[erick]

link :: Cell Architecture Explained

Juba mõned aastad on Playstationi- ja protsessoriarhitektuurifänne erutanud CELL arhitektuur. Nüüd on Nicholas Blachfordi nimeline tegelane Cell-i patendi põhjal arhitektuuri lahti mõtestanud, ning selgub, et PS3 teoreetiline arvutusvõimsus võib küündida vapustava 1 TERAFLOPSini (1000 GIGAFLOPSi, võrdluseks: P4 3.0 GHz saavutab ~6 GIGAFLOPSi, nVidia GF 6800 ULTRA kuni 40 GFLOPS).


Tunnistan ausalt, et olen ise suht asjatundmatu kui jutt läheb süviti protsessorite arhitektuuri, ent sellest hoolimata otsustasin teha oma parima, et kasvõi osa järgnevast artiklist jõuaks eesti keeles HV lugejateni. Teema on erutav ja muutub iga PlayStation 3 launchile läheneva päevaga järjest tähtsamaks. Need, kes tahavd põhjalikult lugeda, ja kel inglisekeeles teadusliku teksti lugemisega probleeme pole, leiavad selle uudise aluseks oleva artikli siit:

http://www.blachford.info/computer/Cells/Cell0.html

Alustuseks seletab Blanchford lahti CELL* (*ingl. k. rakk, element) arhitektuuri kontseptsiooni. Viimane koosneb nii riistvaralistest kui tarkvaralistest CELLIDEST (data ja programmid, kutsutakse ka 'apulets' ehk miniaplikatsioonid) mis saadetakse riistvaralistesse CELLIDESSE, kus toimub arvutamine, misjärel tulemused saadetakse tagasi.

Asja ilu seisneb selles, et CELL-arvutusüksused võivad asuda ükskõik missuguses seadmes (näit. arvuti, PS3, HDTV), ning nad on võimelised arvutusvõimsust omavahel jagama. Nii võib juhtuda, et arvutis asuvad CELL-id aitavad PS3-s asuvaid CELLe ja vastupidi. Sinu mobiiltelefon või printer võib näiteks aidata su arvutil kiiremini SETIit lahendada, võimalused on piiramatud. Teoreetilise CELLide vahelise ühenduse kohta on teada vaid seda, et see saab olema minimaalselt 6,4 Gbit/s (nii suur on ühe traadi läbilaskevõime, aga reaalsuses ilmselt (kuni kümneid) kordi kiirem. Ka võimalikku CELL seadmete vahelist WiFi ühendust on arvesse võetud, seega piisaks clusteri loomiseks lihtsalt sellest, kui CELL seadmed ühendada ad-hoc printsiibil.



CELL arvutusüksus koosneb järgnevatest elementidest:

* 1 Processing Unit (PU)
* 8 X Attached Processing Units* (APUs) (* võiks tõlkida kui 'lisatud arvutusüksused')
* Direct memory Access Controller DMAC
* Input/Output (I/O) Interface
* 4.6 GHz (oletatatav CELL chipi kiirus)
* 1.3v
* 85 Celcius operation with heat sink
* 6.4 Gigabit / second off-chip communication



Processing Uniti rollis on IBM poolt valmistet 64bit protsessor. Veel ei ole teada, kas see on POWER5 (multithreading, multicore) või mõni custom arhitektuur. Mis on kindel, on see, et PS3 sees on neid igal juhul 4. Kuid nagu autor väidab, ei tee mitte 4 multicore prose olemasolu PS3-e fantastiliseks, vaid hoopis midagi muud, nimelt...

...APU-d. Igas CELL arvutusüksuses on üks PU (näit. POWER5), mille ülesanne on olla KÕIGEST kontrolleriks 8-le APU-le. Iga APU on iseseisev vektorprotsessor* (*SIMD multimeedia arhitektuuril, see tähendab et nad teevad ühe instruktsiooni käigus mitu operatsiooni, Blachford võrdleb tööprontsiipi näiteks SSE käsustikuga. Ühtlasi tähendab see ka seda, et kõik programmid tuleb 'vektoriseerida', mis on omakorda tehtav põhiliselt video, audio, 3D graafika ja mitmete teadusrakenduste puhul), omades 128x128 bit registreid ja 4 ujukomaüksust koguvõimsusega 32 GFLOPS. Ühtlasi on neil 128KB lokaalset mälu, cachet (vahemälu) ega mingitsorti virtuaalmälu ei kasutatata.

