¿Hay un Cell en su futuro?  

A principios de este año, Sony, Toshiba e IBM anunciaron conjuntamente el desarrollo de un nuevo chip, cuyo nombre en clave es Cell, que esperan que haga estragos en las arquitecturas tradicionales.

El chip Cell contiene un núcleo Power de IBM, dinámico, de 64 bits y capaz de ejecutar dos hebras simultáneamente, semejante al núcleo del procesador POWER5 que utilizan los iSeries actuales. No obstante, a diferencia de la mayoría de los chips de procesador convencionales, Cell también incluye ocho elementos SPE (Synergistic Processing Element). Puede que ya se imagine que son esos elementos SPE los que hacen de Cell un chip especial. IBM describe el producto como un "sistema en un chip" (o SOC, siglas de system on a chip). En Sony prefieren llamarlo "superordenador en un chip". Independientemente de su nombre, el nuevo chip Cell probablemente será el modelo en que se basarán los chips del futuro.

A un nivel muy alto, es posible imaginarse el chip Cell como un procesador principal acompañado por ocho procesadores de E/S (IOP). Esta configuración debería resultarles familiar a los forofos del AS/400 y el iSeries. Tampoco les debería sorprender que el laboratorio de IBM en Rochester (Minnesota) haya diseñado parte del chip Cell, además de las vías de datos de altísima velocidad que conectan los nueve procesadores con el mundo exterior.

¿Veremos un chip Cell o algo parecido en un futuro modelo iSeries? La respuesta es "sí y no". El propio chip Cell probablemente no se instalará en ningún modelo iSeries, pero su diseño sin duda influirá en el de los futuros procesadores del iSeries. Así que vale la pena conocer más de cerca este chip para conocer cuál será su influencia en los diseños de los próximos iSeries.

Un Cell para todo el mundo
En marzo del año 2001, un equipo de ingenieros de IBM, Sony Corporation, Sony Computer Entertainment Inc. (a Sony y a Sony Computer Entertainment generalmente se les denomina Sony Group) y Toshiba Corporation empezaron a trabajar en el chip Cell en un centro de diseño conjunto instalado en Austin (Tejas). La idea era crear un chip de procesador que incorporara las avanzadas tecnologías multiproceso utilizadas en los servidores de IBM, en los sistemas de entretenimiento de Sony Group y en los semiconductores de Toshiba. Un chip así podría utilizarse para una gran variedad de productos, desde consolas hasta superordenadores.

La mayoría de las noticias concernientes al chip Cell se han centrado en su uso en la consola PlayStation 3 (PS3) de Sony, que la empresa tiene previsto lanzar en la primavera de 2006. Sony espera vender 22 millones de PS3 en los dos primeros años. Sin embargo, ésta es sólo una de las facetas del nuevo chip.

Sony pretende utilizar el procesador en servidores domésticos y en televisores de alta definición (HDTV) en el año 2006. Toshiba también prevé presentar por las mismas fechas su primer producto basado en el chip Cell: un televisor HDTV. Toshiba ya ha demostrado que utilizando un solo Cell es posible decodificar simultáneamente 48 canales de vídeo MPEG-2 distintos. El equipo de demostración leía, decodificaba y proyectaba en una gran pantalla dividida en 8 x 6 celdas los 48 canales de vídeo distintos. Muy pronto, ver la televisión ya no va a ser lo mismo.

La arquitectura multinúcleo de Cell y sus posibilidades de comunicación de altísima velocidad proporcionan un rendimiento en tiempo real impresionante para las aplicaciones destinadas al ocio y multimedia. En muchos casos, Cell ha obtenido un rendimiento 10 veces superior al de los procesadores Intel Xeon más recientes para este tipo de aplicaciones y han doblado su rendimiento en aplicaciones exclusivamente de coma flotante.

Para ayudar a los desarrolladores a escribir programas nuevos, IBM ha presentado un sistema operativo Linux basado en Cell, así como ejemplos de software de código libre que pueden utilizarse con herramientas de desarrollo de IBM. IBM y sus socios parecen estar decididos a situar en la mejor posición posible a Cell en el mercado de los equipos de ocio conforme la tecnología sigue infiltrándose en nuestros hogares. El mercado doméstico aún es un mercado emergente que no domina ningún fabricante y Cell es perfecto para televisores, decodificadores digitales y un montón de otras aplicaciones multimedia.

