Cell

Ядро процессора Cell

Cell — микропроцессорная архитектура, совместно разработанная Sony, Toshiba и IBM, которые организовали альянс, известный как «STI». Разработка архитектуры и первые прототипы были созданы в STI Design Center за четырёхлетний период с начала марта 2001 года с бюджетом, который, по заявлению IBM, составляет приблизительно 400 миллионов долларов США^[1]. Полное название архитектуры: Cell Broadband Engine Architecture, также сокращаемое как CBEA, или, в некоторых случаях, Cell BE. Cell совмещает ядро общего назначения архитектуры POWER с сопроцессорами^[2], которые значительно ускоряют обработку мультимедиа и векторных вычислений.

Первое коммерческое применение процессора Cell — в игровой консоли Sony PlayStation 3. Toshiba использует Cell в своих домашних HDTV-кинотеатрах. Экзотические возможности (память XDR и шина EIB^[3]) позиционируют Cell для будущих приложений в супер вычислительном пространстве, которые могут использовать всю мощь процессора в вычислениях с плавающей запятой. IBM объявила о планах использования процессоров Cell как дополнительных карт в мейнфреймах IBM System z9, для возможности использования этих машин в качестве серверов для MMORPG.

Архитектура Cell использует новую технологию когерентности памяти, на которую IBM зарегистрировала большое количество патентов. Эта технология ставит акцент на высокую производительность в пересчёте на один ватт потребляемой мощности. Пропускная способность памяти приоритетна по сравнению с латентностью, а пиковая пропускная способность ядра важнее простоты кода. Из-за этого Cell считается сложной платформой для разработки приложений. IBM предоставляет комплексную платформу разработчика, основанную на Linux, для помощи разработчикам в преодолении этих проблем^[4]. Основной проблемой остаётся адаптация существующего программного обеспечения под архитектуру Cell. Несмотря на все сложности, исследования показали, что Cell даёт преимущество в некоторых типах научных вычислений^[5].

В ноябре 2006 года Дейвид Бейдер из Технического университета Джорджии был избран директором экспертного центра процессоров Cell STI. Этот центр предназначен для создания сообщества Cell-программистов и расширения поддержки Cell со стороны индустрии.

История

В 2000 году Sony Computer Entertainment, Toshiba Corporation и IBM объединились для разработки и производства процессора Cell. Это объединение стало известно как STI. Центр разработки STI открылся в марте 2001 года^[6]. Разработка длилась четыре года, в ней принимали участие более 400 инженеров из трёх компаний при поддержке 11 центров разработки IBM.

За время разработки IBM зарегистрировала большое количество различных патентов, относящихся к архитектуре, процессу изготовления и программирования Cell. Ранняя версия патента включала в себя описание разрабатываемого процессора, состоящего из четырёх «вычислительных элементов», состоящих, в свою очередь, из восьми блоков арифметической обработки каждый.

В окончательной версии процессор называется Cell Broadband Engine (Cell BE), содержит 1 блок «POWERtm Processing Element» (PPE) и 8 блоков «Synergistic Processing Element» (SPE). PPE имеет RISC архитектуру POWERtm и предназначен для работы операционной системы, а также координации работы SPE. Последние являются векторными процессорами архитектуры SIMD. На частоте 3.2 ГГц каждый SPE имеет теоретическую производительность 25.6 GFlops, а 8 SPE позволяют достигать 200 GFlops ^[7]. Несмотря на то что номинальная частота процессора 4 ГГц, корректная его работа возможна на частотах вплоть до 5,6 ГГц.

Изначально для производства процессора использовалась 90нм технология КНИ(SOI), но в марте 2007 года IBM объявила о запуске производства Cell по 65нм технологии на своём заводе в Восточном Фишкилле, штат Нью-Йорк, США. И в феврале 2008 IBM заявила, что будет производить Cell по технологии 45 нанометров.

