Основы AS/400 - Фрэнк Солтис

Одним из руководителей проекта VLIW был Дэйв Льюк (Dave Luick). Дэйв начинал с нашего первого процессора, возглавлял разработку процессора System/38 Model 7 и с тех пор участвовал в проектировании всех наших процессоров. Он из тех, кто всегда стремится выйти за пределы традиционной технологии, и очень заинтересовался применением к НМС некоторых технологий VLIW. Процессор C-RISC, обсуждавшийся в главе 2, был разработан как процессор для Advanced Series перед тем, как мы перешли на технологию PowerPC. Так вот, благодаря Дэйву и некоторым его соратникам, C-RISC имел НМС с рядом характеристик машины VLIW.

В 1991 году Дэйв в составе группы из 10 человек занимался оценкой возможности использования процессоров PowerPC для AS/400. После принятия решения о переходе на технологию PowerPC, он и его единомышленники направили свои усилия на создание PowerPC-совместимой машины VLIW. Так как VLIW очень зависит от технологии компиляторов, немедленно начались совместные исследования с IBM Research. Специалисты этой лаборатории, работавшие над VLIW, не могли найти для этой технологии такую платформу, чтобы новшества не оказали негативного влияния на бизнес заказчиков. Технологическая независимость AS/400 снимала этот вопрос. Мы могли внедрить VLIW в AS/400 безболезненно для пользователей.

Работа над VLIW в Рочестере показала огромный потенциал данной технологии для повышения производительности AS/400. Во-первых, благодаря упрощенной архитектуре, больше похожей на Speed Demon; можно сократить время такта процессора и создать по той же технологии микросхему, которая по скорости будет вдвое превосходить стандартный PowerPC. Во-вторых, в течение нескольких следующих лет достижим намного больший параллелизм (16 или даже более конвейеров) на одной микросхеме, чем в суперскалярных RISC; где всего лишь пять или шесть конвейеров.

В настоящее время работа над VLIW в Рочестере по ряду причин приостановлена. Дело, прежде всего, в том, что мы договорились использовать универсальную технологию процессора как для серии AS/400е, так и для продуктов линии RS/6000. Хотя благодаря независимости от технологии в AS/400 можно внедрить столь радикально новую технологию как VLIW, на RS/6000 это невозможно. Зато обе системы могут использовать RISC-процессоры PowerPC.

Некоторое время мы рассматривали возможность создания процессора PowerPC с ядром VLIW. Такой процессор мог бы использоваться как AS/400, так и RS/6000. Новый транслятор для AS/400 генерировал бы код либо для интерфейса процессора PowerPC, либо обходил его и генерировал код непосредственно для ядра VLIW. Компоненты SLIC работали бы через интерфейс PowerPC, а со временем мы переписали бы их для исполнения непосредственно ядром VLIW. Прикладные программы с шаблоном внутри программного объекта, могли бы автоматически конвертироваться для VLIW, а программы без шаблона продолжали бы работать как программы PowerPC.

Из-за споров вокруг эффективности трансляции команд в операции ядра VLIW мы приостановили работы над процессором PowerPC с таким ядром. Придется подождать и посмотреть, сколь успешно технология VLIW будет использована в Intel Merced. Некоторые из наших разработчиков даже предлагали подумать над возможностью перехода AS/400 на этот новый 64-разрядный процессор Intel. На мой взгляд, это было бы забавно.

Вторая причина приостановок работ по VLIW — то, что производительность одиночного процессора в сегодняшних системах не является слабым местом. На наш взгляд, гораздо больше выгод принесет усовершенствование подсистем памяти, и первые реализации новых подсистем уже это подтвердили.

До сих пор мы говорили только об отдельных процессорах и возможностях их применения в серии ASA^X^. Следующий раздел посвящен перспективам развития многопроцессорных систем.

Будущее многопроцессорных систем

На любой конференции по компьютерным архитектурам, независимо от заявленной темы, разговор обязательно заходит о масштабируемых многопроцессорных системах с общей памятью. Я твердо верю, что многопроцессорные системы данного типа обеспечат в будущем прогресс вычислительных систем. Внимание к архитектурам МРР без разделения памяти гораздо меньше — ведь они более специализированы и набор типов приложений для них ограничен. А, кроме того, заниматься масштабируемыми архитектурами с общей памятью нам просто интересно!

Масштабируемые многопроцессорные системы с общей памятью

Системы с централизованной и распределенной общей памятью мы рассматривали в главе 2.

В первой из них имеется центральная память, которую совместно используют несколько процессоров, и именно такую модель имеют в виду, когда говорят об SMP. Так как в такой системе время, требуемое каждому процессору для доступа к центральной памяти, одинаково, то их обычно называют системами с однородным доступом к памяти или системами UMA.

