Главный pедактоp — д-р техн. наук, п|)офессор В. Ю. Кнеллеp
УДК 004.272.32
К СОЗДАНИЮ ОДНОКРИСТАЛЬНОГО
МНОГОПРОЦЕССОРНОГО КОМПЬЮТЕРА ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ С МАССОВЫМ ПАРАЛЛЕЛИЗМОМ (ЭЛЕМЕНТЫ СТРАТЕГИИ ОПЕРЕЖЕНИЯ В СОЗДАНИИ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ)
С. Е. Артамонов, Ю. С. Затуливетер, В. А. Козлов, Е. А. Фищенко
Анализируются причины, проявления и индустриальные проблемы внугрикомпьютерного кризиса. Рассматривается развитие однокристальных ускорителей массовых вычислений общего назначения. Предлагается проект масштабируемой и комплексируемой архитектуры отечественного ускорителя, который обладает архитектурным потенциалом опережения.
Ключевые слова: компьютерный кризис, однокристальный ускоритель, массовые вычисления общего назначения, масштабируемость, комплексируемость, архитектура с массовым параллелизмом, стратегия опережения.
ЖУРНАЛ В ЖУРНАЛЕ
Измерения Контроль
Автоматизация : СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ
введение
Достижение значимых позиций на мировом компьютерном рынке — одна из приоритетных задач возрождения отечественного компьютеро-строения. На первый взгляд она кажется нерешае-мой, но, как далее показывается, на современном этапе развития мирового компьютеростроения вступают в действие фундаментальные рыночные факторы, которые требуют изменения базовых моделей развития индустрии массового производства компьютеров и программ. А это влечет необходимость кардинальной переоценки сложившихся приоритетов и соответствующих структурных изменений мирового компьютерного рынка. Инвестиционная политика должна учитывать новые рыночные факторы долгосрочного влияния непреодолимой силы.
Вступление в ВТО может устранить дискриминационные барьеры на путях выхода на мировой высокотехнологичный компьютерный рынок
с новыми разработками, но это предъявляет высочайшие требования к уровням их конкурентоспособности. Особое значение обретают проекты, направленные на формирование новых рыночных ниш высокотиражной наукоемкой продукции, которые опираются на превосходящие фундаментальные научные заделы и опыт практических наработок.
В области высокопроизводительных и массовых компьютеров конкурентоспособность наукоемких ноу-хау может достигаться только в рамках сложившегося на мировом рынке разделения труда с привлечением современных полупроводниковых технологий массового производства интегральных схем глубокого нанометрового диапазона 40—28—20—14—10 нм.
Передовые СБИС-технологии перешли на промышленное освоение глубокого нанометрового диапазона и уже предоставляют 1—3 млрд и более транзисторов на кристалле. Однако эффективное
использование этого ресурса в целях повышения производительности посредством простого увеличения числа классических микропроцессорных ядер на кристалле не имеет перспектив.
Впервые массовое компьютеростроение оказалось в ситуации архитектурного кризиса: микропроцессорные архитектуры исчерпали свой потенциал параллелизма уже на уровне 10—50 млн транзисторов, а системообразующий потенциал многоядерных архитектур с фоннеймановскими микропроцессорами совершенно недостаточен для высокоэффективного использования потенциальных возможностей современных и перспективных СБИС-технологий.
Новейшие разработки однокристальных "ненеймановских" многопроцессорных архитектур с массовым параллелизмом (сотни процессоров на кристалле и более) все еще находятся в начальной стадии индустриального становления и развития.
Наиболее известным примером промышленного производства таких архитектур служат новейшие графические процессорные устройства (GPU) известных производителей nVIDIA и AMD. Однако оснований считать, что архитектуры, изначально ориентированные на использование в составе видеоплат ПК или других узкопрофильных применений, сохранят высокую эффективность на других классах задач с массовым параллелизмом, пока нет. Проблемы поиска и обоснования конкурентоспособных многопроцессорных архитектурных решений, отвечающих требованиям массовых применений в широких классах задач, в наступившем десятилетии становятся одними из наиболее приоритетных.
По сути, речь идет о развитии новой ниши компьютерного рынка — высокопроизводительных однокристальных компьютерах общего назначения (General Purpose — GP) с массовым параллелизмом. Этот рынок охватит весь диапазон применений — от массовых устройств мобильной связи и встраиваемых систем управления, до суперкомпьютеров производительностью 1—1000 Пфлопс и более.
Это стратегически важное направление развития компьютеростроения, в котором отставание в части СБИС-технологий на несколько поколений может в рамках международного разделения труда компенсироваться обладанием ноу-хау в части компьютерных архитектур и способов их индустриального программирования.
