Текст книги "Основы AS/400"

Автор книги: Фрэнк Солтис

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 41 страниц)

Процессоры Cobra первого и второго поколения

Как и Muskie, процессоры Cobra имеют расширенную 64-разрядную архитектуру PowerPC. Они суперскалярные, что позволяет использовать параллелизм на уровне команд. Функционально оба семейства процессоров исполняют один и тот же набор команд уровня приложений. Некоторые различия между ними заключаются в реализации необязательных команд. Так Cobra предназначается для средних и младших моделей AS/400, поэтому реализация команд, поддерживающих, например, мульти-процессирование, в нем не предусмотрена.

Все четыре модели процессоров Cobra разработаны в Эндикотте. В системах AS/ 400, объявленных в 1995 году, используются Cobra-4 и Cobra-CR (CR расшифровывается как «cost reduced» – «цена уменьшена»). Cobra-CR – это Cobra-4, но с возможностью работать только на частоте 50 МГц, самой низкой для этого процессора[ 21 ]21
  Cobra-4 может работать и на более высоких частотах. С характеристиками этого процессора мы скоро познакомимся.


[Закрыть].

Специально для тестирования нового программного обеспечения операционной системы команда проектировщиков в Эндикотте разработала вариант Cobra-0. Он никогда не применялся в AS/400.

Существовала также версия Cobra-Lite, названная так, поскольку в ней отсутствуют 17 обязательных команд PowerPC[ 22 ]22
  Cobra-Lite является первым поколением процессоров RISC, которые использовались в AS/400.Последующие модели Cobra, реализующие полный набор команд PowerPC, рассматриваются как второе поколение Cobra-Lite.


[Закрыть]. Ее разработала небольшая группа из Рочестера для системы Advanced 36, анонсированной в 1994 году.

При разработке процессоров Cobra ставилась задача объединить процессор и интерфейс памяти на одном кристалле, который, в результате, содержит 4,7 миллиона транзисторов. Интерфейс шины ввода-вывода располагается на отдельном кристалле, что позволяет использовать процессор с разными интерфейсами ввода-вывода. Cobra использует КМОП, а не БиКМОП, а точнее – технологию, названную IBM CMOS-5L. В результате, процессор рассеивает меньше тепла, чем Muskie, и меньше его нуждается в охлаждении. Только процессоры Cobra помещаются в корпуса небольшого размера, изготовленные для Advanced Series в 1994 году.

Подобно Muskie, Cobra имеет 5 конвейеров, но за один цикл может распределять не более трех команд (то есть выполнен по трехканальной суперскалярной схеме). Это команды:

перехода (включая команду регистра условия);

загрузки/сохранения;

арифметики с фиксированной точкой (включая логические команды, команды сдвига и циклического сдвига), или команда плавающей точки, или команда регистра условия.

Три конвейера (фиксированной точки, плавающей точки и команд регистра условия) совместно используют третий слот диспетчирования команд.

Первые процессоры Cobra работали на тактовых частотах 50 и 77 МГц, но их конструкция, как уже упоминалось, допускает и более высокие частоты. Для поддержания подобной скорости Cobra имеет 4-килобайтный внутренний (на кристалле) кэш команд и 8-килобайтный (также внутренний) кэш данных. По сравнению с Muskie, это не очень много. Большой кэш трудно разместить в однокристальном процессоре, поэтому процессоры, подобные Cobra, используют иерархию кэшей. Маленькие внутренние кэши (называемые кэшами первого уровня или кэшами L1) дополняются большим по размеру внешним кэшем (кэш второго уровня или L2). Cobra может работать с внешним (на отдельной микросхеме) кэшем L2 размером 1 мегабайт.

Процессоры третьего поколения Apache

Модели AS/400 1997 года используют новый дизайн процессора. Этот однокристальный процессор PowerPC, разработанный в Рочестере и названный Apache. Он предназначен для средних и старших моделей AS/400е. Младшие модели серии по-прежнему используют процессор Cobra.

Apache можно считать процессором третьего поколения. В его основе – процессор Cobra, улучшенный и оснащенный новыми возможностями, например поддержки многопроцессорных систем. Apache – первый однокристальный процессор AS/ 400, которому по силам поддержка конфигурации SMP до 12 процессоров (даже Muskie поддерживал лишь четырехпроцессорные конфигурации).

