Chameleoni mezi procesory

7. 6. 2005

IBM a další společnosti se vrhly do závodu ve vytváření proměnlivých čipů

Dokonce i ve Spojených státech tvrzení dvou texaských vědců Douglase C. Burgera a Stephena W. Kecklera zní poněkud velikášsky. „Objevujeme znovu počítač,“ prohlašuje Keckler.
Letmý pohled na podporu, jíž se počítačovým odborníkům z Univerzity v Texasu dostává, některé pochybnosti zahání. Úzce s nimi spolupracuje společnost IBM, Pentagon a jeho Agentura pro pokročilé výzkumné projekty ve věcech obrany vědcům v roce 2001 poskytly jedenáct milionů dolarů. IBM nyní usilovně pracuje na tom, aby vznikl jejich první prototyp převratného čipu pro počítače. Technologičtí guruové jsou přesvědčeni, že pokud se sliby Burgera a Kecklera naplní, zrodí se v IBM nová rodina superčipů schopných provádět v každé vteřině biliony výpočtů.
Tak obrovská rychlost by byla fascinující sama o sobě. Představuje zhruba výkon superpočítače, který stál v roce 1997 padesát milionů dolarů. Ještě působivější je ovšem skutečnost, že čip dokáže přestavět své elektrické obvody doslova za pochodu – říká se tomu rekonfigurovatelné systémy. Pomocí nové technologie by příští generace Macintoshe od firmy Apple Computer mohla přebudovat obvody svého čipu PowerPC, aby na něm šel spustit software napsaný pro mikroprocesory od Intelu. Hudební přehrávač iPod by se stejně tak mohl změnit na kapesní počítač, anebo by se z něj po identifikaci příchozího hovoru stal mobilní telefon.
IBM se dá sotva označit za jediného výrobce ženoucího se za vidinou proměnlivých polovodičů. Na podobném nápadu pracuje každý velký dodavatel takzvaných logických čipů včetně firem Hewlett-Packard, Intel, NEC, Philips Electronics či Texas Instruments. Do honičky se kromě nich pustil i více než tucet začínajících společností, jako například Velogix, picoChip Designs nebo MathStar.
Postavit procesory na nové základy je velmi důležité, protože běžnému způsobu zvyšování výkonnosti, tedy přidávání tranzistorů, pomalu dochází pára. Čipy, které se objeví do roku 2008, budou mít obvody tak tenoučké, že by se na vyspělý mikroprocesor mohlo vejít asi 30 kilometrů slabounkých drátků. Energie, jež by byla zapotřebí k protlačení signálů tak dlouhými obvody, by mohla vyprodukovat příliš mnoho tepla a drátky roztavit.
Jedním ze způsobů, jak se tomu vyhnout, je rozdělit každou křemíkovou destičku na dva nebo více procesorů s kratšími obvody. Společnost Advanced Micro Devices už to dělá. Budoucí „dvoujaderné“ čipy od Intelu hodlají tento princip využívat ve virtualizační technologii zvané Vanderpool. Takové čipy dokážou sloužit dvěma operačním systémům zároveň – řekněme Windows XP a Linuxu – na každém z nich pak poběží jiné softwarové aplikace.

Chytrá konzole.

Mozkem herní konzole PlayStation 3 společnosti Sony, která má ambice zahltit koncem letošního roku japonský trh, bude devět procesorů: velký procesor PowerPC, jenž má dohlížet na osm jednodušších. Na vývoji tohoto vícejaderného čipu nazvaného Cell spolupracovaly společnosti IBM, Sony a Toshiba. Sony tvrdí, že díky mikroprocesoru Cell bude PlayStation 3 stejně výkonná jako superpočítač Deep Blue od IBM, který v roce 1997 sesadil z trůnu šachového velmistra Garryho Kasparova. A Toshiba předpovídá, že Cell odstartuje novou generaci „chytrých“ televizí s vysokým rozlišením a další rozvoj spotřební elektroniky.
Cell má ještě další možnost rekonfigurovatelnosti. Každá šupinka křemíku je poseta tisíci „pojistek“, eFuses. Pokud kontrolní okruh čipu zaznamená někde poruchu, odpojí danou část vyhozením jedné z pojistek a využije náhradní okruh připravený v záloze.
Čipy Power5 od IBM dostaly tutéž technologii. Pro počítačového giganta mají pojistky ekonomický přínos: IBM může vychrlit vysoké objemy identických čipů, pak vyhodí některé pojistky a čip ušije namíru pro konkrétní trh. „Grafický procesor se musí nakonfigurovat jedním způsobem pro počítač od IBM a jiným způsobem pro Macintosh,“ poznamenává Subramanian Iyer, spoluvynálezce technologie eFuse. „Dříve jsme museli vyrobit dva různé čipy a pokusit se odhadnout, kolik kterých budeme potřebovat. Teď zkrátka uděláme jenom jeden,“ tvrdí.
Pokud jde o pohotovost, jsou současnou chuťovkou rekonfigurovatelnosti programovatelná hradlová pole (field-programmable gate array, FPGA). Představte si je jako drátěnou mřížku s křemíkovými semafory na každé křižovatce. Speciální řídicí instrukce zapojují červená a zelená světla a vedou elektronické signály po konkrétní dráze. Tento proces může načrtnout klikatou cestičku nového obvodu mnohotisíckrát za vteřinu. Čip proto na zakázku vytvoří obvod pro zpracování každého dalšího kroku v programu.
Takové čipy by dokonce mohly přeměnit cokoli elektronického na „masový trh s jediným výrobkem“, jak říká Ivo Bolsens, ředitel technologického oddělení společnosti Xilinx, dodavatele FPGA z kalifornského San José. „Řekněme, že si koupíte nový dálkový ovladač,“ vysvětluje, „Zpočátku je prázdný. Ale když ho donesete domů, rozpozná všechny přístroje, které doma máte. Odhalí výrobce a model televize, rozezná přehrávač DVD a audiosoupravu a přizpůsobí se tak, aby vysílal správné signály.“

