Intel прогнозирует, как будет выглядеть компьютерный ландшафт десять лет спустя
На прошедшем в марте форуме разработчиков Intel в Сан-Франциско Джастин Раттнер, директор Intel Corporate Technology Group, рассказал о так называемой «Платформе-2015». За этим термином скрывается предсказание корпорацией того, как в стратегическом плане будет выглядеть компьютерный ландшафт десять лет спустя, в 2015 году. «Платформа-2015» включает в себя не только видение аппаратных и программных средств будущего, но и оценки типовых рабочих нагрузок. Собственно, последнее является, наверное, определяющим, поскольку задает требования к аппаратному и программному обеспечению.
Остановимся на аппаратной платформе будущего, в первую очередь на процессорах, хотя все компоненты «Платформы-2015» производят исключительно сильное впечатление и сегодня выглядят чуть ли не научной фантастикой. Правда, ИТ много раз и с успехом доказывали, что созданы, «чтоб сказку сделать былью». Да и само значение «Платформы-2015» выходит далеко за рамки планов на будущее отдельной корпорации, хотя речь идет и о перспективах выпуска микропроцессоров Intel, и о разработках программного обеспечения.
Дело не только в том, что Intel занимает на компьютерном рынке столь доминирующее положение, которое можно сопоставить разве что с ролью IBM в эпоху мэйнфреймов. В «Платформе-2015» речь идет о глобальных вещах, общих тенденциях, касающихся всей ИТ-индустрии, которые, очевидно, затронут всех производителей аппаратного и программного обеспечения.
По мнению авторов «Платформы-2015», рабочая нагрузка типового компьютера будущего потребует обработки терабайтов данных, производительности на терафлоповом уровне, для чего будут использоваться микропроцессоры нового поколения, содержащие большое число параллельно работающих процессорных ядер. То есть этот компьютер будет выглядеть (естественно, не внешне, а по своим возможностям) как суперЭВМ сегодняшнего дня. Конечно, можно считать это сказкой — но ведь ПК уже много лет как гораздо мощнее первой векторной суперЭВМ Cray-1!
С бытовой точки зрения данной публикацией Intel демонстрирует крах еще совсем недавних надежд на продолжение экспоненциального роста тактовых частот процессоров в соответствии с одним из «вариантов» закона Мура и переход к параллелизму на уровне процессорных ядер — вплоть до «массового», как в MPP-системах, уровня.
Подобный параллелизм выглядит уже как общая тенденция, характерная не только для процессоров Intel. Речь идет о новом, коренном повороте, который сильнейшим образом затронет производителей программного обеспечения — им понадобится распараллеливать свои программы.
Если прогнозы оправдаются, произойдет тектонический сдвиг, сопоставимый с такими поворотами в недавней компьютерной истории, как, например, отказ от микропрограммной реализации мэйнфреймов и мини-компьютеров и переход к RISC-архитектуре с аппаратной реализацией команд.
Некоторые важнейшие соотношения характеристик производительности различных уровней памяти, типичных для сегодняшнего дня, также могут кардинально поменяться, а значит, могут поменяться и другие аппаратные компоненты компьютеров.
Макротенденции десятилетия
В Intel отмечают: многие социальные и технические тенденции, ответом на которые должна быть «Платформа-2015», становятся видны уже сегодня. Более 20% населения земного шара (1,4 млрд. человек) имеют мобильные телефоны. К телефонам следует добавить другие беспроводные мобильные устройства, в том числе ноутбуки и КПК. Люди ожидают возможностей доступа к информации, сервису и развлечениям повсюду и в любое время.
Встроенные вычислительные устройства — в автомобилях, зданиях, игрушках и даже в теле человека — становятся общеупотребительными. «Компьютинг» не только проникает во все сферы человеческой деятельности, но и становится активным началом (proactive), способным не только обслуживать, но предварить запросы пользователя, автоматически адаптироваться к ним. В корпорациях уже создаются пилотные беспроводные сети микросхем-датчиков, способных управлять всем на свете. Компьютерные интерфейсы также будут более естественными, используя распознавание речи, рукописного текста и изображений.