В отличие от Cobra или Muskie, Apache полностью реализует архитектуру PowerPC. Он использует режим активных тегов для поддержки одноуровневой памяти AS/400 и режим неактивных тегов – для поддержки стандартной модели адресации PowerPC; а также стандартные шины адреса и данных PowerPC 6хх – для соединений за пределами кристалла. Так что Apache можно использовать с любой вспомогательной микросхемой, разработанной для семейства процессоров PowerPC 6хх. (О том, как это позволило преобразовать структуру ввода-вывода компьютеров серии AS/400е мы поговорим подробней в главе 10). Apache – первый из когда-либо разработанных в Рочестере процессоров, который может использоваться вне рочес-терских систем. Процессоры Apache используются как в RS/6000, так и AS/400е.

Рисунок 2.5 Структурная схема процессора Apache

Как и Cobra, Apache – однокристальный, 64-разрядный суперскалярный RISC-процессор (его структурная схема – на рисунке 2.5). Он реализован по новейшей технологии IBM CMOS-5S, что позволяет достичь большей плотности упаковки на кристалле, а также времени цикла в 8,0 наносекунд (125 МГц), хотя в некоторых моделях AS/400е используются более медленные версии. Технология КМОП значительно сокращает объем рассеиваемого тепла, который нужно отводить от процессора. В результате, на одной плате может быть установлено до четырех процессоров Apache.

В новом процессоре наиболее значительны изменения в подсистеме памяти. О том, как системы с Apache используют совершенно новую подсистему памяти, предназначенную для пересылки больших объемов данных без замедления работы, читайте в следующем разделе.

Несмотря на то, что время цикла у Apache не столь мало как в Muskie, новая подсистема памяти повышает масштабируемость Apache для конфигураций SMP, что позволяет создать еще более производительные модели AS/400е.

Прежде чем продолжить сугубо технический разговор, хочу представить вам новые корпуса, появившиеся вместе с процессорами Apache. Три оригинальных черных корпуса AS/400 Advanced Series (известные как Apex, Cedar Key и Key Largo) были заменены на два новых, также черных, корпуса (Millennium и Mako). Корпус для Advanced Entry (Eiger) остался тем же.

Мы изменили дизайн корпуса по нескольким причинам. Средние модели серии AS/400 поддерживают конфигурации SMP. Корпус Millennium допускает установку до четырех процессоров Apache, а корпус Mako для старших моделей – до 12 процессоров. (В прежний корпус для старших моделей (Key Largo) помещалось до четырех процессоров Muskie). Корпус Mako гораздо выше (около полутора метров, напоминает оригинальные белые стойки AS/400) и кроме дюжины процессоров в нем есть место для большего объема основной памяти и большего числа дисков. Новые корпуса, которые предполагается использовать в серии AS/400е до 2000 года, были разработаны совместно с подразделением RS/6000 для оптимизации общности компонентов этих систем.

О Процессоры четвертого и следующих поколений

Итак, мы рассмотрели процессор Muskie и то, каким образом он производит коммерческие вычисления, обрабатывая большие объемы данных. Четырехканальная суперскалярная архитектура, а также шины шириной 16 байт (128 бит) и 32 байта (256 бит) ясно свидетельствуют, что Muskie создан для обработки больших объемов данных и команд. А теперь представьте себе, процессор Muskie, упакованный вместе с набором 64-килобайтных кэшей для команд и данных в одну микросхему КМОП. Добавьте к этому полную архитектуру PowerPC процессора Apache и возможность поддерживать конфигурации с 12 или даже 16 процессорами. Что получилось? Конечно, это наш процессор четвертого поколения Northstar.

Сегодня можно уверенно сказать, что через несколько лет на первый план выйдут однокристальные КМОП-процессоры, помещенные в новые черные корпуса. Мы также знаем, что они будут использовать преимущества новой подсистемы памяти, впервые появившейся в Apache.

А впрочем, давайте отложим обсуждение процессоров будущего до главы 12. Там мы рассмотрим некоторые новейшие технологии, включая те, которые сегодня разрабатывает IBM для процессоров AS/400.

