Неспешная революция в мире процессоров - Intel Itanium
Не каждый день Intel выпускает процессор на базе абсолютно новой архитектуры. Фактически это происходит примерно раз в десять лет, если учесть, что модели Pentium II, Pentium III и Pentium 4 появились в результате усовершенствования одной и той же базовой платформы. Поэтому мало сказать, что разработка процессора Itanium имеет важное значение. Конечно, ответ на вопрос, насколько важно появление этого процессора (или конкурирующих 64-разрядных архитектур, созданных специалистами AMD и Sun) для вашей конкретной фирмы, зависит от особенностей вашего бизнеса. Но одно несомненно: пока мы находимся лишь на подступах к 64-разрядной обработке данных. Придет время, и новая модель вычислений станет всеобщим достоянием, однако процесс перехода растянется надолго.
Сегодня число оснащаемых процессором Itanium машин можно буквально пересчитать по пальцам, но анализ экспертов исследовательской фирмы Aberdeen Group свидетельствует о том, что уже к 2005 г. доля серверов на базе Itanium будет составлять более 40% от их общего числа. В этой статье мы остановимся на технологиях, положенных в основу 64-разрядных платформ, и приведем результаты испытаний одного из первых серверов на базе Itanium, чтобы, насколько это возможно, заглянуть в будущее.
Itanium - не первый 64-разрядный процессор. В AS/400, а также в большинстве RISC-процессоров применяется 64-разрядная архитектура. В Nintendo 64, популярной консоли видеоигр, тоже используется 64-разрядный микропроцессор. Но новая микросхема Intel - это первый 64-разрядный процессор для серверов и рабочих станций, отличающийся относительно невысокой ценой. Именно в этом (наряду с огромным влиянием, которое имеет Intel в отрасли) залог того, что новая разработка завоюет ведущие позиции на рынке микропроцессоров.
Сферы применения
Процессор Itanium, предназначенный для корпоративных серверов и рабочих станций самого высокого класса, не похож ни на одно из изделий, ранее выпущенных фирмой Intel. Разработчики этой модели отказались, наконец, от 32-разрядного набора команд x86, который неизменно реализовывали микросхемы Intel с тех пор, как в 1985 г. дебютировал процессор 386. Itanium построен на базе абсолютно нового 64-разрядного набора команд, известного под названием IA-64.
В двух словах, набор команд IA-64 обеспечивает возможность работать с 64-разрядными регистрами и 64-разрядными каналами передачи данных. Главное преимущество такой архитектуры состоит в том, что, поскольку она позволяет использовать 64-разрядные (а не 32-разрядные) адреса для обращения к каждой ячейке памяти, совокупное адресуемое пространство памяти составляет 264 бит (т. е. 18 млрд. Гбайт, или 18 Эбайт). Правда, пока что Itanium не выходит на столь высокие показатели, хотя уже сегодня он обеспечивает возможность обращения к 16 Тбайт памяти (для сравнения: 32-разрядные микросхемы ограничены объемом 4 Гбайт). Ну, а если процессор может работать с такими гигантскими объемами памяти, то он способен лучше справляться с обработкой крупных массивов данных при выполнении таких задач, как добыча информации.
Itanium обеспечивает функционирование современных 32-разрядных программ, но в полной мере реализовать заложенные в новой архитектуре преимущества смогут только приложения, специально разработанные для этой платформы. "Приложения большого объема нужно будет перекомпилировать для Itanium, - считает Кевин Круэлл, старший эксперт специализирующейся на рынке ЦП исследовательской фирмы MicroDesign Resources (Саннивейл, шт. Калифорния). - Этот процессор обрабатывает 32-разрядный код просто с черепашьей скоростью".
Выходит, что, если разработчики ПО и пользователи хотят в полной мере реализовать потенциал новой платформы, они должны дополнительно тратить время и деньги - а этого, между прочим, не требовалось, когда на рынке появлялись процессоры Pentium 4 или AMD Athlon. Но впадать в панику нет оснований: перекомпилирование приложения для архитектуры Itanium не столь уж трудное дело, если исходные тексты составлены правильно.