Aunque es cierto que Cell será compatible con aparatos electrónicos de consumo y en sistemas operativos de consolas, no está diseñado para usarse únicamente en dispositivos destinados al ocio, como mucha gente parece creer. De forma similar a POWER5, el chip Cell tiene una arquitectura multinúcleo que permite la ejecución de múltiples hebras, capaz de admitir simultáneamente varios sistemas operativos en particiones lógicas. Linux es el primer sistema operativo de propósito general compatible con Cell. Por consiguiente, Cell también se utilizará en estaciones de trabajo gráficas profesionales, equipos médicos de gestión de imágenes y otras aplicaciones que exigen un gran rendimiento. A principios de año, IBM hizo una demostración de un servidor blade que tenía dos chips Cell y 1 GB de memoria. Un bastidor con siete de estos servidores permitiría disponer de un poderoso superordenador.

Dentro de Cell
El chip Cell inicial integra 234 millones de transistores y está fabricado con tecnología SOI (silicio sobre aislante) de 90 nanómetros. Se trata de la misma tecnología que la que utiliza IBM para sus chips POWER5+. Como decía antes, tiene un sólo núcleo de procesador Power de 64 bits y ocho SPE.

El procesador Power del chip Cell se diseñó en el laboratorio de IBM de Austin (Tejas). Su arquitectura es totalmente de 64 bits con ejecución simultánea de múltiples hebras (SMT) de dos vías parecida a la del procesador POWER5. Tiene una caché de instrucciones L1 de 32 KB, una caché de datos L1 de 32 KB y una caché compartida L2 de 512 KB. Este procesador también es totalmente compatible con las particiones lógicas.

Además del procesador Power central, incluye ocho SPE de 32 bits. El procesador Power central controla todos esos elementos de proceso. Las interconexiones entre el procesador central y los SPE, así como las comunicaciones entre chips y la E/S, fueron responsabilidad del laboratorio de Rochester.

Las SPE están conectadas entre sí y al procesador Power central mediante un conjunto de cuatro canales de datos de 128 bits diseñados por los ingenieros de Rochester. Estos canales de datos también están conectados con la memoria caché L2 y con la controladora de memoria integrada en el chip.

Para las conexiones externas con la memoria y la comunicación con el resto del sistema, los ingenieros recurrieron a Rambus, un fabricante de chips de memoria. Cell incluye una controladora de memoria de dos canales que actualmente se conecta a un máximo de 256 MB de memoria ultra rápida Rambus XDR. De la comunicación con el resto del sistema se encarga el bus FlexIO de Rambus. Esta interfaz de E/S también permite una comunicación rapidísima de chip a chip entre distintos procesadores Cell, del mismo sistema o de un sistema externo. Con este diseño, los ingenieros fueron capaces de conseguir un ancho de banda total de E/S jamás visto de aproximadamente 100 GBps. El mejor diseño hasta entonces había alcanzado entre 20 y 32 GBps.

Cada SPE es una potente herramienta para ejecutar cálculos matemáticos en coma flotante en precisión sencilla o doble. Como cada SPE está subordinado al procesador central, el SPE no necesita la compleja lógica de encolado de instrucciones típica de un ordenador moderno de un solo procesador. Cada SPE recibe órdenes del procesador Power central, que gestiona toda la planificación y distribución de los datos a los SPE. El único objetivo del SPE es la velocidad.

Hablando de velocidad, en un prototipo de procesador Cell se ha conseguido una velocidad de reloj de 4 GHz, aunque inicialmente las implementaciones comerciales probablemente se ejecuten a una velocidad de 3,2 GHz. Un Cell a 4 GHz es capaz de alcanzar una velocidad de proceso máxima teórica de 256 gigaflops, lo que lo sitúa instantáneamente a la cabeza de los diseños de superordenadores de varios chips del futuro. Un gigaflop son mil millones de operaciones en coma flotante por segundo (FLOPS).