О Подсистема памяти

Одна из самых больших проблем любого процессора – обеспечение его загрузки. За последние несколько лет производительность процессоров необычайно выросла, в среднем удваиваясь каждые два года. Производительность памяти и ввода-вывода не успевает за этими темпами.

В 1991 году я купил новую IBM PC для домашних нужд. В ней был установлен процессор Intel 386 20 МГц, 70-наносекундная память и жесткий диск с временем доступа 16 миллисекунд. Маломощный процессор 386 не долго меня устраивал; поэтому я, как и многие другие, начал бесконечную гонку за новейшей аппаратурой, приобретая последовательно системы с процессорами 486 и Pentium. В последнем купленном мною компьютере (который уже тоже устарел) установлены процессоры Pentium Pro 200 МГц, 60-наносекундная память и жесткие диски со временем доступа 8,5 миллисекунд.

Да, за последние несколько лет разрыв в скорости между процессором и памятью-вводом/выводом вырос невероятно. Теперь вполне возможна ситуация, когда память и ввод-вывод не смогут поставлять достаточно информации для поддержания загрузки процессора, и последний будет проводить множество своих высокоскоростных циклов в ожидании выборки команд или данных.

Универсальный прием для компенсации разницы в производительности между процессором и основной памятью – применение кэшей. Как мы уже говорили, кэш – это быстродействующая память, используемая для хранения блоков команд и данных, к которым процессор недавно обращался. При этом предполагается, что в ближайшем будущем процессор будет обращаться к тем же самым блокам.

Кэши эффективны благодаря тому, что большинство программ обладают так называемыми пространственной и временной локализацией. Это означает, что программа, скорее всего, обратится к команде или элементу данных, расположенным в памяти недалеко от места последнего обращения (пространственная локализация); а также что такой доступ произойдет через короткий отрезок времени (временная локализация). Нетрудно предположить, некоторые программы обладают большей степенью локализации, чем другие. Программа, предполагающая выполнение многих циклов или большой объем повторной обработки одних и тех же данных, имеет очень высокую степень локализации. Приложения для коммерческих расчетов, наоборот, выполняют мало обработки такого сорта, и имеют несколько меньшую степень локализации. Большие кэши и иерархия кэшей могут обеспечить загрузку процессора данными и командами даже при низких уровнях локализации.

При использовании иерархии кэшей происходит следующее: если нужная процессору информация отсутствует в кэше L1, процессор обращается к кэшу L2. Если информация не найдена и там, то происходит обращение к основной памяти. Пока идет поиск информации и выборка ее в регистр, процессор простаивает. Обычно это называют циклами простоя (stall cycles) процессора. В том случае, если информации нет даже в основной памяти и система должна обратиться к диску, процессор не ждет, а переключается на выполнение другой задачи в системе. Такую ситуацию обычно называют страничной ошибкой (page fault). Подробней мы поговорим об этом в главе 8.

Высокая производительность Muskie достигается с помощью небольшого 8-кило-байтного кэша команд L1 и 256-килобайтного кэша данных L1. Большой кэш данных реализован на четырех отдельных 64-килобайтных микросхемах памяти высокого быстродействия. Будучи однокристальными процессорами, Cobra и Apache имеют гораздо меньшие внутренние кэши L1 (4К и 8К для команд и данных соответственно). Эти внутренние кэши дополняются кэшами L2 большего размера, выполненными в виде отдельных микросхем. Часть производительности Apache достигается за счет очень больших кэшей L2 объемом от 4 до 8 мегабайт.

Несмотря на использование больших кэшей и иерархии кэшей, большинство процессоров все равно тратят много циклов простоя, ожидая выборки из памяти. Проблема заключается в шине между процессором и основной памятью. Большая часть систем, включая ранние AS/400, имеют одну такую шину, обычно высокоскоростную, но все равно работающую медленнее самого процессора. Например, мой Intel Pentium Pro 200 МГц работает с шиной памяти 66 МГц. Это означает, что при обращении к памяти процессор простаивает по три цикла на каждый цикл шины. Легко понять, что таких циклов простоя может быть много.

