Intel приблизил сказку к реальности: Intel Developer Forum Fall 2006, Сан-Франциско

Собственно, идея, лежащая в основе всей концепции, — это то, что можно создать контролируемую материю, используя специальные искусственные «атомы» — крошечные наноавтоматы, способные целенаправленно взаимодействовать друг с другом. «Клатомы» соответственно должны каким-то образом уметь произвольно прицепляться и отсоединяться, перемещать себя друг относительно друга и — что тоже немаловажно — обмениваться информацией о том, что им необходимо сделать. На IDF специалисты Карнеги-Меллона показывали с десяток разных опытных моделей «клатомов», выполненных в макроскопическом масштабе, на которых идет отработка первых идей, — правда, пока не для объема, а для плоскости. Модельки, оснащенные электромагнитами (которые служат и для соединения, и для перемещения клатомов), действительно ползали по столу и неким образом взаимодействовали — хотя, увы, лишь в очень примитивных вариантах и не больше двух-трех клатомов за раз. Впрочем, в наш компьютерный век большого числа железок и не требуется, — на демонстрации был показан ролик, иллюстрирующий поведение большой системы, на которой отрабатывается технология управления миллионами и миллионами клатомов. Дело ведь не только в том, чтобы создать отдельные элементы и миниатюризировать их — нужно еще заставить их по сигналу извне совершать осмысленные действия в условиях, когда даже координаты отдельных клатомов будут внешней системе толком неизвестны. Выход пока видят в разработке принципиально новых управляющих систем, которые будут работать по псевдослучайному принципу, создавая своеобразный «тепловой шум», когда в массиве атомов случайным образом перемещаются незаполненные «дырки» и как-то этот шум на границе нужным образом корректируя — в демонстрации, например, клатомы из бесформенных «озер» образовали нечеткое и колеблющееся, но тем не менее отчетливо читающееся слово «intel».

Показали и первые миниатюрные (доли миллиметра) сэмплы клатомов, произведенных с помощью более или менее стандартного литографического процесса. Проблему создания нанороботов сложной структуры в Карнеги остроумно предлагают решать, «вытравливая» традиционными методами плоский рисунок — своеобразную «развертку» робота, а затем «склеивая» его особыми способами в объемный объект. Выглядит довольно любопытно, но без микроскопа в том, что получилось и демонстрировалось в небольшом контейнере, конечно, не разберешься.

Тем не менее рассчитывать на появление в обозримом будущем хоть каких-то работающих прототипов, несмотря на все вышесказанное и на оптимизм моих коллег, вспоминающих, какой путь прошли за пятьдесят лет жесткие диски персональных компьютеров, я бы не стал. Например, те же модельки с электромагнитами непрерывно потребляют довольно много электроэнергии, рассеивая ее в виде тепла, — представляете стену дома, которая греется как электрочайник и рассыпается пылью при отключении электричества? Специалисты пытаются решить эту проблему, используя не электромагнитные («динамические»), а электростатические силы притяжения, но как они собираются ими управлять, на лету перераспределяя по пылинке клатома заряды, для меня осталось загадкой. Электромагнитному варианту могли бы здорово помочь высокотемпературные сверхпроводники, которые бы сняли проблему энергозатрат, но их создание, очевидно, относится к вполне сопоставимым по масштабам сверхзадачам человечества. Даже чисто механически непонятно, удастся ли обеспечить движение не пары атомов друг относительно друга, а «дырки» в большом массиве, на который действуют внешние силы. Да и программирование клатомов для 3D и в реальном масштабе времени, несмотря на все демонстрации, — тоже нерешенная проблема. Потребуется совершенно новый подход к программированию сверхбольших систем, а исследователи здесь лишь в самом начале пути.

Куда реалистичнее звучат рассказы о других реализациях объявленной Intel общей концепции «управления физической материей». Например, антенны для систем подвижной связи, самостоятельно изменяющие размеры и положение в пространстве для оптимального приема сигнала. Примеров соответствующей реализации, правда, на Форуме показано не было, но в принципе чисто технически это реализуемо. Будет ли «изменяемая геометрия» востребована практикой или, как в авиации, уступит место более простым решениям — увидим.

