Технология PowerPC

Перекрестные переключатели

В рамках начавшейся в 1995 году десятилетней программы ASCI (Accelerated Strategic Computing Initiative) министерство энергетики США DOE (Department of Energy) запросило у производителей компьютеров предложения по созданию самых мощных на сегодня ЭВМ. Задача ACSI — разработка "триллионных" компьютеров, которые могут быть использованы в том числе для моделирования ядерных испытаний. Предполагается, что триллионные (terascale) вычисления (таково официальное название для триллиона операций в секунду) будут широко применяться в коммерческих и научных приложениях в следующем столетии. Такие компьютеры создаются в трех национальных лабораториях DOE, связанных с проектом ASCI.

На первом этапе проекта ASCI — ASCI Option Red — рассматривалась большая конфигурация MPP с процессорами, организованными по традиционной модели распределенной памяти. Intel получил контракт на разработку компьютера с 9 072 процессорами Pentium Pro, 283 гигабайтами памяти и двумя терабайтами дискового пространства. Эта система имеет архитектуру MPP без разделения. Испытания новой системы происходили в национальной лаборатории Сандиа (Sandia), штат НьюМехи ко. Ставилась задача — Сандиа (Sandia), "выжать" из единственного в своем роде компьютера, стоимостью в 55 миллионов долларов, триллион операций с плавающей точкой в секунду (один терафлоп). В декабре 1996 компьютер Intel DOE достиг этой цели.

DOE также хотело устранить ограничения двух распространенных многопроцессорных архитектур (SMP и MPP). Как мы уже говорили, системы SMP использующие шины, не масштабируются больше 32 процессоров, но отлично работают для большинства приложений. Схемы MPP сложнее в программировании и подходят только для некоторых классов приложений. Кроме того, их работа сильно замедляется при необходимости доступа к данным, разбросанным по системе. Поэтому DOE предложила новый проект масштабируемого SMP, названного ASCI Option Blue.

Контракты на создание этих систем к концу 1998 года получили две компании, чьи предложения были самыми обещающими: IBM и Cray Research, которая была приобретена SGI (Silicon Graphics Incorporated). Машина IBM названная ASCI Blue Pacific будет установлена в национальной лаборатории имени. Лоуренса (Lawrence) в Ливерморе (Livermore), штат Калифорния, а машина SGI/Cray, получившая имя ASCI Blue Mountain — в национальной лаборатории в ЛосАламосе (Los Alamos), штат Нью-Мехико. Задача обоих компьютеров Option Blue — достичь производительности более 3 терафлоп.

В проекте IBM используются компактные узлы SMP с восемью процессорами; эти узлы соединяются с помощью переключателей передачи сообщений SP2. Проект SGI/Cray более сложен и включает в себя комбинацию соединений и технологий опера ционных систем с целью создания образа единой SMPподобной машины. И хотя физически данные будут распределены по системе, это будет архитектура NUMA.

Компьютер IBM ASCI Blue Pacific будет содержать 512 8процессорных узлов SMP, 4 096 сверхвысокопроизводительных процессоров PowerPC. Процессор, предназначенный для версии Belatrix Остина, назван 630. Он имеет высокую производительность для вычислений с плавающей точкой и в точности соответствует типу проблем, решать которые призван компьютер DOE.

Для связи между узлами в ASCI Blue Pacific планируется новый высокоскорост ной переключатель передачи сообщений типа SP2. Подсистема памяти, позволяющая процессорам внутри узла эффективно использовать память, будет использовать новый 128-разрядный перекрестный переключатель (cross-bar switch)^{16Перекрестные переключатели на протяжении десятков лет используются на телефонных станциях для подключения набора входящих линий к набору исходящих линий в произвольном порядке. Любая входящая линия может быть подключена к любой не занятой исходящей линии. Получается множество одновременных соединений.}. Подсистема памяти на основе таких переключателей позволяет нескольким процессорам обращаться к памяти узла параллельно и обеспечивает конфигурацию UMA, где устранена проблема, присущая шине памяти в большинстве конфигураций SMP.

Я упомянул о проекте DOE для того чтобы рассказать о новой подсистеме памяти, используемой в узлах SMP ASCI Blue Pacific. Первая подсистема UMA, использующая 128-разрядный перекрестный переключатель, была разработана в Рочестере. Аналогичная схема используется в настоящее время в компьютерах SMP Apache. Вместо одной шины между памятью и кэшем второго уровня, как в предыдущих системах SMP AS/400, в Apache применены перекрестные переключатели. Благодаря поддержке нескольких параллельных обращений к памяти за один цикл, возможна пересылка больших объемов данных между кэшем и разделяемой памятью, что позволяет поддерживать загрузку процессоров в больших конфигурациях SMP.

Пример подобной конфигурации с двенадцатью процессорами Вы можете увидеть на рисунке 2.6. На одной плате — четыре процессора Apache вместе с четырьмя кэшами L2. В 12-процессорной конфигурации установлено три таких платы. Размещенные на платах кэши L2 размером 4 или 8 мегабайт обладают цикличностью в 8 нано-секунд. Таким образом, за один цикл процессора между кэшем второго уровня и кэшем данных или команд первого уровня в микросхеме Apache может быть передано 16 байтов (см. рисунок 2.5).