Все это ведет к необходимости для вычислительных устройств обрабатывать исключительно разнообразные данные из различных источников. Соответственно данные должны стать самоописывающимися, т. е. содержать как собственно подлежащую обработке информацию, так и метаданные, описывающие, что именно содержат обрабатываемые данные. К примеру, к цифровому фотоизображению или видеокадру может добавляться метаинформация о времени, месте, условиях съемки и т. д.
Повсеместность коммуникаций и активность компьютерных систем способствуют общей тенденции увеличения объема данных, используемых как организациями, так и отдельными людьми. Согласно исследованиям Университета Беркли, объем хранимых данных удваивается каждые полтора-два года (при желании это также можно считать одной из форм закона Мура).
Данные надо передавать, хранить, структурировать и обрабатывать в реальном времени. Сегодня это — гигабайты фотографий, музыкальных записей, текста и видео. Скоро компьютер будет содержать терабайты цифровых данных и требовать производительности, измеряемой в TFLOPS.
Этот уровень производительности позволит организовать повседневную работу с новыми приложениями и новыми типами рабочей нагрузки. В Intel, в частности, говорят о рабочей нагрузке RMS (recognition, mining, syntheis — «распознавание, добыча, синтез»). Это означает соответственно способность распознать интересующую пользователя или приложение информацию; способность добыть большие объемы данных в реальном времени; способность синтезировать в реальном времени новые наборы данных, основываясь на этой информации.
Как полагают в Intel, рабочая нагрузка RMS-типа, будучи использованной при обработке массивных потоков данных, потребует суперкомпьютерного уровня производительности от отдельных серверов, ПК и даже мобильных устройств и встроенных систем (естественно, имеется в виду уровень сегодняшних суперкомпьютеров). Среди соответствующих приложений указываются системы принятия решений в реальном времени, обработка изображений медицинского характера в реальном времени, интеллектуальный поиск, игры и др.
В «Платформе-2015» Intel обращает внимание и на общие тенденции развития Internet, который не только отличается непрерывным ростом требуемой пропускной способности, но и становится «умнее», причем данные и приложения доставляются к возрастающему числу разнообразных устройств.
По мнению авторов «Платформы-2015», в будущем понадобятся новые формы организации подключения устройств и новые механизмы перекодирования контента и обеспечения толерантности по отношению к задержкам из-за ненадежности соединений. Число Internet-устройств будет измеряться десятками миллиардов, а Internet превратится в глобальную вычислительную платформа для новых сервисов и приложений. Люди и организации по всему миру будут сотрудничать гораздо теснее, что является отражением общей тенденции глобализации (любопытно, что термин GRID авторы «Платформы» явно нигде не использовали).
Новый закон Мура
Для достижения терафлопного уровня производительности быстродействие современного процессора ПК надо поднять более чем в 100 раз.
«Классический» (т.е. относящийся к скорости роста числа транзисторов) закон Мура говорил об удвоении числа транзисторов в микросхеме каждые полтора-два года. Некоторые специалисты предсказывали, что закон Мура будет действовать где-то до 2020 года; в соответствии с «Платформой-2015» в Intel рассчитывают на его выполнение минимум до 2015 года. Корпорация предсказывает, что процессоры будущего будут содержать 20-30 млрд. транзисторов на квадратный дюйм, что позволит иметь в кристалле много ядер.
Поскольку на практике наблюдался аналогичный экспоненциальный рост и производительности микропроцессоров, и их тактовой частоты, то стали использоваться и другие «разновидностям» закона Мура. Так, за 25 лет тактовая частота процессоров Intel возросла с 5 МГц до примерно 4 ГГц — то есть в 1000 раз (при удвоении частоты каждые два года получился бы 4096-кратный рост за 24 года).