Ну а перед теми, кто уже перешел на новую платформу, открываются потенциальные возможности, намного превышающие возможности процессоров Pentium 4 или Athlon. Адресуемое пространство модели Itanium в 4 тыс. раз больше, чем у существующих микропроцессоров x86, а благодаря новой технологии параллельной обработки команд с явным параллелизмом EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing) процессор Itanium позволяет достигать гораздо большего быстродействия.
Работа над процессором Itanium началась более семи лет назад, когда компании Intel и Hewlett-Packard решили объединить усилия для создания новой микросхемы, которая должна была прийти на смену RISC-процессорам (точнее говоря, моделям Alpha, MIPS и SPARC), занимавшим в ту пору доминирующие позиции на рынке компонентов для серверов и рабочих станций высокого класса. Понимая, что как RISC- (Reduced Instruction-Set Сomputing), так и CISC-процессорам (Сomplex Instruction-Set Сomputing) присущи определенные ограничения, эти компании, что называется, с чистого листа создали новый процессор, получивший тогда рабочее название Merced, и разработали для него абсолютно новый набор команд.
Конвейеров стало больше
В итоге на свет появились набор команд IA-64 и реализованная в нем технология EPIC, предусматривающая возможность параллельной обработки большего числа команд. Разъясняя принципы технологии EPIC, управляющий по маркетингу Джейсон Уэксман уподобляет процесс обработки данных в микросхеме традиционному промышленному конвейеру. "Мы не стали наращивать скорость производственного конвейера, - поясняет он. - С помощью технологии EPIC мы как бы вмонтировали в ту же микросхему несколько конвейеров".
Традиционные процессоры тоже позволяют иногда параллельно выполнять несколько команд, но при этом ценные ресурсы процессоров расходуются на то, чтобы определить, какие именно команды могут быть обработаны параллельно. Иначе обстоит дело при использовании технологии EPIC: здесь эти решения заблаговременно принимаются программными компиляторами, так что код поступает в процессор как бы отформатированным для параллельной обработки несколькими конвейерами. "При решении такой задачи, как планирование использования ресурсов, роль интеллектуального агента играет компилятор, - поясняет Круэлл. - В прошлом же эта функция возлагалась на аппаратные средства". Надо отметить, что компилятор не просто освобождает процессор от решения этих задач. Он решает их быстрее, так что в процессе параллельной обработки выполняется больший объем работ.
Кроме того, в наборе команд IA-64 реализованы функции прогнозирования (что позволяет устранять ветвление кода, повышая тем самым уровень параллелизма) и предварительной интеллектуальной оценки данных (data speculation), позволяющей предугадывать, какие именно данные потребуются для выполнения команды, и сокращать тем самым время ожидания процессора и задержки при доступе к памяти. Наконец, в процессоре предусмотрено огромное число регистров - по 128 для выполнения целочисленных операций и операций с плавающей точкой, а это дает возможность сократить число обращений к памяти.
Первоначально предполагалось, что процессор Merced с набором команд IA-64 поступит на рынок в середине 1999 г. Но, как это часто бывает при выпуске в свет высококлассных микропроцессоров, его дебют был надолго отложен. "Разработка процессора мэйнфрейм-класса подобна запуску ракеты на Луну в миниатюре, - поясняет Круэлл. - Проект настолько масштабный и сложный, что обойтись без задержек трудно".
Сменив название процессора на Itanium, фирма Intel официально объявила о его выпуске в мае 2001 г. На кристалле имеется кэш первого уровня емкостью 32 Кбайт и 96-Кбайт кэш второго уровня. Процессор размещается в картридже, подобном картриджу процессора Intel Xeon. Картридж оснащается 2- или 4-Мбайт кэш-памятью третьего уровня, функционирующей со скоростью главного генератора тактовой частоты процессора. В настоящее время микросхема выпускается в 733-МГц и в 800-МГц вариантах. Если она применяется в тандеме с новым набором ИС 460GX, разработанным компанией Intel, то в ней используется 266-МГц шина, так что пропускная способность составляет 2,1 Гбайт/с.