Следующее развитие процессора — поколение PowerXCell 32iv, выпуск которого был запланирован на 2010 год. Количество PPE-элементов в нём увеличено в 2 раза, а SPE — в 4, производиться он будет по техпроцессу 45 нм SOI (кремний на изоляторе).
Однако в ноябре 2009 года, официальные представители IBM заявили, что разработка нового поколения процессоров Cell с 32 SPE-элементами, прекращена. Но это не означает, что развитие других, будущих, продуктов семейства Cell, остановлено.
Вместе с этим, официально Sony заявила, что «Playstation 4 не появится до 2016—2018 года», однако сообщения, просочившиеся из штаб-квартиры в Японии, говорят об обратном. Генеральный директор корпорации Говард Стрингер, заявил, что Sony будет направлять больше финансирования игровому подразделению, несмотря на всемирную кризисную ситуацию.

Коммерческое использование

В мае 2005 года было заявлено об использовании Cell в игровых приставках Sony Playstation 3. Рабочая частота была снижена до 3,2 ГГц, а количество доступных SPE ядер — до 6 (одно ядро зарезервировано для нужд ОС, и ещё одно заблокировано для повышения выхода рабочих процессоров, и таким образом удалось существенно снизить цену). Эти процессоры производились по 90 нм технологии^[8].

Осенью 2006 года компания IBM выпустила блэйд-сервер QS20, оборудованный двумя процессорами Cell BE. Модули QS22, оборудованные двумя процессорами PowerXCell 8i (модифицированная версия Cell BE с аппаратной поддержкой вычислений двойной точности), используются в суперкомпьютере IBM Roadrunner.

На базе процессора Cell был разработан упрощённый процессор SpursEngine фирмы Toshiba для выполнения мультимедийных задач, таких, как кодирование видеопотока AVCHD.

Характеристики

• Теоретическая производительность 218 GFlops
• 90 нм технологический процесс (первая ревизия)
• 234 млн. транзисторов
• 221 мм²
• частота 3,2—5,6 ГГц
• Напряжение 0,9—1,3 В
• Тепловыделение:
  • 80 Вт (4 ГГц, 1,1 В)
  • 180 Вт (5,3 ГГц, 1,3 В)
• Корпус BGA 42,5×42,5 мм
• 1236 контактов
• Межпроцессорная шина Flex I/O 32 ГБ/с на ввод, 44,8 ГБ/с на вывод.
• интегрированный двухканальный контроллер памяти XDR RAM 25 ГБ/с.

В настоящее время выпускается процессор третьей ревизии — изготовление идёт по 45 нм техпроцессу. PPE состоит из двух процессорных ядер, поддерживает набор команд AltiVec, кеш-память 1-го уровня 64 КБ, кеш-память 2-го уровня 512 КБ, 11-стадийный конвейер. SPE 21 млн транзисторов, 256 КБ локальной памяти, контроллер DMA.

См. также

• SpursEngine

Примечания

1. ↑ [Cell Designer talks about PS3 and IBM Cell Processors. Проверено 22 марта 2007.
2. ↑ Synergistic Processing in Cell's Multicore Architecture. IEEE. Архивировано из первоисточника 25 июня 2012. Проверено 22 марта 2007.
3. ↑ Cell Broadband Engine Interconnect and Memory Interface. IBM.(недоступная ссылка — история) Проверено 22 марта 2007.
4. ↑ Cell Broadband Engine Software Development Kit Version 1.0, LWN (2005-11-10). Проверено 22 марта 2007.
5. ↑ The Potential of the Cell Processor for Scientific Computing. Computational Research Division, Lawrence Berkeley National Laboratory.(недоступная ссылка — история) Проверено 18 марта 2007.
6. ↑ Introduction to the Cell multiprocessor, IBM Journal of Research and Development (2005-08-07). Проверено 22 марта 2007.
7. ↑ Cell Broadband Engine Architecture and its first implementation.
8. ↑ IBM shrinks Cell to 45nm. Cheaper PS3s will follow