В конфигурации SMP ситуация может значительно ухудшиться. Теперь одну шину памяти и одну основную память пытаются задействовать несколько процессоров. Так как в данный момент времени шина может использоваться только одним процессором, то все остальные процессоры, которым она понадобилась в этот момент, обречены ждать. А если та же шина памяти используется еще и для ввода-вывода, положение еще более усугубляется.

Эта борьба за шину памяти приводит к уменьшению производительности при добавлении к системе SMP каждого нового процессора. Например, добавление второго процессора не позволит увеличить общую производительность на 100 процентов; фактическое увеличение будет несколько меньшим из-за борьбы за память. Добавление третьего и четвертого процессора еще сильнее сократит прирост производительности на один процессор. А когда дело дойдет до восьми и более процессоров, рост производительности системы SMP может и вовсе прекратиться.

Организация памяти

Давайте проведем краткий обзор организаций памяти для многопроцессорных систем. Нас интересуют три схемы организации памяти: централизованная разделяемая память, распределенная память и распределенная разделяемая память.

Машина с централизованной разделяемой памятью предоставляет центральную память для использования всеми процессорами. Обычно, к такой разделяемой памяти подключены посредством одной шины несколько десятков процессоров. Подобная организация называется SMP (ее мы рассматривали выше). Преимущества SMP в том, что все процессоры используют общую память, и время необходимое для доступа к любой части этой памяти, для них одинаково. Поэтому конфигурации SMP часто называют машинами с однородным доступом к памяти UMA (uniform memory access). Недостаток SMP – в ограниченности максимально поддерживаемого числа процессоров.

В машинах с распределенной памятью последняя поделена между несколькими узлами, каждый из которых содержит несколько процессоров, соединенных с памятью узла как в SMP. Пример – кластер AS/400 OptiConnect (подробнее см. главу 6). Иногда машины с распределенной памятью называют архитектурами без разделения (shared-nothing), так как память не разделяется между узлами, а для связи между ними используется передача сообщений. Преимущество разделяемой памяти в том, что она может быть очень большой, если такое разделение памяти не требуется приложениям.

Если каждый процессор в машине с распределенной памятью может выполнять одну и ту же операцию или одну и ту же программу над множеством независимых друг от друга наборов данных, то подобная конфигурация называется процессором с массовым параллелизмом MPP (massively parallel processor). Пример – система MPP в IBM SP2, использующая по одному процессору на узел[ 23 ]23
  Когда книга готовилась к печати, появилась возможность использовать до 8 процессоров SMP в каждом узле. Кстати, SP2 изменил название и теперь называется просто SP. – Прим. консультанта.


[Закрыть]. У SP2 также очень хороший механизм передачи сообщений, позволяющий процессорам быстро обмениваться информацией друг с другом. Системы MPP могут насчитывать тысячи процессоров; их недостаток в том, что такая архитектура полезна только для некоторых типов приложений, таких как параллельная обработка баз данных или научных вычислений (то есть там, где совместное использование данных не требуется).

Третья конфигурация – с распределенной разделяемой памятью, представляет собой вариант распределенной памяти. Здесь все узлы, состоящие из одного или нескольких процессоров, подключенных по схеме SMP, используют общее адресное пространство. Отличие этой конфигурации от машины с распределенной памятью в том, что здесь любой процессор может обратиться к любому участку памяти. Однако, время обращения к разным участкам памяти для каждого процессора различно в зависимости от того, где участок физически расположен в кластере. По этой причине такие конфигурации еще называют машинами с неоднородным доступом к памяти NUMA (non-uniform memory access). Мы рассмотрим NUMA в главе 12.

Это отступление от основной линии повествования здесь для того, чтобы помочь Вам, читатель, понять новую подсистему памяти, используемую сейчас в серии AS/ 400е. Эта подсистема разработана для конфигурации SMP, так как последняя наилучшим образом подходит для решения коммерческих задач, когда процессорам требуется использовать память совместно. Но Вы увидите, что она может использоваться и с другими конфигурациями памяти.