Во втором случае память распределена между несколькими узлами, каждый из которых содержит небольшое число процессоров, подключенных к памяти узла по схеме SMP. В узле есть процессоры и память, но нет дисков и других устройств ввода-вывода. Адресное пространство всех узлов общее, то есть любой процессор может адресовать память любого узла. Чтобы проще представить это себе, вообразите фрагменты общей памяти расположенные в узлах системы и связанные между собой вы

сокоскоростным глобальным соединением. У каждого узла общая шина памяти, соединенная с его фрагментом общей памяти, но доступ к этому фрагменту возможен и для процессоров всех остальных узлов с помощью глобального соединения. Отличие состоит только во времени доступа. Локальный доступ выполняется быстрее глобального, и поэтому подобный кластер узлов SMP называется машиной с неоднородным доступом к памяти, или машиной NUMA.

Мы уже достаточно подробно рассмотрели модель централизованной общей памяти в AS/400. Описанная в главе 2 подсистема памяти UMA с перекрестными переключателями и ее разновидности могут с легкостью поддерживать 16-канальные конфигурации SMP с высокопроизводительными процессорами, планируемыми для серии AS/400е. После версии 4, возможно, появятся 20- или даже 24-канальные конфигурации SMP.

Для очень больших конфигураций будут использованы кластеры узлов SMP. В главе 11 мы рассмотрели последовательность кластерной поддержки для AS/400: и системы без разделения, каждая из которых использует собственные дисковые устройства; и кластеры с переключением дисков между системами; и, наконец, системы с разделением дисков между компьютерами кластера. Получив с помощью независимых ASP возможность разделения всех дисков кластерного пула, мы можем подумать о разделении памяти между узлами, и, таким образом, о создании нашей первой машины NUMA.

Интерес к применению NUMA в AS/400 возник несколько лет назад. Дик Бут (Dick Booth), рочестерский инженер, занимался в начале 90-х годов многопроцессорными системами в IBM Research. В процессе работы у него возникла идея новой архитектуры. Первоначально Дик назвал ее «крепко связанным мультипроцессором», так как она занимает промежуточное положение между слабо связанными (МРР) и сильно связанными (SMP) мультипроцессорами. Теперь подобная структура называется просто NUMA.

Дик верил, что NUMA будет работать в AS/400. Вернувшись в Рочестер, он заразил своей идеей коллег. В 1991 году был основан объединенный проект с IBM Research и началась работа над прототипом. Как это часто бывает, новая идея натолкнулась на определенный скептицизм. Группа выстояла, завершила прототип и продемонстрировала его, чем завербовала в свои ряды новых сторонников. Сегодня эти люди успешно работают над NUMA для будущих AS/400.

CC-NUMA и COMA

Для AS/400 возможны как минимум две реализации NUMA. Первая — неоднородный доступ к памяти с когерентным кэшем CC-NUMA (cache-coherent non-uniform memory access), вторая — архитектура памяти только с кэшем COMA (cache-only memory architecture). Конкретные детали реализации и оценки производительности этих архитектур широко отражены в компьютерной прессе. С начала 90-х годов разновидности этих архитектур исследуются в нескольких университетах и лабораториях. Некоторые компьютерные компании, такие как SGI (Silicon Graphics, Inc.), Sequent и Convex уже поставляют на рынок серверы CC-NUMA с большими возможностями масштабирования.

Итак, давайте кратко, не слишком вдаваясь в технические подробности, поговорим о том, какие детали этих архитектур Вы можете ожидать в будущих конфигурациях AS/400.

Обе схемы используют протокол когерентности кэшей на основе справочников, что необходимо для поддержки «вроде бы» общей памяти, хотя основная память и распределена между узлами. Проще говоря, в каждом узле имеется справочник, показывающий расположение всех страниц в глобальной адресуемой основной памяти (как локальной, так и удаленной).

Это отличается от шинной когерентности со слежением (snoopy bus-based coherence), используемой для кэшей второго уровня в узле SMP, описанной в главе 2. Одни и те же данные из страницы общей памяти могут одновременно находиться в нескольких кэшах процессоров узла SMP. При изменении данных в кэше одним процессором должны быть обновлены и копии в кэшах других процессоров. Под когерентностью кэшей понимают актуальность всех копий. При использовании протокола слежения справочник кэша каждого процессора содержит информацию только о тех страницах, которые находятся в его собственном кэше. При всяком изменении процессором данных в кэше об этом сообщается по шине слежения всем остальным процессорным кэшам, с целью обновить те же данные. Таким образом, каждый кэш следит за изменениями во всех других кэшах и обеспечивается когерентность кэшей. Поддержание в кэшах процессоров множественных копий гарантирует одинаковое время доступа ко всем данным (поэтому данная архитектура и называется UMA).