Iga APU käitub täiesti iseseisva (mitte co) protsessorina. PU saadab igale neist eraldi sofware CELLi või apuleti, mispeale APU lülitub töösse ja lahendab apuletti kuni see on valmis või APU-l kästakse peatuda. APU arhitektuur:



Kuigi nende võimsus on suur, tekitab APU-de lokaalmälu cache asemel komplikatsioone programmeerimisel. Nimelt on APU-de lokaalmälu võimeline lugema peamälust 1024 bitiseid blokke, kuid APU-d ise pole võimelised peamälu poole pöörduma (vastupidiselt sellele kuidas x86 arhitektuuris tavaks on - prose pöördub info ja instruktsioonide saamiseks erinevate (vahe) mälude poole järgnevas reas: L1 cache-->L2 cache--->(L3 cache)--->RAM---->virtuaalmälu (e. kõvaketas) ). See muudab süsteemi paindumatuks... ent samas liigutatakse infot peamälust lokaalmällu ja tagasi uskumatult kiiresti. Kui iga APU suudab ühe arvutustsükli jooksul liigutada 2 registrit kas peamälust lokaalmällu või vastupidi, suudab iga üksiku APU lokaalmälu läbi lasta 147 GB/s, ning kõik APU-d ühes CELL-arvutusüksuses kokku saavutavad läbilaskevõime ÜLE TERABAIDI sekundis. Ei pea vist lisamagi, et see jätab hetke x86 prosed VÄGA kaugele selja taha.

Seega on infoga hästivarustatud APU-d omaettegi väga võimsad, ent sellele lisandub võimalus sooritada arvutusi, pannes mitmeid APU-sid nn. ketti, see tähendab et neid saab kasutada info töötlemiseks 'voolavas režiimis' (stream processing), kasutades mitut APU-t paralleelselt (eeldatavasti siis ühe protsessi tarbeks - tõlkija märkus). Sel juhul jõuab CELL-arvutusüksuse võimsus lähedale oma teoreetilisele maksimumile - 250 GFLOPS. Voog- või vooarvutuse skeem näeb välja nii:




Toome siinkohal näiteks võrdluse reaalsete protsessoritega - kui 5 omavahel HyperTransportiga otse ühendatud ja 3.0GHz peale klokitud DUAL CORE Opteroni proset töötleksid ülimalt optimiseeritud (SSE) koodi, siis läheneks nende võimsus ÜHE CELL-arvutusüksuse omale. Playstation 3-s peaks CELL-arvutusüksusi olema NELI.

IBM on ühtlasi teatanud, et ühte racki (riiulit) hõlmav CELL workstationi võimsus on 16 TERAFLOPSi. Blachfordi andmetel läheb selleks tarvis 64 CELL-arvutusüksust.

CELLi oodatavad rakendused on järgmised:

1. MÄNGUD - selleks ta ju loodigi. Blachford avaldab isegi lootust, et äkki on PS3 esimene masin mis suudab jooksutada REAALAJAS RAY-TRACINGUT kasutavaid mänge (mõnes mõttes graafikatööstuse püha graal, reaalaja raytracingu teema on PILDIKASTIJUTTUDE all olemas).

2. 3D graafika. Look out, 3D Labs

3. VIDEO enkodeerimine ja dekodeerimine, samuti Photoshopi laadne pilditöötlus.

4. AUDIO - CELLil on potentsiaali saada iga muusiku ülimaks unistuseks, sest helitöötluses ei ole arvutusjõudu ja bandwidthi kunagi liiga palju.

5. Digital Signal Processing (HDTV näiteks )

6. SETI ( 4 CELLi lahendavad ühe SETI@home ühiku ära 5 minutiga!)

7. TEADUSRAKENDUSED - Blachford ütleb selle kohta, et GPU-sid juba kasutatakse teadusrakendustes arvutamiseks, CELL lööb aga ilmselt kõik GPU-d kõrge kaarega üle:

[Tanel]

Mega ülevaade

EDIT: tegin pildid natuke väiksemaks, et lehele ära mahuks

[Marc55]

Nii head ja detailset ülevaadet pole just tihti kohanud. Super!
Kuidas Intel ja AMD vanarauaks läksid

[aise]

väga kõva ülevaate andis asjast

[Ho Ho]

[EDIT]
Krt, vajutasin kogemata siseta enne kui jõudsin lõpuni kirjutada. Eks siis kirjutan oma jutu lõpuni.

Kes tahab veel veidi paremat ja uuema infoga ülevaadet asjast saada lugege http://arstechnica.com/articles/paedia/cpu/cell-1.ars ja http://arstechnica.com/articles/paedia/cpu/cell-2.ars

Olen lugenud pea kõiki teateid mis celli kohta väljastatud ning pean ütlema et tõenäoliselt on tegu ühe esimese tõelise järgmise generatsiooni protsessoriga. Kõige suurem probleem asja juures on et üleminek valdavalt ühe prosega süsteemidelt(ja programmidelt) sellisele massiivselt paralleelsele platformile saab olema tõenäoliselt üks raskemaid arhitektuuri vahetusi mida arvuti ajaloos on eales nähtud. Seda põhjuselt et hetkel suudavad mitut proset kasutada ainutl mõned üksikud ja spetsiifilised programmid(andmebaasid, veebiserverid, renderdus, videotöötlus).