Перекрестные переключатели

В рамках начавшейся в 1995 году десятилетней программы ASCI (Accelerated Strategic Computing Initiative) министерство энергетики США DOE (Department of Energy) запросило у производителей компьютеров предложения по созданию самых мощных на сегодня ЭВМ. Задача ACSI – разработка «триллионных» компьютеров, которые могут быть использованы в том числе для моделирования ядерных испытаний. Предполагается, что триллионные (tera-scale) вычисления (таково официальное название для триллиона операций в секунду) будут широко применяться в коммерческих и научных приложениях в следующем столетии. Такие компьютеры создаются в трех национальных лабораториях DOE, связанных с проектом ASCI.

На первом этапе проекта ASCI – ASCI Option Red – рассматривалась большая конфигурация MPP с процессорами, организованными по традиционной модели распределенной памяти. Intel получил контракт на разработку компьютера с 9 072 процессорами Pentium Pro, 283 гигабайтами памяти и двумя терабайтами дискового пространства. Эта система имеет архитектуру MPP без разделения. Испытания новой системы происходили в национальной лаборатории Сандиа (Sandia), штат Нью-Мехи-ко. Ставилась задача – Сандиа (Sandia), «выжать» из единственного в своем роде компьютера, стоимостью в 55 миллионов долларов, триллион операций с плавающей точкой в секунду (один терафлоп). В декабре 1996 компьютер Intel DOE достиг этой цели.

DOE также хотело устранить ограничения двух распространенных многопроцессорных архитектур (SMP и MPP). Как мы уже говорили, системы SMP использующие шины, не масштабируются больше 32 процессоров, но отлично работают для большинства приложений. Схемы MPP сложнее в программировании и подходят только для некоторых классов приложений. Кроме того, их работа сильно замедляется при необходимости доступа к данным, разбросанным по системе. Поэтому DOE предложила новый проект масштабируемого SMP, названного ASCI Option Blue.

Контракты на создание этих систем к концу 1998 года получили две компании, чьи предложения были самыми обещающими: IBM и Cray Research, которая была приобретена SGI (Silicon Graphics Incorporated). Машина IBM названная ASCI Blue Pacific будет установлена в национальной лаборатории имени. Лоуренса (Lawrence) в Ливер-море (Livermore), штат Калифорния, а машина SGI/Cray, получившая имя ASCI Blue Mountain – в национальной лаборатории в Лос-Аламосе (Los Alamos), штат Нью-Ме-хико. Задача обоих компьютеров Option Blue – достичь производительности более 3 терафлоп.

В проекте IBM используются компактные узлы SMP с восемью процессорами; эти узлы соединяются с помощью переключателей передачи сообщений SP2. Проект SGI/

Cray более сложен и включает в себя комбинацию соединений и технологий операционных систем с целью создания образа единой SMP-подобной машины. И хотя физически данные будут распределены по системе, это будет архитектура NUMA.

Компьютер IBM ASCI Blue Pacific будет содержать 512 8-процессорных узлов SMP, 4 096 сверхвысокопроизводительных процессоров PowerPC. Процессор, предназначенный для версии Belatrix Остина, назван 630. Он имеет высокую производительность для вычислений с плавающей точкой и в точности соответствует типу проблем, решать которые призван компьютер DOE.

Для связи между узлами в ASCI Blue Pacific планируется новый высокоскоростной переключатель передачи сообщений типа SP2. Подсистема памяти, позволяющая процессорам внутри узла эффективно использовать память, будет использовать новый 128-разрядный перекрестный переключатель (cross-bar switch)[ 24 ]24
  Перекрестные переключатели на протяжении десятков лет используются на телефонных станциях для подключения набора входящих линий к набору исходящих линий в произвольном порядке. Любая входящая линия может быть подключена к любой не занятой исходящей линии. Получается множество одновременных соединений.


[Закрыть]. Подсистема памяти на основе таких переключателей позволяет нескольким процессорам обращаться к памяти узла параллельно и обеспечивает конфигурацию UMA, где устранена проблема, присущая шине памяти в большинстве конфигураций SMP.

Я упомянул о проекте DOE для того чтобы рассказать о новой подсистеме памяти, используемой в узлах SMP ASCI Blue Pacific. Первая подсистема UMA, использующая 128-разрядный перекрестный переключатель, была разработана в Рочестере. Аналогичная схема используется в настоящее время в компьютерах SMP Apache. Вместо одной шины между памятью и кэшем второго уровня, как в предыдущих системах SMP AS/400, в Apache применены перекрестные переключатели. Благодаря поддержке нескольких параллельных обращений к памяти за один цикл, возможна пересылка больших объемов данных между кэшем и разделяемой памятью, что позволяет поддерживать загрузку процессоров в больших конфигурациях SMP.

