Для RISC-серверов наступают плохие времена

EPIC переходит в атаку

По прошествии более чем двух лет с момента анонса первых Itanium 2 системы на основе этих процессоров находят применение не только для решения мощных профессиональных задач уровня предприятий, требующих обработки большого количества данных, как это было раньше. Сейчас серверы на базе Itanium 2 проникают в самые разные отрасли по причине хороших показателей окупаемости инвестиций (ROI), с одной стороны, и высокого уровня производительности, с другой. Согласно данным, обнародованным на осеннем форуме Intel для разработчиков, более 40 ведущих изготовителей комплектного оборудования производят серверы на основе Itanium 2.

Восемь из девяти крупнейших поставщиков RISC-систем занимаются также поставками систем на базе Itanium 2. В последней - 24 редакции списка ТОР500 присутствует уже 83 суперкомпьютера, собранных на Itanium 2, и один из них занимает почетное второе место. Более того, количество систем с архитектурой EPIC в списке самых мощных компьютеров на Земле превышает общее число систем на базе архитектуры RISC, включая Power, SPARC, Alpha и MIPs. В одном только прошлом году компании Intel удалось продать около 110 тыс. процессоров Itanium 2. В текущем году поставки этих процессоров в сравнении с 2003 годом по данным Gartner выросли на 500% по валу или на 740% по денежному обороту. По данным другого аналитического агенства – IDC – поставки высокопроизводительных систем, в которых установлено 64 или более процессоров Itanium 2, выросли в 10 раз по сравнению с прошлым годом.

Для некогда господствующей архитектуры RISC на рынке высокопроизводительных серверов и HPC, похоже, наступают не лучшие времена. По данным IDC 85% всех серверов, проданных в 4 квартале прошлого года, основаны на процессорах Itanium 2 или Xeon. 64% всех суперкомпьютеров (320 в абсолютном выражении) в списке ТОР500 также используют архитектуру Intel. Еще показательнее динамика роста – за три года присутствие архитектуры Intel в ТОР500 выросло в 15 раз, тогда как доля RISC-систем падает.

В поисках альтернативы

Чтобы лучше понять причины, побудившие компании Intel и Hewlett-Packard заняться разработкой новой архитектуры, получившей воплощение в процессорах Itanium, обратимся к основополагающему принципу НРС. Он прост, как и все гениальное, – для достижения большей производительности логично прибегнуть к распараллеливанию вычислений. Другими словами, неплохо бы заставить один физический процессор параллельно обрабатывать несколько инструкций. Такая идея получила название ILP (Instruction Level Parallelism). Идея ILP быстро получила признание и нашла себе применение еще в суперкомпьютерах 60-х годов прошлого столетия – CDC 6600, IBM S/360 M91, IBM ACS. Правда, уже в 70-х от ILP стали постепенно отказываться по причине несовершенства компиляторов того времени, неспособных эффективно распараллеливать программы. В результате по соотношению производительность/сложность реализации стали более выгодными процессоры попроще типа IBM S/360 M85 или многопроцессорные системы.

В 80-90-е годы идея ILP снова начала будоражить умы разработчиков. Еще в начале 80-х Алан Чарльзворт (Alan Charlesworth), Джош Фишер (Josh Fisher) и Боб Рау (Bob Rau) стали активно экспериментировать с архитектурами VLIW (Very Long Instruction Word). Последние подразумевали применение специальных компиляторов, способных обнаруживать в коде программы независимые инструкции и формировать из них длинные машинные слова инструкций. В течение 80-х годов каждый из трех основоположников архитектуры VLIW принимал участие в различных проектах по созданию реальных машин на ее основе, однако ситуация на рынке минисуперкомпьютеров в то время не позволила им стать успешными. Тем не менее, в начале 90-х идеей заинтересовалась компания НР и продолжила исследования в этом направлении. В то же время Intel начала вести работы по созданию собственной 64-битной архитектуры.

Интересы двух крупных компаний совпали, и летом 1994 года они объявили о начале совместного сотрудничества по разработке новой архитектуры. За отправную точку взяли PA-WW (Precision Architecture Wide Word) – одну из реализаций VLIW, над которой работала НР. Через три года на проходившем Microprocessor Forum компании раскрыли первые подробности относительно разрабатываемой архитектуры, и тогда же с их легкой руки появился термин EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing). Набор инструкций для новой архитектуры получил название IA-64. Компании Intel потребовалось еще 4 года, прежде чем она смогла представить на рынке готовый образец процессора. В мае 2001 года увидел свет первый Itanium, а набор инструкций IA-64 для него из маркетинговых соображений переименовали в IPF (Itanium Processor Family). Так впервые появилась реальная альтернатива для RISС, но тогда еще только теоретически.