Следует отметить, что после длительного периода сверхбыстрого прогресса сложилась следующая ситуация: имеются перспективные СБИС-технологии, для которых пока нет ни совершен-
ных многопроцессорных архитектурных решений высокой эффективности, обеспечивающих наращивание реальной производительности пропорционально росту числа транзисторов и количества процессоров (ядер), ни индустриальных средств автоматизации их программирования, в полной мере отвечающих сложившимся требованиям массового производства компьютеров и программ. В отсутствие эффективных архитектурных решений одностороннее лидерство в технологиях СБИС уже не дает, как прежде, безусловного превосходства.
Уникальность ситуации в том, что в условиях непреодолимых ограничений на рост рабочих частот компьютерная индустрия вынуждена осваивать массовое производство кристаллов с существенно многопроцессорными архитектурами. В отсутствие альтернативных путей наращивания производительности пропорционально росту числа транзисторов на кристалле для выведения таких архитектур в сферы массового производства/потребления требуются "нестандартные" подходы и к архитектурам, и к способам их индустриального программирования.
Можно говорить о том, что в настоящее время на мировом рынке высокопроизводительных вычислений продолжает оставаться явный дефицит высокоэффективных многопроцессорных архитектур для задач с массовым параллелизмом. Это обстоятельство позволяет нам предложить к рассмотрению апробированную многолетней практикой эффективного промышленного применения отечественную многопроцессорную архитектуру ПС-2000 [1], которая может быть положена в основу как фундамент для построения высококонкурентных однокристальных многопроцессорных компьютеров общего назначения класса ОР.
Цели данной статьи:
— проанализировать причины и индустриальные проблемы внутрикомпьютерного кризиса и определить некоторые ключевые тенденции развития компьютеростроения в сфере высокопроизводительных вычислений;
— в сравнении с современными архитектурами однокристальных компьютеров с массовым параллелизмом рассмотреть пути конкурентоспособного развития архитектурной линии ПС-2000 в ориентации на передовые технологии глубокого нанометрового диапазона.
Данная статья написана по материалам доклада [2], рекомендованного для представления в журнале "Датчики и системы" оргкомитетом 6-й международной конференции "Параллельные вычисления и задачи управления" РАСО'2012.
компьютерный рынок в преддверии
кардинальных перемен
Компьютерный рынок — не только одна из наиболее доходных и динамично развивающихся сфер мирового рынка. Массовые компьютеры, связанные глобальными сетями, проникают во все сферы жизнедеятельности. Сверхбыстрое развитие этого рынка влияет на мировую экономику в целом. Благодаря глобальному информационному пространству, носителем которого являются компьютерные сети, он оказывает тотальное системообразующее влияние на все стороны жизни. Меняются базовые ценности и приоритеты, зарождаются новые траектории развития мировой социосистемы, которые потребуют изменений структуры мирового рынка и социальных отношений. Без активного приобщения к поиску адекватных ответов на информационные вызовы 21 века невозможно суверенное участие в неизбежном переделе сфер мирового влияния.
Компьютеростроение стало ключевым фактором социально-экономического развития. Качество жизни прочно связано с уровнем технического развития компьютерных технологий, которые становятся доступными все большему числу людей. В настоящее время эта связь обретает тотальное влияние на мировую социосферу.
Растущая зависимость социосферы от компьютерных технологий имеет и обратную сторону. Своевременно нерешаемые фундаментальные проблемы компьютеростроения, связанные с глубинными проявлениями внутрикомпьютерно-го кризиса, приводят к неравномерному развитию ключевых сфер компьютерного рынка, что ведет к нарушению системно-технических балансов в развитии собственно компьютерной среды и компьютерного рынка. В условиях сложившейся и быстро растущей зависимости социосферы от компьютерной среды дисбалансы передаются и социосистеме в целом. Стагнация ранее ведущих рыночных ниш в должной мере не компенсируется открытием новых. А это — упущенная выгода от недоиспользования быстро растущего рыночного потенциала передовых полупроводниковых технологий.
И чем масштабнее проявления компьютерного кризиса, тем больше потери. В условиях не-устраненного внутрикомпьютерного кризиса утрачиваются перспективы устойчивого развития компьютерного рынка и, как следствие, мирового. Инвесторы утрачивают долгосрочные ориентиры. Растут инвестиционные риски, а вместе с ними и избыток бездействующих финансовых ресурсов, что усугубляет нестабильность.
Рис. 1. Структурное насыщение микропроцессорных архитектур (ось абсцисс отражает смену поколений микропроцессоров фирмы Intel, ось ординат — удельную производительность микропроцессора, как частное от деления реальной производительности SPECint92 (замеряется на определенной смеси типовых алгоритмов) на количество миллионов транзисторов в чипе)
Анализ ключевых тенденций развития компьютерной среды и причин нарастающих проявлений внутрикомпьютерного кризиса [3] показывает, что прежние принципы ее формирования и механизмы развития приблизились к исчерпанию своего системообразующего потенциала. В первых поколениях
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.