат оборудования, служит создание однородных вычислительных сред из одного типа ячеек с учетом проблемной ориентации некоторой специфичной ячейки при ее реализации на жесткой логике и программируемости связей между множеством таких ячеек.

Идея однородных вычислительных сред была сформулирована в начале 60-х годов сотрудником Института математики СО АН СССР Э.В. Евреиновым [1]. Была показана возможность снятия ограничения на рост тактовой частоты в однородных средах за счет коротких связей между соседними ячейками среды и реализации взаимодействия между удаленными ячейками по принципу близкодействия через цепочку ячеек, расположенных между ними. В силу возможности различного направления специализации ячеек и установления различной пропорции между реализацией на жесткой логике и программируемостью, сегодня предложено много вариантов построения специализированных систем с программируемой структурой [12-16]. К этому классу вычислительных систем относятся также систолические и волновые процессоры [17], программируемые (raw) процессоры [15], ассоциативные процессоры с SIMD-архитектурой, примером которых может служить проект CAM2000 [16], и др.

Технологическая база развития современных архитектур

Развитие САПР микроэлектроники, с одной стороны, и стандартизация микроэлектронных производств, с другой, создали предпосылки для появления предприятий, не имеющих собственных фабрик по производству микросхем, но разрабатывающих микросхемы или их блоки, являющиеся интеллектуальной собственностью. Это создает предпосылки вовлечения в производство высокопроизводительных вычислительных систем разработчиков, результаты труда которых могут быть получены ими непосредственно без отторжения от них проекта для передачи исполнителям технологического профиля. Это новый этап в развитии вычислительных технологий, дающий уникальный шанс, в том числе, для России.

В качестве соответствующих примеров можно предложить проект по созданию однокристальной системы из многопотоковых процессоров для построения из этих кристаллов мощных суперкомпьютеров на основе опыта, полученного при создании МВС-1000М [18], микропроцессоры «Квант» [19], изготовленные на фабрике AMD в Дрездене, а также ряд других отечественных проектов, реализация которых осуществлялась на зарубежных производствах.

Архитектуры многопотоковых процессоров

Каждый набор регистров Tera MTA обслуживает один вычислительный процесс, называемый потоком (thread). Всего в процессоре имеется n наборов регистров, а поэтому запрос, выданный в основную память процессом, может обслуживаться в течение n-1 тактов, вплоть до момента, когда процессор снова переключится на тот же набор регистров. Тем самым по отношению к одному потоку исполнение его команд замедляется в n раз. Значение n выбирается исходя из того, чтобы время доступа в память было меньше, чем длительность n-1 такта процессора. Задача формирования n потоков целиком возлагается на компилятор.

При всем различии подходов к созданию многопотоковых (multithread) микропроцессоров, общим в них является введение множества процессорных элементов, содержащих устройство выборки команд, которое организует окно исполнения для одного потока. В рамках потока может выполняться предсказание переходов, переименование регистров, динамическая подготовка команд к исполнению. Тем самым, общее количество команд, находящихся в обработке, значительно превышает размер одного окна исполнения суперскалярного процессора, с одной стороны, и тактовая частота не лимитируется размером окна исполнения, — с другой стороны. Выявление потоков может выполняться компилятором при анализе исходного кода на языке высокого уровня или исполняемого кода программы. Однако компиляторы не всегда могут разрешить проблемы зависимостей при использовании регистров и ячеек памяти между потоками, что требует разрешения этих зависимостей уже в ходе исполнения потоков. Для этого в микропроцессор вводится специальная аппаратура условного исполнения потоков, предусматривающая возврат с отбрасыванием наработанных результатов в случае обнаружения нарушения зависимостей между потоками. Нарушением зависимости, например, может служить запись по вычисляемому адресу в одном потоке в ту же ячейку памяти, из которой выполняется чтение, которое должно следовать за этой записью, в другом потоке. В этом случае, если адреса записи и чтения не совпадают, нарушение отсутствует. При совпадении адресов фиксируется нарушение, которое должно вернуть исполнение потока к команде чтения правильного значения.

Интерфейс между аппаратурой многопотокового процессора, поддерживающей протекание каждого отдельного потока и аппаратурой, общей для исполнения всех потоков, может быть установлен как сразу после устройств выборки команд потока, так и на уровне доступа к разделяемой памяти. В первом случае все потоки используют один набор функциональных устройств. Тесная связь по ресурсам позволяет эффективно исполнять последовательные программы с сильной зависимостью между потоками. В этом случае имеет место реализация SMT-процессора (simultaneous multithreading). Во втором случае для исполнения каждого потока, фактически, выделяется функционально законченный процессор. В целом, эта структура ориентирована на исполнение независимых и слабо связанных потоков, порождаемых либо одной программой, либо их совокупностью. В этом случае скорее надо говорить не о процессоре, а о CMP-системе (chip multiprocessing).

Возможно также промежуточное расположение интерфейса, при котором часть функциональных устройств, например, с плавающей точкой разделяется всеми потоками, а остальные устройства дублируются в каждом потоке. Количество и типы устройств, разделяемых всеми потоками, равно как и устройств дублированных во всех потоках, определяется исходя из представления о возможности их эффективной загрузки.

Многопотоковый процессор может исполнять потоки, принадлежащие одной или нескольким программам. Если процессор исполняет одну программу, то говорят о его производительности, если несколько — о пропускной способности.

Intel использовала 2-потоковую архитектуру в процессорах Pentium 4 и Xeon, однако еще предстоят значительные исследования по многопотоковым архитектурам. Компания Tera объявила о разработке проекта многопотокового микропроцессора Torrent, реализующего процессор МТА (www.tera.com). Компания Level One, образованная Intel, выпустила сетевой микропроцессор IXP1200 (www.level1.com), содержащий 6 четырехпотоковых процессоров.IBM анонсировала проект компьютера Blue Gene (D. Clark. Blue Gene and the race toward petaflops capacity. IEEE Concurrency, January-March 2000) с производительностью 1015 FLOPS, кристалл микропроцессора которого включает 32 восьмипотоковых процессора. В кристалл встроена память DRAM, реализованная как 32 блока. Каждый блок соответствует одному из 32 процессоров и имеет шину доступа 256 разрядов. Так как DRAM имеет высокую пропускную способность и малую задержку, то при восьмипотоковой структуре процессора становится возможным отказаться от кэш-памяти, вместо которой между процессором и памятью используется небольшая буферная память. IBM, Sony, Toshiba ведут совместный проект по разработке многопотокового процессора Cell («ячейка»), само название которого красноречиво свидетельствует о его предназначении.