Не будем забывать, что Itanium - всего лишь первая модель процессора с набором команд IA-64. Потенциал новой платформы реализован в нем не полностью, но по сравнению с конкурирующими RISC-процессорами он проявляет себя очень неплохо. Окончательных сравнительных оценок производительности пока не проводилось, поскольку работа по перенесению приложений на новую архитектуру еще не завершена, однако уже первые результаты предварительного анализа весьма интересны. Отметим сразу, что журнал PC Magazine планирует провести всестороннее тестирование процессора, но уже сегодня можно составить первое представление о его быстродействии на основе предварительных испытаний, проведенных фирмой Intel, нашей редакцией и другими организациями.
Испытания на производительность с использованием фирменного протокола защиты на уровне гнезд (SSL) и на скорость оперативной обработки транзакций OLTP (Оnline Тransaction Рrocessing) показали, что в такой сфере применения, как электронная торговля, Itanium обеспечивает более высокое быстродействие, нежели аналогичным образом сконфигурированные микропроцессоры UltraSPARC. По числу защищенных Web-транзакций, совершаемых за одну секунду, Itanium/800 приблизительно в шесть раз превзошел аналогично сконфигурированную ИС UltraSPARC 11/400.
При выполнении оперативной обработки транзакций производительность Itanium/800 была примерно на 30% выше, чем у 750-МГц процессора UltraSPARC III. Особенно отличился Itanium на тесте Linpack 1000, определяющем скорость выполнения операций с плавающей точкой при проведении технических расчетов; здесь производительность процессора UltraSPARC III/750 была перекрыта почти вдвое. По итогам теста STREAM, оценивающего пропускную способность системной памяти, Itanium опередил UItraSPARC III/750 примерно на 60%. Наконец, как показали испытания с использованием пакета Nastran, по скорости выполнения программ для автоматизации инженерных расчетов процессор Itanium почти в четыре раза опередил UltraSPARC 11/400.
Разумеется, речь идет о тестах, опубликованных фирмой Intel; поэтому неудивительно, что Itanium вышел вперед с большим отрывом. Но когда мы испытали одну из первых моделей четырехпроцессорного сервера Dell PowerEdge 7150, то получили результаты, вполне согласующиеся с показателями, приведенными Intel.
Пока же достаточно сказать, что преимущества архитектуры IA-64 смогут ощутить организации, которые применяют серверы с огромными базами данных или хотят оснастить серверную СУБД встроенными средствами безопасности. Пользователи рабочих станций окажутся в выигрыше от перехода на новую архитектуру в том случае, если в приложениях, с которыми они работают, интенсивно используются операции с плавающей точкой или если они проектируют сложные системы и сборки. Чтобы вынести окончательное суждение, нам потребуется провести новые межплатформные испытания с множеством различных приложений.
Компания Standard Performance Evaluation Corp. (SPEC) разработала 64-разрядную версию своего заслужившего хорошую репутацию набора испытательных программ SPEC CPU2000. В его состав входят тест SPECint2000, с помощью которого измеряется быстродействие процессора на целочисленных операциях, и более жесткий тест SPECfp2000, выявляющий не только быстродействие процессора на операциях с плавающей точкой, но и производительность памяти и кэша.
По словам Круэлла, при выполнении операций с целыми числами показатели нового процессора были сопоставимы с результатами других ведущих ИС, но на операциях с плавающей точкой Itanium не знал себе равных. "По итогам тестов SPEC INT этот процессор не хуже других, но большего не скажешь, - поясняет Круэлл. - А вот оценки SPEC FP поистине феноменальны, намного выше, чем у UltraSPARC, Alpha и PA-RISC. Конкуренты попросту посрамлены".