При сохранении закона Мура для производительности за 10 лет получился бы 32-кратный рост. Intel говорит о росте возможностей компьютера к 2015 году в 10 или даже 100 раз.
Между тем производительность микропроцессоров Intel до сих пор возрастала в основном (примерно до 80%) за счет тактовой частоты. Надежды на продолжение этой закономерности в будущем не оправдываются; в Intel указывают на четыре главные проблемы.
Во-первых, это рост электрической мощности (точнее, ее плотности) и тепловыделения. Если рост производительности будет осуществляться за счет тактовой частоты, при неизменной архитектуре ядра Pentium 4, то плотность электрической мощности, по оценкам фирмы, понадобится увеличивать до десятков тысяч ватт на квадратный сантиметр — это больше, чем на поверхности Солнца!
Данная проблема усугубляется токами утечки. Как известно, плюсом КМОП-технологии является то, что токи возникают только во время переключения. Соответственно энергопотребление оказывается малым. Борьба с токами утечки является одной из основных задач разработчиков. За 30 лет толщина слоя диэлетрика уменьшилась с 1000 ангстрем до 12 ангстрем (для 90-нанометровой технологии), что соответствует толщине слоя всего в четыре атома. В лабораторных же условиях Intel показала возможность работы со слоем двуокиси кремния толщиной 0,8 нм. Чтобы закон Мура о числе транзисторов в микросхеме продолжил действовать, в Intel предлагают два возможных пути борьбы с токами утечки — трехзатворные транзисторы и новые материалы для изолятора — с большой диэлектрической проницаемостью (high-K). Эти технологии могут «пойти в производство» уже в 2007 году, когда ожидается переход к использованию технологии 45 нм. Скоро могут начать сказываться и квантовые эффекты, о чем разработчики пока умалчивают.
Во-вторых, проблемой конструкторов современных микропроцессоров являются фундаментальные физические ограничения на скорость распространения сигнала. С уменьшением типоразмера транзисторов в микросхемах возрастают задержки из-за сопротивления и емкостного сопротивления (RC-задержки). По данным Intel, для технологии 65 нм и ниже RC-задержка распространения сигнала на 1 мм оказывается больше величины такта. Для микропроцессоров Intel, имеющих линейный размер 10-12 мм, задержка при прохождении сигнала от одного края кристалла до другого составит 15 тактов. Ясно, что «так просто» увеличивать тактовую частоту нельзя.
Собственно, это приводит к необходимости располагать блоки микропроцессора, передача данных между которыми критична по времени, близко друг к другу. Создатели микропроцессоров Alpha (они когда-то были лидерами в гонке тактовых частот) предложили в свое время идею «кластеров», в которых дублировались некоторые блоки микропроцессоров. Зато расстояния в кластерах были меньше, чем во всем кристалле, и задержки из-за длины проводников уменьшались. В современных условиях этот подход развился до идеи дублировать в рамках одной микросхемы процессоры уже целиком — так называемые многоядерные процессоры.
Две другие проблемы, препятствующие экспоненциальному повышению производительности со временем, связаны с неэффективностью самого наращивания тактовой частоты. Прежде всего, в суперскалярных микропроцессорах на последовательных скалярных кодах с ростом частоты уменьшается число команд, одновременно выполняющихся за такт. Кроме того, нарастает проблема задержек в иерархии памяти.
Если в Intel 80486 для обращения в оперативную память требовалось 6-8 тактов, то ныне — уже 224 такта. Таким образом, производительность памяти все больше отстает от производительности микропроцессоров. Итак, дальнейший рост производительности за счет тактовой частоты весьма ограничен.