Если клэйтроника на Форуме все-таки проходила под грифом экзотической диковинки, то о терапроцессорах, позволяющих на старой технологии за счет радикально новых идей получить на один-два порядка большую производительность, нежели у традиционных «многоядерников», говорили более чем серьезно — эта тема составляла содержание не только презентаций, но и технических сессий для профессионалов. Впрочем, главная идея здесь тоже далеко не нова и даже вполне процветает в коммерчески выпускаемом «железе», начиная с Cell и заканчивая специализированными сопроцессорами от ClearSpeed. Ее суть в том, чтобы заменить одно сложное ядро (на котором вычислительные блоки нередко занимают менее 10% площади кристалла, а остальное уходит на то, чтобы вовремя подготовить для этих 10% данные и инструкции) набором из, скажем, пяти более простых, в каждом из которых вычислительные блоки займут половину площади ядра. Естественно, загрузка этих блоков из-за простоты обслуживающей их электроники будет невысока, а потому их быстродействие — заметно ниже, но потенциальный выигрыш за счет пятикратного увеличения числа вычислительных ресурсов перекроет все. Побочные эффекты — увеличение тактовой частоты (за счет упрощения) и снижение тепловыделения (за счет него же) — тоже играют на руку подобному подходу. И все было бы замечательно… если б не необходимость заставлять работать эти десятки процессорных ядер «в одной упряжке». Даже оставляя в стороне вопросы программирования параллельного ПО для десятков специализированных ядер, необходимо с достаточной скоростью читать и записывать обрабатываемую ими информацию и передавать ее на другие устройства — в противном случае наш терапроцессор будет большую часть времени ожидать новую порцию данных, и все его быстродействие сойдет на нет.

То, что предлагает Intel, как ни крути, сильно напоминает Cell, только с гораздо большим количеством ядер: если в детище IBM и Sony их всего девять, то в экспериментальном кристалле Intel — добрых восемьдесят (матрица 8x10). И там и там ядра максимально упрощены и функционируют на частоте 3—4 ГГц; и там и там, чтобы снять проблему недостаточной пропускной способности, каждому ядру выделяется кусочек локальной памяти, с которым оно может работать без оглядки на всех остальных; и там и там используется сложнейшая система связи, связывающая отдельные ядра в многомерную сетку, в которой передаются данные. Разница только в реализации: если IBM и Sony используют сравнительно традиционные технологии, то Intel — принципиально новые. Например, в Cell локальная память реализована как упрощенный аналог кэш-памяти первого уровня и является частью кристалла процессора. В терапроцессоре же используется технология трехмерной упаковки оперативной памяти — на подложке строится «сэндвич» из кристаллов оперативной памяти и лежащего над ними кристалла процессора, что позволяет разместить на той же площади куда больше и ядер, и подключенной к ним памяти. В ядрах Cell нет кэш-памяти и тем более — когерентной (хранящей общие для всех ядер данные), в терапроцессоре — есть. В качестве внешнего интерфейса для Cell используется «электронная» технология, для терапроцессора планируется оптический канал на порядок большей пропускной способности и т. д.

Впрочем, хватает и уникальных наработок — например, в терапроцессоре планируется использовать так называемую транзакционную оперативную память, позволяющую объединить несколько операций чтения-записи в одну транзакцию, для которой гарантируется защита от одновременного чтения-записи со стороны других ядер. Например, если у нас есть счетчик — ячейка памяти, к которой обращаются все ядра, каждый раз увеличивая его на единичку, то в «классическом» варианте, когда контроллер памяти просто обслуживает запросы на чтение и на запись от всех ядер, легко может возникнуть следующая ситуация: скажем, первое ядро прочитало текущее значение счетчика, но не успело записать новое, тогда как счетчик — с уже устаревшим значением — читает второе ядро. Если, например, в счетчике было записано число 11, то и первое, и второе ядро в этом случае прочитают «11», вычислят 11+1 = 12 и два раза подряд (сперва одно, потом второе) запишут в счетчик это значение вместо правильного — 11+1+1 = 13. Когда же чтение и запись представляют собой одну транзакцию, такой проблемы не возникает — пока первое ядро не запишет в счетчик 12, второе не сможет прочитать его значения. Механизм еще требует доработки и уточнения, но уже понятно, что этот способ намного быстрее, чем сегодняшняя практика «защиты» счетчика, сводящаяся к тому, что, прочитав счетчик, процессорное ядро ставит «блокировку», запрещающую остальным процессорам что-либо читать или писать из памяти, пока туда не будет записан результат вычислений.