Нельзя сказать, что новая платформа принципиально неспособна эффективно справляться с выполнением целочисленных команд. По утверждению Круэлла, следующий за Itanium процессор на базе набора команд IA-64 под кодовым названием McKinley будет иметь гораздо более высокое быстродействие на операциях с целыми числами. "В новой модели будут решены некоторые проблемы, характерные для процессора Itanium, - поясняет он. - Прежде всего это различные факторы, снижающие эффективность конвейеров. К тому же процессор будет иметь больше вычислительных ресурсов и гораздо более скоростную шину". На первых стадиях проектирования Itanium считалось, что 2,1-Гбит/с пропускная способность системной шины более чем достаточна, но по сегодняшним меркам это уже пройденный этап. В модели Pentium 4, к примеру, этот показатель составляет 3,2 Гбит/с.
Но даже в своей первоначальной версии процессор обеспечит существенный рост производительности при работе с программами корпоративного уровня (такими, как приложения ERP, объемные базы данных, а также ПО для научно-технических расчетов), если, как мы уже отмечали, эти приложения будут перенесены на новую платформу. Результаты выполнения 32-разрядных версий лабораторных тестов SPEC говорят о том, что с кодом x86 новый процессор работает из рук вон плохо.
Теперь дело за поставщиками ПО
Проблема в том, что рынок программных средств для процессора Itanium еще только формируется, и на сегодня в продажу поступило лишь небольшое число программ для новой платформы. Правда, предварительные версии машин и операционных систем, созданных "под Itanium", попали в распоряжение разработчиков уже несколько месяцев назад, так что компании смогли хорошо подготовиться к "запуску" 64-разрядных приложений. Однако законченные версии серверов и рабочих станций поступили на рынок лишь в июле (см. врезку Dell PowerEdge 7150), а некоторые операционные системы для процессора Itanium до сих пор не прошли бета-тестирования. Многие разработчики выжидают, полагая, что, пока рынок не достиг зрелости, нет смысла переносить прикладные программы на Itanium.
В настоящий момент такие производители ПК, как Compaq, Dell, HP и IBM, поставляют машины на базе процессора Itanium, которые функционируют под управлением различных 64-разрядных операционных систем, находящихся на разных этапах разработки. Так, фирма HP предлагает потребителям свой оснащенный процессором Itanium сервер HP 9000 с готовыми версиями ОС Red Hat Linux и HP-UX Unix (последняя - собственной разработки), а также с бета-версией первой 64-разрядной серверной ОС Windows Advanced Server Limited Edition корпорации Microsoft. А компания IBM поставляет серверы xSeries 380 в комплекте с новой, учитывающей особенности архитектуры процессора Itanium версией своей UNIX-подобной операционной системы AIX.
Но уже через несколько месяцев большинство ОС, находящихся ныне в стадии бета-тестирования, будет доведено до требуемых кондиций и официально поступит в продажу. Microsoft завершила работу над системой Windows Advanced Server Limited Edition - в ее названии нет аббревиатуры XP, однако она оснащается тем же графическим интерфейсом, что и Windows XP, так что поставщики ПК уже могут устанавливать ее на различные машины по своему усмотрению. За ней последует новая версия под названием Windows.Net. Между тем сейчас на рынок без лишнего шума поступило несколько других, UNIX-подобных операционных систем, а финальная версия Windows XP 64-Bit Edition, разработанная Microsoft для рабочих станций Itanium, уже поступила в продажу.
Когда же подготовка операционных систем будет завершена, на рынке станут появляться все новые прикладные программы. На Web-узле Itanium корпорации Intel размещен список компаний, взявшихся за разработку приложений для новой платформы. В этом списке, включающем более 100 фирм, такие имена, как Oracle, PeopleSoft и SAP. Некоторые из них начнут выпуск новых приложений, как только в продаже появятся 64-разрядные ОС Microsoft, тогда как у других перенос кода на новую платформу займет еще несколько месяцев.
Хорош процессор, но станут ли его покупать?