Ďábelské programování.

Zatímco tato úroveň rekonfigurovatelnosti u spotřebního zboží je zatím stále ve vývoji, FPGA si nalézají cestu k velkým počítačům. Loni v únoru ohlásil průkopník superpočítačů, firma Cray, pozoruhodné výsledky s novým kompaktním systémem Cray XD1. Skládá se ze základních desek, z nichž každá nese po jednom čipu AMD a šesti polích FPGA. Přestože FPGA měla především sloužit k dešifrování kódů, výsledkem bylo tisícinásobné zvýšení rychlosti. „To není úplně běžné,“ připouští Steven L. Scott, vedoucí oddělení technologie společnosti Cray. Typičtější výsledky dostáváme při modelování geologických seismických dat pro ropné firmy. Tam je XD1 patnáctkrát až stokrát rychlejší.
Psaní programů, které přebudují elektrické obvody FPGA, je bohužel obtížné a časově náročné. Několik vědeckých institucí se přesto úporně snaží nádeničinu zjednodušit. Středisko superpočítačů v Ohiu například dává dohromady mix-and-match library, knihovnu kombinací různých softwarových modulů.
Programování čipu, který se vynořuje v Texasu, již nebude tak velký problém, uvažuje Burger, protože čip byl navržen přesně proto, aby tenhle úkol zjednodušil. Částečně se to podařilo s vícejadernými čipy předem nakonfigurovanými pro obecně logické operace, tam musí dopravní spínače pouze nasměrovat signály na správné jádro.
Burger odhaduje, že přechod na reprogramovatelné čipy se protáhne do dalšího desetiletí. Tsugio Makimoto, šéf technologického oddělení společnosti Sony, však předpovídá, že zlomovým bodem bude rok 2007. Očekává, že od té chvíle se přizpůsobivé čipy stanou při navrhování nových výrobků normou.
Počítačoví vizionáři věří, že reprogramovatelnost předznamená nové kolo digitální evoluce: všudypřítomnost počítačů. Prakticky všechno, čeho se doma dotknete, bude obsahovat čipy, které budou znát vás a vaše přání a budou umět bezdrátově hovořit se sousedními čipy. Pro novou éru připravuje Intel vícejaderný čip, a to nejen pro ovládání osobních počítačů, ale také televizí, domácích spotřebičů a kopírek. A bezdrátovému síťovému čipu nebo jádru bude jedno, jestli to brebentění vyprodukuje Bluetooth nebo WiFi – dva různé standardy bezdrátové komunikace. Prostě se přizpůsobí tomu, co bude zrovna v e-vzduchu.
Jak se to všechno podaří zatím není jisté. Současné technologie proměnlivosti čipů by snad mohly být ohroženy nějakým novým průlomovým objevem, například mřížkou podobnou FPGA, na níž pracuje Hewlett-Packard. Křemík by v ní měl být nahrazen levným vodivým plastem. Čipový experti se však překvapivě shodují v představě finálního přínosu. Všechna ta chytrá výbavička domácností, kanceláří a automobilů se propojí a žádný výrobek nebude moci ustrnout v čase kvůli čipu, který mu jednou namontovali v továrně. S proměnlivými čipy bude bez ohledu na rychlost, jakou se na nás povalí technické novinky, dokonce i vylepšování hardwaru jen otázkou stažení nové verze. Mistři převleků Pomocí rekonfiguravatelných čipů dokážou výrobky přebudovat své obvody pro zpracování různých typů signálů. Takhle fungují polovodiče známé jako programovatelná hradlová pole (FPGA):
Čipy FPGA obsahují miliony drobných „dopravních“ přepínačů, které se mnohotisíckrát za vteřinu mohou otevřít a zavřít jako na tomto zjednodušeném nákresu. Půjde-li například o aritmetickou úlohu, čip uspořádá přepínače tak, aby série elektrických signálů (zelené kuličky) byly provedeny obvodem a vykonaly sčítání (nahoře). Pokud bude následujícím zadáním vytvoření zvuků, dopravní přepínače se změní a vytvoří obvod na zpracování digitálního signálu (dole). Základní princip slibuje v brzké době vytvoření přizpůsobivých procesorů, které během okamžiku vytvoří z přehrávače iPod mobilní telefon nebo kapesní počítač.