چشمانداز پيشرفت پردازندهها - نگاهي به تحولات سختافزاري درحوزه پردازندههاي مركزي
اشاره : پيشرفتهاي سختافزاري در حوزه پردازندههاي مركزي و گرافيكي، بيش از حوزههاي ديگر مشهود است. استفاده از شيوههاي متنوعتر و پيچيدهتر براي بهبود كارايي پردازندهها، باعث افزايش سرعت تحولات در اين حوزه نيز شده است. در اين نوشتار برخي از وقايع مهم و احتمالاتي كه ممكن است شكل كنوني پيشرفت پردازندهها را دگرگون كنند، به اختصار مورد بررسي قرار گرفتهاند. آينده در گذشته همه كساني كه درنخستين ساعات چهارشنبه 24 اسفند 1384 به پايگاه وب electronicsweekly.com مراجعه كرده بودند، با جملات عجيبي در يكي از گزارشهاي اين سايت مواجه ميشدند.
محتواي خبر به تمايل شركت AMD به استفاده از پردازندههاي كمكيِ شركتي به نام ClearSpeed مربوط بود. بنابراين گزارش، ClearSpead كه به طراحي و توليد پردازندههاي موازي اشتراكي ميپردازد، درحال مذاكره با AMD است تا به ساخت پردازندههاي كمكي ويژه پردازندههاي خانواده X86 شركت AMD رو آورد.
اما طبق اين گزارش، درپشت پرده اين مذاكرات نگرانيهاي AMD درمورد كارايي پردازندههاي دو (و چند) هستهاي اين شركت نمايان شده است.
دليل عمده اين نگرانيها، كارايي حيرتانگيز پردازنده ساخت IBM، توشيبا و سوني، يعني Cell است! نكته جالب و درعين حال عجيب اين گزارش، ديدگاه يكي از مديران AMD درباره Cell بود، مبني بر اينكه: چه اتفاقي افتاده است؟ آيا AMD درخواب غفلت به سر ميبرد؟ و مهمتر اينكه، چه ويژگي خاصي در Cell، پردازندهاي كه در وهله نخست براي كنسولهاي بازي طراحي شده است، باعث چنين ابراز نظر نادري از سوي يكي از مردان AMD شده است؟ ساعاتي بعد اگر دوباره به همان پايگاه وب مراجعه ميكرديد و به دنبال گزارشي كه به آن اشاره شد ميگشتيد، اثري از آن نمييافتيد. در پايان روز اين گزارش دوباره روي سايت قرار گرفته بود.
اما اينبار ضمن تلطيف لحن آن، نقل قول مدير AMD نيز حذف شده بود. ظرفيتهاي Coherent HT استفاده از پردازندههاي كمكي (Coprocessor) از سالها قبل درحوزه ايستگاههاي كاري و سرورها مورد توجه و گاه مورد استفاده قرار ميگرفت. اين پردازندهها كه معمولاً روي يك بورد مجزا تعبيه ميشوند و سپس از طريق يكي از گذرگاههاي ارتباطي مانند PCI به سيستم الحاق ميشوند، غالباً از سوي صنايع بزرگ (نفتي، گازي، هواپيماسازي و ...) مورد استفاده قرار ميگيرند. پردازندههاي كمكي سرعت سيستم را در پردازشهايي خاص (مثلاً در محاسبات مميز شناور) افزايش ميدهد.
به عنوان نمونه، پردازنده كمكي CSX600 شركت ClearSpeed كه در اواسط سال 2005 ميلادي معرفي شده است، 94 هسته پردازش با فركانس 250 مگاهرتز دارد كه هريك شش كيلوبايت حافظه محلي دارند و از 128 كيلوبايت حافظه موقت اشتراكي استفاده ميكنند. اين پردازنده ميتواند سرعت پردازشهاي رياضي خاصي را افزايش دهد و با اينكه توان محاسباتي اين پردازنده 25 گيگاهرتز است، فقط ده وات برق مصرف ميكند.
درعين حال مشكل عمده اغلب پردازندههاي كمكي آن است كه بخش عمدهاي از ظرفيتهاي آنها به واسطه تأخيرهاي ناشي از جابهجايي اطلاعات ميان تخته مدارها هدر ميرود و استفاده از آنها را محدود ميكند.