Конечно, учитывая теперешнее состояние рынков аппаратных и программных средств, можно смело утверждать, что пройдут еще долгие месяцы, прежде чем сформируется устойчивый спрос на процессор Itanium. Но трудности, связанные с распространением нового процессора, не исчерпываются отсутствием в продаже новых систем и приложений. По мнению Стива Гринберга, специализирующегося на рынке серверов аналитика исследовательской фирмы ARS, изделиям фирмы Intel придется по-прежнему испытывать конкуренцию со стороны старых добрых RISC-процессоров. "RISC-системы уже имеют определенную репутацию, люди знают, что они надежны, - поясняет эксперт. - А процессору Itanium еще предстоит бороться за нее. Сначала придется устранять недоработки, без которых не обходится выпуск нового процессора".
Кроме того, многие покупатели из осторожности не станут переходить на новую платформу до дебюта процессора McKinley, выпуск которого намечен на первую половину 2002 г. К тому времени Intel уже будет располагать отзывами пользователей, проработавших с процессором Itanium в течение нескольких месяцев, и разработчики смогут внести в 64-разрядную архитектуру некоторые усовершенствования. "Это как с покупкой автомобиля, - поясняет Гринберг. - Люди предпочитают потерпеть лишний год и дождаться выхода новой модели. Здесь логика та же. Дескать, раз уж придется выкладывать так много денег, почему бы не дождаться появления McKinley?".
AMD, как всегда, наступает на пятки
А к тому времени у новой платформы появятся новые конкуренты - изделия фирмы AMD, которая начнет выпуск своих 64-разрядных ИС. Сегодня они имеют рабочие названия Clawhammer и Sledgehammer. Разработчики AMD не пошли по пути коллег из Intel. Вместо того чтобы создавать новый набор команд, они просто расширили существующий набор x86 до 64 разрядов.
Эти процессоры тоже смогут полностью реализовать свои возможности лишь в том случае, если приложения будут создаваться специально для их архитектуры, но оснащенные ими машины, вероятно, смогут выполнять 32-разрядные программы гораздо быстрее, чем ПК на базе Itanium. "В 64-разрядной среде AMD старые программы будут работать просто прекрасно, - утверждает Круэлл. - Это будет хорошее решение для тех, кто пока не готов полностью перейти на новую архитектуру, например для пользователя, которому нужно выполнять одну 64-разрядную программу и у которого в то же время есть масса рабочих 32-разрядных программ, необходимых для бизнеса".
Кроме того, по мнению аналитиков отрасли, этот процессор по крайней мере на первых порах будет иметь гораздо большую тактовую частоту, нежели Itanium. Ожидается, что первые модификации McKinley будут иметь тактовые частоты от 1 до 1,4 ГГц, тогда как у семейства процессоров Sledgehammer фирмы AMD "стартовые" частоты будут в пределах 2,5-3 ГГц.
Правда, кое-кто полагает, что в дальней перспективе Itanium и его преемники продемонстрируют гораздо большие возможности. Дело в том, что корпорация Intel решила разработать новый набор команд для этой ИС как раз из-за недостатков, изначально присущих архитектуре x86. Вот что говорит по этому поводу Круэлл: "В наборе команд x86, который по-прежнему используется в новых процессорах AMD, изначально заложены некоторые ограничения и неудобства. В нем нет большого числа регистров, характерного для Itanium, что затрудняет компилирование и планирование". Разрабатывая Itanium, специалисты Intel не стремились добиться, как раньше, инкрементного прироста производительности при выполнении существующих программ. Цель у них была иная: пересмотреть способ выполнения программ и обеспечить тем самым такой уровень быстродействия, который недостижим для процессоров x86. Первый Itanium не смог до конца разрешить эту задачу, однако возможности, заложенные в архитектуре этого процессора, не оставляют сомнений в том, что со временем цель будет достигнута. По мнению Гринберга, на процессорах Itanium с 64-разрядной архитектурой вскоре будут построены серверы, рабочие станции и множество компьютерных систем.
Так что будущее уже наступило. Нужно только какое-то время, чтобы большинство из нас освоились с ним.