Основная память в данной конфигурации может достигать 20 гигабайт, каждая плата памяти — содержать до гигабайта, так что на рисунке 2.6 показаны 20 таких плат. Обратите внимание на наличие четырех банков памяти с одинаковым числом плат в каждом, что позволяет обеспечить прослоенную память (memory interleaving) — технический прием, при котором открывается доступ к последовательным блокам данных памяти через разные банки. Например, если каждая плата памяти имеет 8-байтовый интерфейс, то одновременно из четырех банков памяти может быть считано 32 последовательных байта (байты 0-7 из банка 1, байты 8-15 из банка 2 и т. д.).

Четыре перекрестных переключателя подсистемы памяти UMA обеспечивают соединение между кэшами второго уровня и платами основной памяти. Три шины данных 6хх — по одной на каждую плату процессора — соединяют 12 процессоров с каждым из четырех переключателей. Эти 128-разрядные шины данных имеют время цикла 12 наносекунд (в полтора раза больше времени цикла процессора). Дополнительная шина данных 6хх соединяет с каждым из переключателей памяти подсистему ввода-вывода. У каждого переключателя — два независимых 128-разрядных интерфейса к платам памяти.

В подобной конфигурации в каждом цикле памяти к ней может осуществляться несколько параллельных обращений, что фактически устраняет проблемы, связанные с использованием одной шины памяти на традиционных системах SMP.

Имейте в виду, что здесь представлена лишь одна из возможных конфигураций соединения процессорных плат, переключателей и плат памяти. Другие модели ли нии AS/400 будут использовать иные комбинации этих компонентов. Например, в 4 процессорной конфигурации SMP может использоваться одна процессорная плата, два переключателя и четыре банка памяти.

Также, обратите внимание, что переключатели используются только линиями данных. Линии адресах всех кэшей второго уровня (показанные на рисунке как адресные линии 6хх) общие, что позволяет обычное отслеживание адресов, иначе называемое снупингом кэша (cache snooping) — прием, при котором каждый контроллер кэша L2 постоянно отслеживает все адреса, передаваемые по общей адресной шине. Кроме того, контроллеры проверяют, содержится ли адрес на шине в их кэше. Если это так, то соответствующие данные кэша становятся недействительными. Таким образом достигается когерентность информации во всех кэшах, ведь общие данные могут быть изменены одновременно не более чем одним процессором.

На рисунке 2.6 также показана общая подсистема вводавывода. Для подключения устройства расширения вводавывода к корпусу Mako, в котором размещается 12-процессорная конфигурация, используется SAN (System Area Network). Два таких интерфейса показаны на рисунке. В "Система ввода-вывода" мы рассмотрим использование SAN для поддержки разных интерфейсов вводавывода в AS/400е и соединения этих систем друг с другом.

Рис. 2.6. 12-конфигурация SMP

Итак, причина использования перекрестных переключателей — стремление повысить эффективность, или, иначе говоря, процентный рост производительности SMP при добавлении нового процессора в конфигурацию. Во многих системах с разделяемой памятью эта эффективность равна примерно 70 процентам при использовании от четырех до восьми процессоров. Благодаря новой подсистеме памяти, процессоры Apache должны поднять эффективность до 85—90 процентов.

Будущее переключателей памяти

Если используются иерархии кэшей, то почему бы не использовать иерархии переключателей? Фактически, именно это и произойдет в будущем. Мы рассмотрели пример, где каждый процессор был соединен посредством шины 6хх с каждым из четырех переключателей. А ведь вместо этого можно установить на каждый четырех процессорный узел один переключатель, который, логично назвать контроллером узла. Такие контроллеры могут быть подключены к набору переключателей, которые, в свою очередь, подключаются к банку плат памяти. Можно также подключить контроллеры узлов к нескольким наборам переключателей, а каждый из этих наборов — к отдельным банкам памяти. Таким образом будет получена очень большая конфигурация SMP. Вспомните этот разговор после выхода четвертого поколения процессоров Рочестера!

Вы еще не забыли про компьютер IBM ASCI Blue Pacific? В нем будет 512 процессорных узлов по восемь процессоров в каждом и подсистема памяти UMA на переключателях. Не следует ожидать в скором времени появления столь мощной версии AS/400, но разве не приятно осознавать, что такая конфигурация возможна, даже если и не очень практична? В конце концов, кодовым названием System/38 было Pacific^{17В честь Тихого Океана — Прим. консультанта.}, и мы действительно собирались создать понастоящему большую систему. Ну что ж, посмотрим, как будут выглядеть рочестерские процессоры PowerPC следующего поколения...

Выводы

Сегодня 64-разрядный процессор стал стандартом в компьютерной промышленности. Все RISC-процессоры AS/400 — современные, 64-разрядные, способные обеспечить функциональные возможности и производительность, необходимую для коммерческих систем и серверов. Мы считаем, что семейство RISC-процессоров PowerPC приведет AS/400 в следующее столетие.