Computerworld, США

По-видимому, в ближайшем будущем удвоение числа ядер каждые два года для массовых серверов будет по-прежнему давать значительное увеличение производительности

Несмотря на то что сейчас уже можно делать осторожные заявления о коммерческом успехе четырехъядерных серверов, эволюция многоядерных серверов только начинается. К концу десятилетия, как считает аналитик Insight 64 Натан Бруквуд, серверы в архитектуре x86 будут иметь по восемь, а то и по 16 ядер на одном процессоре. Увеличение количества ядер — самый быстрый способ наращивания производительности.

Совершенствование технологии памяти может добавить к производительности системы 5-10%, а за счет модернизации процессорной архитектуры этот показатель можно увеличить еще на 10%. Но двукратное увеличение числа ядер процессора может сразу привести к росту производительности на 50%, а то и больше.

«Сравните уровень роста производительности при переходе на четырехъядерные процессоры с тем, что смогла обеспечить Intel при смене Pentium 3 на Pentium 4», — сказал Бруквуд. Даже несмотря на то, что Pentium 4 имел совершенно новую микроархитектуру, это позволило увеличить производительность всего лишь на 20%. С другой стороны, первый четырехъядерный процессор Intel Xeon обещает рост производительности не меньше чем на 40%.

По-видимому, в ближайшем будущем удвоение числа ядер каждые два года для массовых серверов будет по-прежнему давать значительное увеличение производительности. Восьмиядерная архитектура в 2009 году, 16 ядер в 2011-м и 32 ядра в 2013-м — вот этапы развития процессоров.

Бруквуд, со своей стороны, считает, что многоядерная эра только начинается. «На этом пути не видно никаких препятствий», — заметил он.

Однако неизвестно, по какому именно пути будет двигаться отрасль. Intel и AMD избрали разные подходы к созданию своих четырехъядерных архитектур. Некоторые аналитики тем не менее полагают, что в конечном итоге AMD может предпочесть подход, в большей степени похожий на тот, что выбрала Intel, чтобы догнать и обогнать своего конкурента в многоядерной гонке.

История появления многоядерных процессоров

Рынок микропроцессоров обратился к четырехъядерным архитектурам за решением ряда фундаментальных проблем. Полупроводниковая технология продолжает развиваться по пути, определенному еще в 1965 году одним из основателей корпорации Intel Гордоном Муром. Закон Мура гласит, что число транзисторов на процессоре удваивается каждые полтора года. При этом количество выделяемого тепла уже сейчас стало таково, что стала очевидной необходимость искать новые подходы к увеличению производительности.

Рост числа транзисторов, предписанный законом Мура, происходит параллельно с увеличением плотности компоновки. Сейчас ведущие производители выпускают микросхемы с нормой проектирования 90 нм или даже 65 нм, и уже в этом году некоторые из них планируют перейти на норму проектирования 45 нм.

Несколько лет назад стало понятно, что при сохранении существующей микропроцессорной архитектуры их развитие заходит в тупик, и дальше наращивать тактовую частоту процессоров, при этом сохраняя объем выделения тепла на контролируемом уровне, становится практически невозможно. К примеру, согласно оценке Digital Power Group, сейчас компьютеры потребляют около 10% всей электроэнергии, производимой в США, а к 2015 году этот показатель удвоится. Предполагается на законодательном уровне заставить компании и поставщиков технологии сократить уровень энергопотребления.

За счет перехода на многоядерные архитектуры оказывается возможным сократить или сохранить на прежнем уровне тактовую частоту и в то же время сдерживать увеличение выделяемого ими тепла. Общую производительность можно существенно поднять за счет удвоения числа процессорных модулей на одной и той же микросхеме, при этом поддерживая стабильный уровень энергопотребления.

«Это позволяет добиваться поразительно высоких уровней производительности, — заметил Дэвид Тьюхи, генеральный менеджер подразделения Intel Business Client Group. — Четырехъядерный процессор обеспечивает в полтора раза большую производительность, чем наши лучшие двухъядерные процессоры, и в четыре с половиной раза большую, чем у самого первого одноядерного Xeon. И при этом уровень энергопотребления не увеличивается».