Успех в стандартах

С наступлением 2004 года уже можно стало с уверенностью смотреть в будущее архитектуры EPIC. Попробуем назвать факторы, послужившие тому причиной. Наверное, самый важный из них – это стандартизация. В самом начале года Intel объявила о концепции «общей платформы» для процессоров Itanium и своих 32-разрядных процессоров для серверов и рабочих станций Xeon. Намеченной цели компания планирует достичь еще только в 2007 году, но очевидно, что она к ней идет уже сейчас.

Подтверждением тому появление технологии IA-32 Execution Layer, обеспечивающей повышение производительности 32-разрядных приложений на платформе Itanium. С другой стороны, летом в самом нижнем ценовом сегменте появляются Xeon для рабочих станций с технологией ЕМ64Т, поддерживающие некоторые 64-разрядные инструкции и позволяющие линейно адресовать объемы памяти более 4 Гб.

Сегментация семейства Itanium 2 на три линейки с разной производительностью и ценой имеет тоже огромное значение для популяризации продукта. Это дает ему закрыть различные ниши рынка, тем самым увеличив там свое присутствие. Кроме того, продукт получает свойство универсальности. Следуя указанному принципу, в апреле Intel представила новые Itanium 2 для недорогих систем, в ноябре пополнение из шести процессоров пришло во все три линейки.

В последнее время Intel делает все больший акцент на платформу, а не просто на ее отдельные компоненты. Наряду с разработкой новых моделей процессоров, компания занимается внедрением и популяризацией сопутствующих технологий. Особенно много их должно появиться с выходом в следующем году первого двухядерного чипа на основе архитектуры EPIC, известного сейчас под кодовым названием Montecito. Это технология виртуализации Silvervale, повышения надежности – Pellston, динамического изменения производительности – Foxton, изменения энергопотребления в зависимости от нагрузки – Demand Based Switching.

Весьма немаловажный фактор – уровень производительности. При сколь угодно замечательных всех прочих условиях, без должного уровня вычислительной мощности, процессоры были бы обречены на провал. Однако ее уровень весьма высок и позволяет успешно конкурировать с RISC-системами. Совсем недавно суперкомпьютер «Колумбия» из 10240 процессоров Itanium 2 в списке ТОР500 занял второе место, а его производительность достигла 52 ТФлоп в штатном режиме или более 60 ТФлоп в пиковом.

Распространению архитектуры EPIC в немалой степени способствует и продолжающийся рост количества оптимизированных для нее приложений, число которых в настоящий момент превысило 2000. Кроме того, системы на базе процессоров Itanium могут работать под управлением различных ОС – Windows, Linux, HP-UX, Solaris.

EPIC в силиконе

Первый процессор Itanium, построенный на основе EPIC, компания Intel представила в мае 2001 года. Он позиционировался в сегмент самых высокопроизводительных вычислений и супертяжелых баз данных, другими словами в очень узкий сегмент рынка. Ему еще только предстояло заручиться поддержкой со стороны сборщиков систем, разработчиков ПО и, конечно, потенциальных потребителей. Дело сдвинулось с мертвой точки примерно через год с появлением усовершенствованной и более отлаженной версии процессора, получившей название Itanium 2. Высокопроизводительные системы на базе новых процессоров появились в крупных вычислительных центрах – Национальном центре по использованию суперкомпьютеров, Европейской организации по ядерным исследованиям CERN – и впервые вошли в известный список пятисот самых мощных в мире суперкомпьютеров ТОР500.

Прошлый год стал не менее важным для процессоров Intel на основе архитектуры EPIC. В апреле 2003 года увидела свет ОС Windows Server 2003, тогда же Microsoft представила свою СУБД для серверов на базе Itanium 2. В середине года появились более производительные процессоры, что в свою очередь спровоцировало снижение цен на предыдущие модели. К этому времени присутствие архитектуры EPIC в списке ТОР500 исчислялось 19 системами. Осенью 2003 года Intel предприняла очередную попытку популяризации своего детища, сегментировав линейку Itanium 2. Теперь помимо чипов для высокопроизводительных систем, способных работать в многопроцессорных конфигурациях, появились Itanium 2 для двухпроцессорных систем с оптимальным соотношением цена/производительность и менее производительные модели, но с пониженным энергопотреблением. Цена последних впервые перешагнула символический рубеж в $1 тыс. и остановилась на отметке чуть более $700. Плоды политики Intel по продвижению Itanium 2 не заставили себя долго ждать. К концу 2003 года в список ТОР500 уже попало 32 системы на основе архитектуры EPIC. Но что еще важнее, наконец, появились реальные приложения для Itanium 2. В декабре прошлого года их число перевалило за 1 тыс.