Из других интересных наработок отмечу кэш-память с разделением приоритетов (QoS), в которой данные одного приложения интенсивно вытесняются из кэшей определенных уровней, а другого, более чувствительного к задержкам оперативной памяти, — остаются там до последнего, причем более часто используемые данные — в кэшах высших уровней; усовершенствованные технологии виртуализации, направленные на использование с операционными системами и языками программирования следующих поколений, «заточенных» под высокопараллельные вычисления; интеграция высокоскоростных средств ввода-вывода, вплоть до сетевого контроллера, непосредственно на кристалл процессора.

В отличие от клэйтроники, терапроцессоры — дело вполне обозримого будущего. CEO Intel Пол Отеллини даже демонстрировал кремниевую пластину с соответствующими сэмплами — правда, не рабочими, а всего лишь экспериментально-отладочными, так что до коммерческого продукта дело дойдет еще не скоро (во всяком случае не раньше, чем Intel перейдет на 45-нм технологический процесс).

Кремниевая фотоника

Хотя чистый кремний, с нашей точки зрения, абсолютно не похож на содержащее этот же кремний стекло, в определенных электромагнитных диапазонах (в частности, в инфракрасном свете) он почти прозрачен (что, кстати говоря, используется при отладке микропроцессоров — наблюдая за тем, как они излучают свет, можно многое сказать о функционировании их элементов). Вместе с тем у квантов света в качестве носителей информации по сравнению с электронами есть множество плюсов. Переменный электрический ток, текущий по проводу, образует вокруг себя электромагнитное поле, которое возбуждает электрический ток в соседних проводах — возникают наводки и помехи, тем более сильные, чем ближе расположены в кристалле проводники и выше частота (а значит, и пропускная способность). С оптикой таких проблем нет. По одному проводнику очень трудно передавать большое количество разной информации — согласно фундаментальным принципам теории связи, общий объем передаваемой информации будет ограничен шириной спектра сигнала (грубо говоря — максимально достижимой тактовой частотой для этого проводника), а она для сегодняшних металлов не слишком высока. Частотный диапазон оптического канала связи на несколько порядков выше — а потому в нем легко можно совместить несколько «узкополосных» сигналов (свет «разных цветов»), причем с большей скоростью на один канал, чем у «медного» проводника. Наконец, оптический сигнал не так сильно затухает и практически не подвержен наводкам от бытовой техники, радиостанций, сигналов радара и всему прочему, что засоряет радиоэфир. Словом, оптика как средство передачи информации выглядит гораздо интереснее электрического тока, и кремний прозрачен для определенного инфракрасного света — а потому уже много лет предпринимаются попытки создать процессор если не оптический, то хотя бы использующий оптику для передачи данных на сравнительно большие (по меркам кристалла) расстояния.

Вытравливая в кристалле полоски кремния особого вида, можно добиться того, чтобы они играли роль световодов, передающих свет от одного участка кристалла к другому. Разместив над световодом специальный конденсатор и изменяя на нем напряжение так, чтобы в канале под ним создавалась особого рода «накачанная» среда, можно организовать крошечную управляемую задержку в передаче («вращать» по желанию его фазу). Разделяя оптический сигнал на два одинаковых канала, вращая фазу в одном и снова складывая сигналы, можно добиться того, чтобы в «обычном» состоянии сигналы складывались «в фазе», усиливая друг друга, а во «включенном» — в противофазе, ослабляя, и таким образом эффективно и очень быстро модулировать электрическим током оптический сигнал, передавая данные. С приемом данных — преобразованием модулированного света обратно в электрический ток — особых проблем не возникает, соответствующие решения известны и применяются уже давно. И чтобы все это заработало, не хватало лишь одного — «источника питания», который дал бы тот самый изначальный свет, который можно промодулировать, передать по световоду и детектировать в приемнике. Вплоть до недавних пор единственным способом обойти это ограничение было использование внешнего лазера, «освещавшего» снаружи кремниевый чип, а это дорого, сложно и малоэффективно. В прошлом году собственно лазер (как рабочее тело и оптический резонатор) удалось перенести на кристалл — хотя для его работы ему по-прежнему требовалась внешняя накачка светом. И вы уже, наверное, догадались, к чему я клоню, — на Форуме Intel объявила о последнем, решающем достижении в этой области, сумев интегрировать на тот же кристалл помимо лазера и источник накачки на основе фосфида индия. Так что теперь корпорация располагает всеми необходимыми технологиями для промышленного производства «обыкновенных», не требующих никаких специальных условий, кроме электропитания, полупроводниковых кристаллов, работающих с модулированным инфракрасным светом.