Вывод, сформулированный в «Платформе-2015», гласит: для требуемого (более чем на порядок) роста производительности понадобится смена архитектурной парадигмы. И хотя сегодня микропроцессоры Intel не всегда являются абсолютными лидерами производительности (скажем, на тестах SPECfp2000 впереди IBM Power5, а на SPECint2000 — AMD Opteron), а тактовые частоты процессоров-конкурентов ниже, этот вывод Intel, очевидно, относится ко всем разработчикам универсальных высокопроизводительных микропроцессоров.
Откуда современные компьютеры черпают архитектурные идеи? Ясное дело — из мэйнфреймов и мини-компьютеров, а также из векторных суперЭВМ. Сегодня, по мнению Intel, настала пора вновь обратиться к анализу других архитектур. Требуемый терафлопсный уровень производительности уже превзойден в наиболее мощных вычислительных системах, в частности в кластерах (см. известный список TOP 500).
Однако стоимость этих систем сегодня доступна немногим, в частности правительственным организациям и некоторым финансируемым из бюджета университетам. Intel хочет сделать этот уровень производительности доступным в массовых компьютерах. Для этого фирма планирует использовать параллелизм на многих уровнях (эта идея также пришла из мира высокопроизводительных вычислений) и, в частности, перейти к многоядерным процессорным устройствам (MPU). В Internet уже появилась шутка, что закон Мура будет теперь формулироваться как удвоение числа ядер каждые два года.
«Платформа-2015» включает в себя еще ряд интересных особенностей, например виртуализацию (эта идея известна очень давно — еще по системе виртуальных машин мэйнфреймов IBM, а в наши дни она пришла даже в ПК). Представляется, что Intel в последние несколько лет выступает в качестве своеобразного локомотива, сама предлагая рынку новые области компьютерных приложений, которые тот, с определенной задержкой, пытается освоить. Похоже, «Платформа-2015» отражает продолжение этой тенденции. Лозунг «параллелизм — в массы», который фактически выдвигает корпорация, нельзя не считать революционным. Но если Intel его успешно воплотит, честь ей и хвала.
Факторы ускорения
Производительность микропроцессоров до сих пор возрастала в основном за счет частоты. Надежды на продолжение этой закономерности не оправдываются
Ключевые характеристики компьютерной платформы ближайшего десятилетия
Многоядерность, самая революционная инновация в «Платформе-2015», является лишь одной из шести ключевых характеристик компьютерной платформы будущего, на которые указывает Intel. Перечислим их.
- Общая высокая производительность.
- Развитые средства управления электропитанием (активное управление, энергосберегающие технологии).
- Надежность, безопасность и управляемость, которые будут реализовываться аппаратно, в том числе непосредственно в процессорах. Значение этих характеристик усиливается из-за роста числа критически важных приложений — поддержание функционирования жилища (дома), финансовые транзакции, мониторинг в медицинских целях и т. д. Проблемы обеспечения (компьютерной) безопасности нарастают, в частности, из-за возникновения и новых типов атак, и новых потенциальных объектов для атаки (новые мобильные устройства, беспроводные сети и сети датчиков). Intel приводит данные, свидетельствующие, что примерно половина мирового ИТ-бюджета в 1,1 трлн. долл. в 2005 году уйдет на поддержание управляемости, в том числе на дорогостоящее вмешательство человека в ИТ-процессы.
- Стабильность и поддержка экосистемы. Для нового, «суперкомпьютерного» уровня производительности, новых рабочих нагрузок и приложений необходима стабильность, поддержка уже существующей базы приложений и экосистемы разработки программного обеспечения.
- Ориентированность на экономику массового рынка — т. е. доступность указанной выше функциональности при уровне стоимости, характерном для массового рынка, для миллиардов потребителей.
- Адаптивность (при изменении рабочей нагрузки) и высокая производительность на специализированных приложениях (мультимедийная обработка, новые пользовательские интерфейсы, в частности распознавание речи, обработка телекоммуникационных протоколов, например, для пакетных сетей, XML и др.).