RISC vs EPIC

ILP временно отошел на второй план, но архитектура процессоров для перечисленных суперкомпьютеров получила свое развитие и даже дошла до наших дней, хотя и в существенно модифицированном варианте. Она носит название RISC (Reduced Instruction Set Computer), из которого следует, что ее основу составляет сокращенный набор команд. Сокращенный в данном контексте означает также упрощенный для достижения максимальной производительности. Команды в архитектуре RISC имеют фиксированную и небольшую длину, они не нуждаются в интерпретации. С другой стороны, RISC-процессоры обладают значительным числом регистров, что позволяет хранить большое число данных на кристалле процессора и упрощает работу компилятора по распределению переменных по регистрам. Использование трехадресных команд упрощает их дешифрацию и дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без перезагрузки.

По мере развития архитектуры RISC она обзаводилась все новыми возможностями наращивания производительности. Ключевыми из них являются суперскалярная или многоконвейерная обработка, внеочередное выполнение команд, появление смешанных или групповых команд для выполнения часто повторяющихся последовательностей. Однако, несмотря на различные ухищрения разработчиков, RISC-процессоры не являются суперскалярными в полном смысле слова, и реализация параллельных вычислений в рамках этой архитектуры достаточно сильно ограничена. Еще одним фактором, сдерживающим стремительный рост производительности процессоров на основе архитектуры RISC, является проблема условных переходов. Собственно, указанная проблема характерна для любой архитектуры, поскольку условные переходы значительно тормозят работу процессора. Однако бороться с ними в случае архитектуры RISC особенно сложно, ввиду ограниченного набора инструкций –меньшее число команд ведет к росту числа ветвлений.

Чтобы лучше понять, в чем отличие архитектуры EPIC в сравнении с современными суперскалярными архитектурами RISC, с одной стороны, и VLIW, с другой, обозначим три основные задачи ILP:

• проверка зависимостей между инструкциями для выявления тех из них, которые можно сгруппировать для параллельного выполнения;
• распределение инструкций между функциональными блоками процессора;
• определение момента начала выполнения инструкций.

Распределение основных классов ILP-архитектур
по способам решения задач

Из таблицы видно, что в ЕРIC, в отличие от RISC, задача распараллеливания инструкций возложена на компилятор. Это позволяет упростить структуру процессора, и как следствие, добиться более высокой его производительности при меньшей степени сложности. Кроме того, компилятор оптимизирует выполнение программы целиком, а не отдельного ее фрагмента, который доступен процессору в случае аппаратного распараллеливания.

Архитектура VLIW, подобно RISC, представляет собой тоже своего рода крайность, только в отличие от RISC, в ней выполнение всех трех задач ILP возложено не на процессор, а на компилятор. Это эффективный способ поднять производительность, однако чревато проблемами несовместимости ПО в случае внесения даже малейших корректив в структуру процессора. Архитектура ЕРIC лишена описанного недостатка – выполнение двух последних задач ILP в ней возложено на процессор, как и в RISC.

Следующий шаг

Не стоит думать, что приведенные данные сплошь нивелируют достоинства архитектуры RISC. Можно найти немало примеров ее успешной реализации, однако цифры и результаты независимых исследований говорят сами за себя. Основная причина успеха архитектуры EPIC в стандартных компонентах, в виде которых она реализована. Это приводит к снижению стоимости владения системы, так важной для корпоративного сегмента, и позволяет значительно сократить сроки ввода в эксплуатацию.

Например, на изготовление, интеграцию и ввод в эксплуатацию второго по производительности в мире суперкомпьютера «Колумбия» специалисты компаний Intel, NASA и SGI потратили всего пять месяцев. В результате ученые и инженеры NASA получили в свое распоряжение столь важную для них систему, увеличившую на порядок их возможности численного моделирования. В то же время реализация аналогичных по масштабам проектов на основе нестандартных компонентов требует гораздо больших затрат времени и средств.

Достаточно быстрые темпы роста количества систем на основе Itanium 2, наблюдающиеся в последнее время, позволяют делать самые оптимистичные прогнозы относительно будущего архитектуры EPIC. Сейчас уже можно с уверенностью утверждать, что период взросления для нее остался позади. Теперь начался самый важный этап в развитии EPIC – этап занятия собственной ниши на рынке и вытеснения оттуда продуктов конкурентов. От его успеха во многом будет зависеть будущее этой интересной во многих отношениях архитектуры.

Сергей Мишко / CNews.ru

Короткая ссылка на материал: //cnews.ru/link/a963