Programmide paralleelseks tegemine on paraku suhteliselt raske ning igat probleemi ei saagi jagada(ma küll ei tea ühtegi sellist). Samas mänge, suurimat PC arengut tõukav jõud(?), on võimalik suht hästi paralleelselt tööle panna kuid siiani pole seda tehtud põhjuselt et mitme prosega süsteeme on mänguritest vaid mõnel protsendil.

Seni võisid progejad lihtsalt kokku keevitada progesid ning loota et paari aastaga muutuvad prosed piisavalt kiireks et ka nende proget saaks inimlikult kasutada. Enamus mänge hakatakse progema hetkel saada olevate tippmasinate peal lootuses et paari aasta pärast kui mäng valmib on selline masin mainstreamis. Nüüd siis tuleb võtta hunnik celle ning loota et tulevikus on masinas neid veidi rohkem

Igasuguse teaduse jaoks kus on tarvis võimsaid arvuteid on cell väga tervitatav nähtus. Kui praegu on mõned üksikud hakkajamad suutnud panna GPU'd, mida on suht keeruline kasutada millegi muu kui graafika renderdamiseks, üldotstarbeliselt tööle siis sama asja cellil saavutamine peaks olema kordades lihtsam.

Ühetuumsed prosed on sisuliselt välja suremise äärel kuna inimlike pingutustega (ning elektrikuluga) ei saa neist enam suurt midagi välja pigistada. Senine 1.5-2a'ga transside/keerukuse/kiiruse kasvu kahekordistumine on viimasel paaril-kolmel aastal pea seisma jäänud. Umbes 3-4a tagasi tõi Intel välja oma 3.06G prose, hetkel on tema võimsaim 3.8G. Võimsuse erinevus jääb 30-70% ringi. AMD'l asi muidugi veidi paremas seisus kuna kastutatakse tehnoloogiaid mis seina veidi kaugemale nihutavad.




Ülevaate paranduseks võib öelda et cellis olev lokaalmälu on küll veidi erinev kui praegustes masiantes olevast cache'st kuid otstarve on sama: tuua andmed arvutusüksusele lähemale ning lühendada viidet nende poole pöördumisel.

Ray tracingut on võimalik reaalajas juba praegugi jooksutada tavalistel high-end pc'del kuid kvaliteet jätab kõvasti soovida. Cellis peaks olema võimalik asja meeletult optimeerida kuna raytracing on oma loomuse poolest väga hästi osadeks jagatav, märksa paremini kui praegused polügonidel põhinevad lahendused. Võimalik et isegi povray taoline kvaliteet on saavutatav reaalaja kiirusel lihtsamate efektide puhul(GI ja photon mapping jääb siiski veel tulevikku tõenäoliselt).

Igas cellis olevas APU's on teoreetiliselt umbes sama palju võimsust kui gf6800u's kuid mälude kiiruse erinevus on klass omaette (~3-5x cell kiirem). Samuti saab celli märksa lihtsamalt progeda kui tänapäevaseid GPU'sid kuna nad on ette nähtud suhteliselt üldiste arvutuste tegemiseks mitte ainult väga piiratud pikslite/vektoritega tehete tegemiseks. Põhimõtteliselt peaks piisava optimatsiooniga olema võimalik jooksutada HL2'te cellil softis koos kõigi efektidega.

Andmebaasid on juba praegu kõik väga hästi paralleelselt tööle pandud. Pole probleemi jooksutada postgresql/MySql/Oracle't masinatel millel 8 proset. Btw, XML andmebaasid on sisuliselt umbes 40a tagasiminekud andmebaaside arengus. Hierarhilist andmebaasi on üsna keeruline panna korralikult paralleelselt tööle ilma et tekiks probleeme dubleeritud andmetega.

Seti arvutamine on väga ligikaudne kuna kasutati suht mõttetud algoritmi: võeti ligikaudne Power prose efektiivsus ning korrutati mingi konstandiga. Sisuline erinevus on neil siiski niivõrd erinev et reaalne lahenduskiirus võib olla suurusjärk mõlemas suunas pakutud 5min suhtes.