اما يكي از مهمترين رويدادهايي كه ميتواند اين وضعيت را به كلي دگرگون كند، اقدامات اخير شركت AMD به عنوان دومين سازنده بزرگ پردازندههاي مركزي خانواده X86 است. AMD اخيراً اعلام كرده است كه استفاده از استانداردHyperTransport يا اختصارا HT، ميتواند پيشرفتهاي مهمي را در زمينه استفاده از پردازندههاي كمكي به وجود بياورد. بهطور دقيقتر، استفاده از گذرگاه Coherent HT امكان تعبيه پردازندههاي كمكي روي سوكت پردازنده را فراهم ميكند.
CHT نوع خاصي از HT است كه AMD از آن براي مرتبط ساختن پردازندههاي اپترون به يكديگر در سيستمهاي SMP استفاده ميكند. اين گذرگاه به پردازندههاي اپترون اجازه ميدهد بهطور مستقيم و بدون نياز به پل شمالي با يكديگر در ارتباط باشند.
به اين ترتيب تصميم اخير AMD مبني بر ارائه مجوز اين فناوري براي تراشهسازان ديگر، امكان تعبيه پردازندههاي كمكي روي سوكت مادربورد را فراهم ميكند و بسياري از مشكلات استفاده از آنها با شيوههاي قديميتر را برطرف ميسازد. شايعه بزرگ اوايل ماه مه، گزارش كوتاه و بحثانگيزي در پايگاه وب بعضي نشريات منتشر شد كه واكنشهاي متفاوتي را نيز درپي داشت. اين گزارش از احتمال خريداري شدن شركت Ati به وسيله AMD (يا پيوستن اين دو به هم) خبر داده بود.
(1) اين موضوع بهويژه با توجه به اقدامات اخير AMD كه نشان ميداد اين شركت ظرف چند سال آينده ظرفيت توليد تراشههاي خود را به ميزان قابلتوجهي افزايش خواهد داد، امري محتمل و شدني قلمداد شده بود.
صرفنظر از اينكه اين موضوع شايعهاي بيش نبوده يا اينكه در آينده به وقوع خواهد پيوست، موضوع خريداري شدن شركتهاي توليدكننده پردازندههاي گرافيكي (GPU) از مدتها قبل وجود داشته است؛ زماني يكي از مديران اينتل گفته بود كه درآينده همه اجزاي پردازشي يك سيستم روي يك تراشه و به صورت مجتمع طراحي و توليد خواهد شد.
از اين منظر طراحي چيپهاي گرافيكي مجتمع و تجهيزات شبكه و عرضه آنها در قالب عناويني چون سنترينو و ... را ميتوان گامي در اين مسير دانست. تراشههاي گرافيكي مجتمع اينتل اگرچه تاكنون در مقايسه با GPUهاي رده بالاي Ati يا Nvidia حرف چنداني براي گفتن نداشتهاند، عرضه آنها همراه با اجزايي چون پردازنده مركزي، چيپست و ... در قالب يك <پلتفرم>، اينتل را به بزرگترين سازنده تراشتههاي گرافيكي تبديل كرده است. اين موضوع معمولاً به واسطه ذهنيتي كه از چيپزيلا، به عنوان توليدكننده شماره يك پردازندههاي مركزي وجود دارد، كمتر مورد توجه قرار ميگيرد.
با اين حال، سير تحولات صنعت سختافزار و جهت حركت آن به سمت توليد سيستمهايي با هزينه توليد، مصرف برق و اتلاف حرارتي كمتر (هم در حوزه پيسيها و هم در حوزه سرورها) و در عين حال كارآمدتر، ضرورت چنين اقداماتي از سوي اينتل ياAMD را بيش از پيش نمايان ميسازد.
با اين حساب روي آوردن احتمالي AMD به گسترش ساخت تراشههاي متنوع يا مجتمع، چه با خريدن ATi چه با هر روش ديگري، كاملاً منطقي به نظر ميرسد. يك احتمال از سوي ديگر استراتژي AMD براي توسعه Hypertrasport با كمك تشكيل كنسرسيومي كه به توسعه اين استاندارد مشغول است، باب احتمالات ديگري را خواهد گشود. بهطور روشنتر، يك احتمال جالب، استفاده از Coherent HT براي تعبيه مستقيم GPU روي سوكت پردازنده مركزي است. اعطاي مجوز استفاده از CHT چنين كاري را امكانپذير ميسازد. به همين ترتيب، GPU پس از تعبيه روي سوكت پردازنده مركزي ميتواند بهطور اشتراكي از رم اصلي سيستم استفاده كند.