Что дальше?

Такое впечатление, что в ближайшем будущем число ядер можно будет увеличивать без ограничений. Недавно Intel объявила о создании в исследовательских целях процессора с 80 ядрами, который, как предполагается, будет выделять меньше энергии, чем существующая четырехъядерная архитектура. Скорее всего, коммерческая версия такого процессора появится лет через пять-восемь, но другие производители уже предлагают процессоры с «массовым параллелизмом».

В конце 2005 года компания Sun Microsystems представила свой первый многоядерный процессор архитектуры SPARC, получивший название Niagara. Этот процессор имеет восемь ядер, и каждое ядро содержит четыре независимые цепочки, в силу чего один процессор содержит 32 вычислительных элемента. К середине года Sun планирует представить Niagara 2, в котором также будет восемь ядер, но с восемью цепочками на ядро, то есть в общей сложности процессор будет иметь 64 вычислительных элемента. Sun также планирует в середине 2008 года предложить процессор Rock, еще один процессор на базе архитектуры SPARC, но с 16 ядрами.

Среди производителей «мегаядерных» процессоров стоит отметить компанию Azul Systems, которая с 2005 года выпускает серверы со своим 24-ядерным процессором Vega. В декабре Azul представила новые серверы, оснащаемые процессором последнего поколения Vega 2, содержащим 48 ядер.

Первые пользователи многоядерных процессоров

Компания CitiStreet, предоставляющая услуги аутсорсинга, одной из первых приобрела серверы Azul Compute Appliance с процессорами Vega 2. Сейчас в CitiStreet используется семь серверов, каждый из которых имеет два 48-ядерных процессора, для решения самых разных задач.

Барри Страсник, ИТ-директор CitiStreet, подчеркнул, что эти серверы позволяют компании оперативно масштабировать инфраструктуру, с тем чтобы удовлетворять быстро растущие требования и в то же время вдвое увеличить производительность по сравнению с использовавшимися ранее серверами, оснащенными двухъядерными процессорами Xeon.

«Необходимость удовлетворять растущие потребности в ресурсах и делать это с минимальными затратами требует масштабируемости и производительности, которые не могут обеспечить одни только традиционные серверы», — пояснил Страсник.

Компания Concentric Systems, предоставляющая хостинговые сервисы электронной почты и Web, в конце прошлого года перешла с серверов со старыми одноядерными процессорами SPARC на серверы с процессором Niagara.

«Мы всегда искали способы выполнять больший объем работ на меньшем количестве компьютеров, что, конечно, позволяет снизить объем энергопотребления», — отметила президент компании Барбара Бранамен.

Джефф Шортер, менеджер по вопросам ИТ-инфраструктуры газеты Charlotte Observer, рассчитывает на значительное увеличение степени виртуализации, когда в редакции начнут устанавливать серверы с четырехъядерными процессорами.

Charlotte Observer уже начала переносить некоторые из важных приложений в виртуализованную среду на серверы с двухъядерными процессорами Xeon, где Шортер может использовать от 7 до 12 виртуальных серверов на процессор. Он уверен, что в системах с четырехъядерными процессорами можно будет создавать 15-30 виртуальных серверов на процессор.

Пропускная способность, программы и другие вопросы

Сам по себе переход на многоядерные системы не гарантирует повышения эффективности. ИТ-Менеджеры должны заранее оценить, достаточна ли пропускная способность сети для того, чтобы выдержать нагрузку, которая возникнет при работе дополнительных процессорных ядер. Кроме того, они должны убедиться, что их приложения оптимизированы для работы в многоядерных средах.

«ИТ-менеджера не уволят за то, что счета за электроэнергию слишком велики, — заметил Рейнолдс. — Но ему не поздоровится, если он окажется не в состоянии адекватно удовлетворить запросы на вычислительные ресурсы своей организации».