Para que pueda hacerse una idea de lo que representa esa velocidad, sepa que Intel entregó al Departamento de Energía de los Estados Unidos el primer superordenador del mundo que alcanzaba una velocidad en teraflops (mil gigaflops) en diciembre de 1996. Ese superordenador tenía 9.216 procesadores Pentium Pro empaquetados en 85 armarios. Ocupaba unos 150 metros cuadrados de superficie y requería 800 kilovatios (kW) de potencia. Hoy en día, con sólo cuatro minúsculos chips Cell se conseguiría el mismo rendimiento que el del superordenador más rápido hace menos de 10 años. Impresionante para tratarse del chip que se instalará en su televisor.

A propósito, IBM está preparándose para presentar al mundo el primer superordenador capaz de alcanzar velocidades de petaflops (un millón de gigaflops). Se llama Blue Gene, lo está desarrollando el laboratorio de Rochester de IBM y pertenecerá al Departamento de Energía. Versiones reducidas de Blue Gene poseen la mayoría de los récords de rendimiento en supercomputación. El procesador de Blue Gene también está basado en la arquitectura Power.

¿Cuál es la importancia de Cell para el iSeries?
Cell es de hecho un chip de procesador muy especializado. No se ha diseñado para ejecutar aplicaciones de propósito general. No está pensado para ejecutar sistemas operativos, como OS/400. Entonces, ¿por qué hemos de interesarnos por él?

El diseño de Cell señala la dirección que podemos esperar que sigan los chips de procesador de los futuros servidores iSeries. Las reglas han cambiado por lo que se refiere al diseño de los procesadores (consulte el artículo "Cambian las reglas del juego", publicado en el número 151, de febrero de 2005). Ya no podemos basarnos únicamente en la velocidad del reloj para conocer el rendimiento de un chip.

Los diseñadores de chips han topado con algunas barreras tecnológicas que les impiden utilizar sólo la velocidad de reloj para aumentar el rendimiento. Por ejemplo, en el Intel Developer’s Forum celebrado en la primavera del año 2003, Intel presentó un plan en el que preveía producir procesadores de 10 GHz en apenas 18 meses. Obviamente, ni Intel ni nadie ha logrado construir todavía procesadores de 10 GHz. Las limitaciones tecnológicas están obligando a los ingenieros y diseñadores a buscar otras formas de diseñar los chips de procesador.

En IBM estamos utilizando lo que denominamos un enfoque holístico del diseño de procesadores. Tradicionalmente, los diseñadores de chips tenían que amoldarse a las reglas dictadas por la tecnología de semiconductores, la construcción de transistores individuales y la forma en que éstos se montaban en circuitos en el chip. Un enfoque holístico, en cambio, implica que esos diseñadores se involucrarán en el empaquetado de los chips, determinarán cómo se integran en el sistema y, lo que es más importante, aprenderán de qué manera interactuarán con el software del sistema. Los tiempos en que se construía un procesador para entregárselo a los diseñadores de software han terminado.

Un enfoque holístico significa atacar los problemas de diseño en todos los niveles, desde la investigación básica en semiconductores, hasta el diseño del software del sistema. IBM está en una situación de privilegio en el sector para poder hacer esto porque no sólo desarrolla y fabrica los chips, sino que también produce el software del sistema. Para garantizar que los mejores diseños están al alcance de todo el mundo, IBM hizo pública la arquitectura Power e invitó a otros a construir a su alrededor esta arquitectura común a través de un consorcio llamado Power.org.

Power.org es una comunidad abierta de desarrolladores, proveedores de herramientas y fabricantes que están creando estándares y aplicaciones en torno a la arquitectura Power de IBM. Sus objetivos son disponer de una "plataforma de desarrollo de hardware abierta y estándar para el sector de la electrónica", con estándares, especificaciones, directrices y modelos de programación recomendados abiertos. Esta apertura es a los procesadores lo que Linux es a los sistemas operativos: una base común que puede utilizarse para una enorme variedad de productos.

Los procesadores SOC son el futuro. Cell representa un primer ejemplo de SOC aunque el sistema está diseñado para un determinado tipo de aplicaciones. Hasta es posible que estos chips puedan adaptarse automáticamente a sí mismos en configuraciones optimizadas para aplicaciones empresariales. Los días en que el diseño de un procesador servía para todo tipo de aplicaciones están llegando a su fin.

Frank G. Soltis, del laboratorio de Rochester de IBM, es el creador de la arquitectura independiente de la tecnología utilizada en el AS/400 y el iSeries. Es director científico del iSeries en IBM y profesor de ingeniería de sistemas en la Universidad de Minnesota.