Пример подобной конфигурации с двенадцатью процессорами Вы можете увидеть на рисунке 2.6. На одной плате – четыре процессора Apache вместе с четырьмя кэшами L2. В 12-процессорной конфигурации установлено три таких платы. Размещенные на платах кэши L2 размером 4 или 8 мегабайт обладают цикличностью в 8 наносекунд. Таким образом, за один цикл процессора между кэшем второго уровня и кэшем данных или команд первого уровня в микросхеме Apache может быть передано 16 байтов (см. рисунок 2.5).

Основная память в данной конфигурации может достигать 20 гигабайт, каждая плата памяти – содержать до гигабайта, так что на рисунке 2.6 показаны 20 таких плат. Обратите внимание на наличие четырех банков памяти с одинаковым числом плат в каждом, что позволяет обеспечить прослоенную память (memory interleaving) – технический прием, при котором открывается доступ к последовательным блокам данных памяти через разные банки. Например, если каждая плата памяти имеет 8-байтовый интерфейс, то одновременно из четырех банков памяти может быть считано 32 последовательных байта (байты 0-7 из банка 1, байты 8-15 из банка 2 и т. д.).

Четыре перекрестных переключателя подсистемы памяти UMA обеспечивают соединение между кэшами второго уровня и платами основной памяти. Три шины данных 6хх – по одной на каждую плату процессора – соединяют 12 процессоров с каждым из четырех переключателей. Эти 128-разрядные шины данных имеют время цикла 12 наносекунд (в полтора раза больше времени цикла процессора). Дополнительная шина данных 6хх соединяет с каждым из переключателей памяти подсистему ввода-вывода. У каждого переключателя – два независимых 128-разрядных интерфейса к платам памяти.

В подобной конфигурации в каждом цикле памяти к ней может осуществляться несколько параллельных обращений, что фактически устраняет проблемы, связанные с использованием одной шины памяти на традиционных системах SMP.

Имейте в виду, что здесь представлена лишь одна из возможных конфигураций соединения процессорных плат, переключателей и плат памяти. Другие модели линии AS/400 будут использовать иные комбинации этих компонентов. Например, в 4-процессорной конфигурации SMP может использоваться одна процессорная плата, два переключателя и четыре банка памяти.

Также, обратите внимание, что переключатели используются только линиями данных. Линии адресах всех кэшей второго уровня (показанные на рисунке как адресные линии 6хх) общие, что позволяет обычное отслеживание адресов, иначе называемое снупингом кэша (cache snooping) – прием, при котором каждый контроллер кэша L2 постоянно отслеживает все адреса, передаваемые по общей адресной шине. Кроме того, контроллеры проверяют, содержится ли адрес на шине в их кэше. Если это так, то соответствующие данные кэша становятся недействительными. Таким образом достигается когерентность информации во всех кэшах, ведь общие данные могут быть изменены одновременно не более чем одним процессором.

На рисунке 2.6 также показана общая подсистема ввода-вывода. Для подключения устройства расширения ввода-вывода к корпусу Mako, в котором размещается 12-процессорная конфигурация, используется SAN (System Area Network). Два таких интерфейса показаны на рисунке. В главе 10 мы рассмотрим использование SAN для поддержки разных интерфейсов ввода-вывода в AS/400е и соединения этих систем друг с другом.

Рисунок 2.6 12-конфигурация SMP

Итак, причина использования перекрестных переключателей – стремление повысить эффективность, или, иначе говоря, процентный рост производительности SMP при добавлении нового процессора в конфигурацию. Во многих системах с разделяемой памятью эта эффективность равна примерно 70 процентам при использовании от четырех до восьми процессоров.[ 25 ]25
  Увы, кажется, в последнее время оно перестало сбываться. – Прим. консультанта.


[Закрыть] Благодаря новой подсистеме памяти, процессоры Apache должны поднять эффективность до 85—90 процентов.