Достигнув два года назад тактовой частоты микропроцессоров 3,5 ГГц, ведущие производители отступили. Возможности дальнейшего выведения производительности за пределы технологических норм уровня 0,18 мкм оказались исчерпанными, но дело — не только в этом. При увеличении плотности размещения транзисторов повышается логическая сложность процессоров, а дальнейшее наращивание объемов кэш-памяти и числа запускаемых на выполнение команд не дают прироста производительности вычислительных систем, пропорционального затрачиваемым аппаратным ресурсам и энергии.
Еще десять лет назад проектировщикам казалось, что микропроцессорная индустрия может безболезненно развиваться, следуя по пути совершенствования архитектуры единственного ядра. Однако сроки разработки наиболее «продвинутых» моделей микропроцессоров уже сравнялись со сроками проектирования пассажирских самолетов, а ожидаемой отдачи нет как нет. Заявленные производителями пиковые характеристики процессоров практически недостижимы без низкоуровневого программирования. Большинство вычислительных задач выполняются на массовых микропроцессорах с эффективностью не более 10-20%.
Современные процессоры создаются в предположении, что ядро статично, а программа пишется специально под него. Но выяснилось, что границы между оборудованием и программным обеспечением весьма условны, и пришло время реконфигурируемых процессорных ядер, еще совсем недавно казавшихся фантастикой. Сегодня проще менять аппаратное обеспечение, а сложные программные системы лучше вообще не трогать.
Еще недавно расходы на энергию, необходимую для вычислительных систем, не учитывались, а процессоры стоили дорого. Сейчас, напротив, энергия обходится дорого, а транзисторы дешевы. Прежде говорили о том, что арифметические операции выполняются медленно, а доступ к памяти осуществляется быстро. Теперь же доступ к памяти становится одним из барьеров для роста производительности. И если раньше увеличение параллелизма обеспечивалось путем совершенствования компиляторов, то в современных условиях эту задачу передают аппаратному обеспечению. Дальнейшее усложнение внутренней архитектуры не приносит ожидаемого выигрыша в производительности, а наращивание тактовой частоты не оправданно экономически.
Все эти и ряд других факторов привели к пересмотру путей развития индустрии микропроцессоров. Они не укладываются в рамки традиционных представлений — для дальнейшего движения требуются новые архитектурные подходы.
Набирающее силу направление многоядерных процессоров влечет за собой необходимость реального распараллеливания прикладных задач, перемещая проблему достижения высокого быстродействия на более высокий уровень программирования. Так или иначе, перед разработчиками появилась вдохновляющая цель — максимально сблизить пиковую и реальную производительности микропроцессоров. Причем сделать это без традиционных доселе компромиссов, а за счет изменения паттерна поведения и обращения взора к новым архитектурам. Цель — задача, поставленная во временные рамки и в самом ближайшем будущем стоит ожидать новых интересных решений в области индустрии микропроцессоров.
Кому и зачем нужна высокая производительность микропроцессоров, если и существующие простаивают? Все дело — в грузе унаследованных приложений, которые надо выполнять быстрее, и дефиците эффективных алгоритмов — вроде тех, которые некогда позволяли колоссу СССР нивелировать отставание в области производительности оборудования. Последнее, впрочем, неудивительно, поскольку в нынешней ИТ-индустрии научно-исследовательской работой занимаются лишь единицы компаний.
Имеется и еще одна причина. В конечном счете, состояние ИТ-отрасли (в том числе микропроцессорной сферы) определяет национальную безопасность. Не зря американское правительство считает естественным прямое или косвенное финансирование крупнейших компьютерных фирм. Крохи с оборонного стола попадают и в меню гражданских коммерческих применений — в виде микропроцессоров с «прорывными» характеристиками. Например, в Niagara при 32 тредах производительность выросла на 300%, а в закрытых лабораториях ИТ-компаний уже имеются действующие образцы процессоров, работающих со 128 тредами. Грязные методы достижения лидерства (такие как опора на ядерное оружие или проведение «миротворческих» операций с людскими потерями) вызывают у избирателей все большее отторжение, и политики ищут иные пути. Потерю в боевых операциях сотни-другой роботов, созданных на базе новейших многоядерных микропроцессоров, никто и не заметит!
В этом номере журнала, посвященном перспективным микропроцессорным архитектурам, мы предоставили авторам возможность пофантазировать на тему возможных путей развития локомотивов ИТ-индустрии.