Предприятиям также необходимо тщательно оценить, как переход на многоядерные процессоры скажется на условиях лицензирования программного обеспечения. Microsoft уже пообещала, что она по-прежнему будет рассчитывать стоимость своих лицензий исходя из числа сокетов, а не процессорных ядер. Несмотря на это, до сих пор не ясно, как именно переход на многоядерные процессоры отразится на стоимости программного обеспечения в целом.

«Пользователи должны быть уверены в том, что переход с двухъядерных на четырехъядерные системы не приведет к значительному увеличению платы за лицензии», — отметил Рейнолдс.

В ответ производители процессоров утверждают, что изменения условий лицензирования не создадут серьезной проблемы.

«Пик пришелся на переход с одного на два ядра, но теперь мы имеем четкое представление о большинстве стратегий лицензирования, используемых на рынке», — подчеркнула Пет Патла, директор по маркетингу AMD Opteron.

Стори Вог, старший менеджер группы серверных продуктов компании Dell, заявил, что компания тесно сотрудничает с ведущими производителями программного обеспечения, с тем чтобы поддержать стратегию лицензирования в расчете на сокет, а не на ядро. По ее словам, до 90% производителей программного обеспечения примут модель лицензирования в расчете на сокет.

Еще один вопрос связан с тем, насколько эффективно программное обеспечение будет работать на многоядерных процессорах, если оно было создано в расчете на предыдущее поколение аппаратного обеспечения. Производители процессоров утверждают, что большая часть оптимизации приложений для многоядерных сред уже проведена. Это было сделано при переходе с одноядерных на двухъядерные системы.

Бруквуд согласен с тем, что «самое сложное» для перевода программного обеспечения в многоядерные среды было сделано при переходе на двухъядерные среды, но он отметил, что потребуется общая настройка для того, чтобы добиться оптимальной производительности на новых процессорах.

«Все будет зависеть от конкретного программного пакета», — считает Бруквуд. Виртуализация — это еще один пример работы, которую ведут независимые производители программного обеспечения и процессоров. В прошлом году AMD и Intel выпустили свои двухъядерные процессоры x86, в которых функции виртуализации поддерживаются на аппаратном уровне. Такие компании, как VMware и Microsoft, по-прежнему работают над оптимизацией своего программного обеспечения виртуализации, с тем чтобы оно могло максимально эффективно использовать возможности новейших процессоров.

Маркус Леви, руководитель ассоциации Multicore Association, считает, что увеличение числа приложений потребует более настойчивых усилий по оптимизации. Другими словами, будет явно недостаточно того, чтобы это программное обеспечение просто работало на процессорах нового поколения со все большим количеством ядер.

«Даже когда Intel перейдет на 16 ядер, потребуются дополнительные технологии ускорения, — считает Леви. — По мере увеличения числа ядер мы столкнемся к тем, что весь потенциал процессоров общего назначения будет использоваться при решении только некоторых задач, а потребность в специализированной технологии ускорения будет расти». 

Разнообразие многоядерных процессоров

Существующие и планируемые к выпуску многоядерные решения

  • Intel в конце 2006 года представила свои первые четырехъядерные процессоры Xeon. Согласно планам, компания намерена к середине года продать свыше миллиона этих моделей. При их производстве два двухъядерных процессора Intel монтируются на одну микросхему.
  • AMD обещает представить свой первый четырехъядерный процессор Opteron к середине года. Эти модели будут иметь оригинальную архитектуру, предусматривающую установку на одной микросхеме четырех независимых ядер.
  • IBM предлагает четырехъядерные процессоры Power с 2005 года. Как и в случае с процессорами Intel, при производстве моделей IBM используется многомикросхемный модуль.
  • Sun Microsystems представила модель Niagara на базе Sparc в конце 2005 года. Этот процессор имеет восемь ядер, каждое из которых поддерживает четыре независимые цепочки. К середине года Sun планирует выпустить Niagara 2, имеющий восемь ядер с восемью цепочками на каждом. Кроме того, корпорация разрабатывает 16-ядерный процессор Rock на базе Sparc, выпуск которого намечен на середину 2008 года.
  • Azul Systems представила свой процессор Vega с 24 ядрами в 2005 году. В декабре прошлого года Azul анонсировала модель Vega 2 с 48 ядрами.