[HDTanel]

Täitsa sõnatu olen.
Ma ei suuda nagu uskuda seda eriti aga kui tõesti nii siis juhtub küll midagi väga väga suurt aastal 2006
PS3 CELL prose ei tehta arvutile? Ma pakun, et kuna sellele tuleb klaver ja hiir ning internet siis mis mõte on arvutil?
Kui sellise kiirusega PS3 maksaks kasvõi 10 000.- ei näe ma mõtet miks peaksid inimesed arvutit kasutama noh kodus siis vähemalt

[Auron]

Ainuke aga jääb siin sinna, et telekas mis suudaks kuvada monitoriga võrdväärset pilti ei ole enamikele inimestele jõukohane.Isiklikult mulle ei istu, et konsooli topitakse järjest rohkem pudi.Praegune tehnikaajastu üks suuremaid idiootsusi mu meelest ongi see, et tahetakse kõigele pookida külge kõike.A'la mobiiltelefon milles on kaamera, nett, diktofon, videokaamera, fotokas jne.A'la röster, konserviavaja, õhuniisutaja, suitsualarm, sigaretisüütaja Konsool võiks ikka mängimiseks jääda ja ok filmide vaatamine ka aga ülejäänd on juba liig.

[aise]

huvitav palju seda vidinat klokkida annab

[Ho Ho]

[Sirius]

aga ma ei saanudki aru, mis graafika sel jubinal on?

Kui see on vastavuses protsessoriga siis ma ei kujuta ette mis graafika mängudel olema hakkab.

[Ho Ho]

ps3 omab just ps3 jaoks disainitud ja ehitatud nvidia graafikakaarti. ise pakun et see kasutab igasuguseks arvutuseks vähemalt üht celli kiipi ning ise majandab ainult andmete cellile söötmisega. Mälu ribalaiust peaks selliseks tegevuseks rohkem kui küll olema.

[Scart]

huvitav, raha hakkame selle eest küsima sinna odavaima pereauto kanti?

[Ho Ho]

Kusagil käsisd jutud et ps3 peaks jääma suti alla 1000$. See ühe väga korraliku ilma monitorita PC hind praeguste hindade järgi. Arvata võib et 65nm tehnoloogia peaks hindu veidi alandama.

[wirx]

PS3 (estimates)
Short term storage 256Mbytes
Long term storage 40Gbytes (at least?)
Speed 1TFLOP
Power 45 watts (no more than 100)

Human Brain (Average)
Short term storage 57 Tbytes
Long term storage 1137 Tbytes
Speed 4.4 TFLOP
Power 12 watts

[Ho Ho]

Kusagil käsisd jutud et ps3 peaks jääma suti alla 1000$. See ühe väga korraliku ilma monitorita PC hind praeguste hindade järgi. Arvata võib et 65nm tehnoloogia peaks hindu veidi alandama.

[wirx]

PS3 (estimates)
Short term storage 256Mbytes
Long term storage 40Gbytes (at least?)
Speed 1TFLOP
Power 45 watts (no more than 100)

Human Brain (Average)
Short term storage 57 Tbytes
Long term storage 1137 Tbytes
Speed 4.4 TFLOP
Power 12 watts

[Ho Ho]

Tavalisi matemaatilisi arvutusi teeb inimene heal juhul 1-3 sekundis. Miks muidu üldse arvutid tehti? Eks ikka tuimalt arvutama.

Btw, kust sa need aju parameetrid kätte said, täitsa huvitaks mille alusel need leitud on.

[HDD]

Tekib kohe kysimus ,et mida Bill poiss nüüd oma longhoringa teeb ?
Hakkavad seda kiiresti nüüd kiiresti ymber kitjutama...

[Scart]

[HDD]

Scart, Mingil määral ta on juba eksistentsis ... Teadus pidavat seda juba kasutama. Kaugel seegi aeg on kui PS3 välja tuleb. Arvata võib ,et mõni PS3 on kindlasti valmis testimiseks.
Ja ega OS ei sa kirjutada alles siis kui CELL väljas on. Aga minu arvamus on ,et see annab suure eduma UNIX systeemide ees.
EDIT : http://www.ps3land.com/CELL.ppt

[Scart]

sooviks siis mõnda tõendit selle kohta, et seda teaduses kasutatakse artiklis mainiti nagu natuke muud teemat näites

[oliver.]

ka tänases Äripäevas on Cell'i mainitud.

[HDTanel]

[Tbit]

aga kuidas nende jahutusega on, mul vist jäi kahe silma vahele see, ise-enesest pc väljasuremine on küll viimane asi mida karta, see nagu auto tööstus, see põhja läheb tõmbab endaga kaasa pool teistest tööstustest, sest pea iga asi on juba pc tööstusse sisse sulanud, ei oska hetkel nimetadagi mis sellest välja jääb .
aga üks mis on kindel, tulevad uued paremad headpipe tech jahutused ja saab veel rohkem õhuga kellata

[project]

Aga kui ta nüüd laua-arvutites möllama hakkab siis ta vist ei hakka eriti soojust eraldama kuna seda kasutatakse ka PS3?
aga muidu ikka päris kobe breakthrough tundub olema. Hail CELL 8)

Et järgmiseks oleks siis oodata et mu arvuti hakkab naabri omaga dualis tööd tegema kui tema oma idleb? see oleks küll tore.