Правда, источник и приемник света пока довольно велики, поэтому использовать их для внутрипроцессорной связи не планируется — зато на их основе легко сооружается приемопередатчик из 25 лазеров с разной длиной волны и соответствующих им детекторов излучения, позволяющих при модулировании света каждого лазера с частотой 40 ГГц (два года назад Intel показывала модуляторы на 1 ГГц, а год назад — на 10), достичь пропускной способности (без коррекции ошибок) в 1 Тбит/с. При этом размеры приемопередатчика достаточно малы, чтобы сделать его частью будущего процессора Intel и использовать, скажем, для передачи данных между процессорами или между процессором и оперативной памятью, с быстродействием на порядок выше, чем в существующих системах, и на порядок большей же простотой подключения (два оптических канала вместо сотен медных и алюминиевых проводников). К сожалению, ничего похожего на Форуме не показали — представленный образец из четырех лазеров на одном кристалле только равномерно излучал свет. Но в отличие от многих других исследовательских проектов, появление соответствующих решений от Intel — дело ближайшего времени.

Самые важные вычислениuя

То, что в Intel окрестили Essential Computing, поставило меня в тупик с адекватным переводом. Отчасти Essential — это что-то составляющее неотъемлемую часть, и тут все более или менее понятно: например, клэйтроника, если она когда-нибудь войдет в нашу жизнь, действительно станет «неотъемлемой» вычислительной дисциплиной. Но вдобавок Essential еще и самое-самое важное, ценное, значимое, — и в соседи к клэйтронике попадает… программное обеспечение из сферы здравоохранения. Вечная мечта человечества — и забота об отдельных людях: ради столь благих целей никаких петафлопсов не жалко. С позволения читателя я оставлю в покое клэйтронику и, говоря про Essential Computing, буду иметь в виду только «здравоохранительную», а еще точнее — «домашне-здравоохранительную» часть этого многогранного понятия.

Основная демографическая проблема развитых стран — спад рождаемости в сочетании с резким ростом продолжительности жизни, который означает, что стариков в мире, особенно в пересчете на количество молодых и работающих людей, становится все больше и больше. Это и повышенная нагрузка на больницы и аналогичные учреждения, и недостаточный размер пенсий, и, конечно же, проблема ухода за пожилыми людьми. Ведь как бы нам ни хотелось обратного, мы не можем уделять им все свое время, да и они не хотят подобной опеки. На Форуме Intel показала чрезвычайно интересную систему, во многом решающую ряд возникающих при этом непростых задач. На человека надевается ряд необременительных датчиков — от привычных датчиков давления, температуры, уровня глюкозы в крови, кардиографических сенсоров и пр. до специального RFID-датчика, выполненного в виде браслета. Помимо датчиков, на человека вешается небольшая станция-передатчик, транслирующая получаемые данные на домашний компьютер (или сохраняющая их в себе). И если с медицинскими датчиками все понятно — следящая за ними автоматика подаст сигнал тревоги, если что-нибудь случится (после чего из больницы, к которой приписан пациент, либо позвонят и попросят выпить какую-нибудь таблетку, либо отправят «скорую»), то с RFID все более интересно. Предполагается, что на большинство предметов, с которыми может взаимодействовать человек, будут наклеены специальные радиометки — благо они стоят копейки, так что, касаясь любого предмета, датчик будет немедленно регистрировать, что именно взял в руки или до чего дотронулся его владелец. Простейшее сопоставление последовательности событий после этого (взял банку с кофе, взял ложку, взял чашку, взял сахарницу, снова ложку, снова чашку) позволяет с очень высокой степенью достоверности определять, что делает человек в данный момент. А это и контроль за приемом лекарств — если дедушка забыл принять таблетки, это будет тут же засечено; и напоминание о поставленном полчаса назад на плиту чайнике, и контроль за тем, чем человек питается, сколько времени тратит на работу и отдых, и многое, многое другое, что позволяет ненавязчиво помогать порой беспомощным старикам и более спокойно чувствовать себя их детям. К тому же если, не дай бог, что-нибудь случится — записи «черных ящиков» дадут врачам бесценную информацию, которая позволит установить, например, как себя чувствовал пациент накануне попадания в больницу, если он сам будет не в состоянии это рассказать.