گرچه GPUهاي مدرن امروزي از مزاياي رمهاي جديدتري مانند DDR3 استفاده ميكنند، درمقابل، امكان استفاده از حجم بيشتري از رم كه ميتوان به آن به عنوان قابليت ارتقاي توان پردازش گرافيكي نيز نگريست، ميتواند اين مسئله را كمرنگ يا مرتفع سازد. بهعلاوه، استفاده اشتراكي از حافظه بدون نياز به تعبيه حافظه اختصاصي براي GPU (يا حداقل استفاده كمتر از چنين حافظهاي) و دركنار عدم نياز به طراحي و توليد تخته مدار جداگانه و همچنين امكان كنترل مؤثرتر برق مصرفي، درنهايت ميتواند در كاهش هزينه تمامشده و توليد سيستمهايي كم حجمتر و كارآمدتر تأثيرگذار باشد. آينده بعيد! تحولات شگرفي درحوزه پردازندهها در شرف وقوع است. روند افزايش كارايي پردازندههاي مركزي با توليد پردازندههاي دو و چندهستهاي، وارد دوران جديدي شده است، اما اين تمام ماجرا نيست. استفاده از تراشههاي گرافيكي مجتمع، در واقع مقدمهاي براي گسترش قابليتهاي پردازندههاي مركزي و حركت به سوي توليد <كامپيوترهايي روي يك تراشه> است. همين امر ميتواند احتمال استفاده از هستههاي غيريكسان براي توليد پردازندههايي با قابليتهاي مختلف را تقويت كند؛ پردازندههايي كه داراي هستههايي اختصاصي براي پردازشهاي گرافيكي، صوتي و ... هستند.
(2) در اين ميان استفاده از سوكت پردازنده مركزي براي تعبيه GPU يا هر واحد پردازش اختصاصي ديگري نيز احتمالي است كه ميتوان وقوع آن را گامي درمسير استفاده از هستههاي غيريكسان در يك تراشه ناميد. اكنون شايد بهتر بتوان پردازنده Cell و مفهومي كه در وراي طراحي آن نهفته است را بهتر شناخت. شايد هم آن مدير ركگوي AMD حق مطلب را با همان جمله حذف شده ادا كرده باشد: پي نوشت:
1- در آخرين لحظات تنظيم اين مطلب خريداريشدن شركت ATi توسط AMD قطعي شد.
2- البته نبايد فراموش كرد كه يكي از مهمترين معضلات طراحي پردازندههايي كه داراي هستههاي غيريكسان هستند، دشواري توسعه نرمافزار براي اين پردازندهها به منظور استفاده از حداكثر توان آن است. تا همين جاي كار روند توسعه نرمافزارهاي بهينه شده براي پردازندههاي دو هستهاي با گسترش اين پردازندهها همگام نبوده است. با اين وضع دور از انتظار نخواهد بود كه عرضه پردازندههايي با هستههاي غيريكسان اين وضعيت را بغرنجتر نيز نمايد. كمااينكه، در حال حاضر گفته ميشود برخي از توسعهدهندگان بازيهاي كنسول پلياستيشن3 به واسطه پيچيدگي و غيرمعمول بودن پردازنده Cell فقط ميتوانند از بخشي از تواناييهاي آن استفاده كنند (حداقل در اولين موج توسعه بازيها براي اين كنسول جديد). البته اين موضوع احتمالاً در دنياي كامپيوترها تفاوتهايي خواهد داشت. در واقع آشنايي توسعهدهندگان نرمافزار با معماري X86 و شيوههاي بهرهگيري از منابع GPU ميتواند باعث كاهش دردسرهاي نرمافزاري بر سر راه توسعه پردازندههاي پيچيده آينده گردد.
پرهام ايزدپناه
ماهنامه شبکه - مرداد ۱۳۸۵ شماره 67