С миру по нитке...

Оставшаяся часть исследовательской экспозиции Intel была более сухой и, если так можно выразиться, предсказуемой. Полностью интегрированная на одном кристалле система для построения модуля беспроводной связи. Новая антенна для систем с многоканальной передачей информации (MIMO) одновременно на разных частотах, минимизирующая интерференцию между разными каналами. Система динамической подстройки электропитания в зависимости от нагрузки, экономящая дополнительные несколько процентов электроэнергии. С этой электроэнергией на Форуме вообще получилось забавно — при огромном количестве посвященных этой теме докладов, среди которых встречались и такие нетривиальные предложения, как новые блоки питания с меньшим числом стадий преобразования напряжения, подключающиеся к специальным высоковольтным сетям, тщательный, растянувшийся чуть ли не на полчаса подсчет стоимости потребляемой электроэнергии закончился цифрой порядка $15 в год на условный компьютер при «среднеамериканской» цене в 10 центов за 1 кВт·ч. А ведь речь идет о борьбе за единицы, в лучшем случае за пару десятков процентов экономии этой суммы! В перспективе подобные усовершенствования, конечно, окупятся, но едва ли это произойдет скоро, так что повального перехода дата-центров на новые стандарты, думаю, пока не предвидится.

Еще одной «странной» темой Форума, возникшей на волне всеобщей борьбы с энергопотреблением, стали «экологические» экспонаты — пара автомобилей и новый особо экономичный ветряк, от которых было довольно трудно провести какие-либо связи к Intel, чья продукция, насколько я понимаю, в них вообще не используется. Сами экспонаты, конечно, действительно были интересными — например, одноместный концепт-электромобиль Tango из углепластика благодаря своему уникальному суперкомпактному дизайну занимает на дороге места примерно как мотоцикл (со всеми его плюсами в протискивании в пробках и отсутствием проблем с парковкой); с по-спортивному хорошей динамикой и управляемостью, защищенностью при ДТП не хуже, чем у гоночного болида (о чем заботится специальное кресло и мощная система ребер жесткости, пронизывающих углепластиковый корпус), запасом хода в электромодификации на 50 км и ценой около 80 тысяч долларов (с перспективой снижения до 20) он действительно является неплохим кандидатом в революционеры. Вот только причем здесь Intel — я так и не понял. Да и вряд ли в обозримом будущем грянет массовая «электромобильная» революция — говорят, если подсчитать необходимые затраты малораспространенных металлов на изготовление сотен миллионов мощных аккумуляторов и возросшую нагрузку на электросети, то окажется, что, во-первых, нужное количество электрокаров сделать при существующих объемах добычи необходимых материалов попросту не из чего, а во-вторых, общее потребление электричества у армады электромобилей в несколько раз превысит сегодняшнюю выработку электроэнергии во всем мире.

Впрочем, Форум не был бы Форумом, если бы ограничился только «университетскими» и «маркетинговыми» докладами, которые я опускаю. На следующий день шквал новостей — уже не столь революционных, но все равно не менее интересных — продолжился. Но поскольку журнал не резиновый, то о четырехъядерных процессорах, Wireless USB, топливных элементах, перспективах Itanium и обо всем остальном, не поместившемся в рамки R&D-брифинга, мы расскажем в следующем номере.

Оглавление