Уже давно в отрасли ИТ не приходилось слышать более амбициозного объявления, чем то, которое сделала компания Hewlett-Packard, анонсировав проект The Machine, по замыслу создателей уже к концу текущего десятилетия способный кардинально изменить ландшафт современной компьютерной индустрии. Доверяя авторитету HP, не будем забывать, что в жизни бывает всякое, в том числе и провалы самых, казалось бы, перспективных начинаний. Так, в конце 80-х годов HP пришла к выводу о неизбежном конце архитектуры RISC и предполагала совершить переворот, заменив популярные тогда процессоры на архитектуру с явным параллелизмом команд, позже названную EPIC (explicitly parallel instruction computing) и воплощенную впоследствии в нескольких поколениях процессора Itanium. Однако напугавшая многих инициатива обернулась провалом на фоне того, как архитектура x86, на которую тогда мало кто ставил, одержала грандиозную победу.

Объявленная инициатива The Machine намного масштабнее EPIC. Это удар сразу по трем направлениям: первое — отказ от универсальных процессоров в пользу кластеров из специализированных устройств; второе — замена медных проводников на кремниевую фотонику; третье — переход от нынешних многоуровневых систем хранения (DIMM, флэш-память, диски, ленты) к одноуровневой памяти на мемристорах (см. рисунок). Как следствие всех этих трех начинаний потребуется существенная реформа программного обеспечения — прежде всего нужно будет создать новые или глубоко модернизировать существующие операционные системы, и, конечно же, изменения затронут приложения. Несмотря на радикальность, ничто из перечисленного нельзя назвать неожиданным откровением: наброски к каждому из них были уже хорошо известны — универсализм фоннеймановской модели давно исчерпал себя, медь ограничивает пропускную способность каналов, а память во всех ее видах также нуждается в обновлении. Но чтобы менять все и сразу — это, безусловно, сенсация.

Компоненты The Machine
Компоненты The Machine

 

С момента создания в 1966 году HP Labs, из недр которой вышел проект The Machine, в лаборатории выполнено множество исследований, и к числу наиболее значимых относят работы, связанные с мемристорами. Первое сообщение о новой памяти под авторством сотрудников HP Labs («Демистификация мемристора») появилось в 2008 году и вызвало заметную волну в прессе [1, 2]. О потенциале мемристоров писали много, но потом интерес заметно спал, и HP Labs осталась если не единственной, то одной из немногих лабораторий, где продолжили работу над мемристорами, и вот сейчас исследователи демонстрируют результаты своей шестилетней деятельности.

Два других компонента The Machine известны по другим источникам. Кластер, собираемый из ядер специального назначения, — еще одна форма того, что сейчас называют гетерогенными компьютерными архитектурами, а кремниевая фотоника приобрела популярность благодаря усилиям Intel.

Поначалу обращение к гетерогенным системам казалось простым желанием ускорить параллельные вычисления за счет использования потенциала графических процессоров, но вскоре стало ясно, что область применения гетерогенных архитектур гораздо шире. Например, для Больших Данных требуется не только обрабатывать огромные массивы данных, но и учитывать их разнообразный характер и необходимость работы с ними в реальном времени. Для такого рода задач требуются не только CPU и GPU, но еще и сигнальные процессоры и процессоры с другими архитектурами. Ведущие производители активно развивают гетерогенность на процессорном уровне: Nvidia в проекте Project GPU; AMD в микропроцессоре Kaveri, который она называет APU — ускоренным (Accelerated) или настроенным на приложения (Application) с гетерогенной системной архитектурой HSA (Heterogeneous System Architecture); IBM Power8 включает ускоритель интерфейса памяти Coherent Accelerator Processor Interface (CAPI), служащий для интеграции чипов разных производителей с разной архитектурой. Пока нет достаточных сведений, чтобы судить о том, как HP представляет себе кластер, состоящий из ядер специального назначения, — видимо, это будет нечто аналогичное описанным выше подходам.

В 2006 году корпорация Intel совместно с Калифорнийским университетом продемонстрировала кремниевый лазер, объединяющий в себе излучение и распространение света по кремниевому волноводу, который стал первым практическим шагом в кремниевой фотонике. Появился шанс для создания оптических приборов с использованием технологии производства кремниевых микросхем, что позволит создавать высокопроизводительные оптические цепи для обмена данными между памятью и процессорами. Оптические каналы обладают на порядки большей пропускной способностью, чем существующие, а теоретический предел скорости передачи данных по оптоволокну оценивается в 10 Тбайт/с. Если использовать несколько лазеров, излучающих волны различной длины, то по одному каналу можно передавать одновременно множество потоков данных. Хотя исследования по фотонике начались еще в 1970-х годах, путь до практического применения оказался долгим по той причине, что из-за особенностей физики кремния, в отличие от арсенида галлия или фосфида индия, большая часть энергии уходит на нагрев, а не на излучение фотонов, что затрудняет его использование в качестве источника когерентного излучения. Есть и другие сложности, которые в Intel преодолели, создав перестраиваемый лазер и в 2005 году объявив о создании кремниевого лазера непрерывного действия на эффекте Рамана. Дальнейшие работы лаборатории Intel Photonics Technology доказали, что все компоненты, необходимые для оптических коммуникаций, можно изготовлять из полупроводников на базе уже имеющихся производственных технологий.

Для реализации технологии полупроводниковой фотоники необходимы шесть основных компонентов:

  • лазер, испускающий фотоны;
  • модулятор преобразования потока фотонов в поток информации для передачи между элементами вычислительной платформы;
  • волноводы, играющие роль «линий передачи» для доставки фотонов к местам назначения, и мультиплексоры для объединения или разделения световых сигналов;
  • корпус, необходимый для создания сборочных технологий и недорогих решений, которые можно будет использовать при массовом производстве;
  • демодулятор для приема потоков фотонов, несущих информацию, и их обратного преобразования в поток электронов, доступный для обработки;
  • электронные схемы для управления всеми компонентами.

Очередная волна интереса к кремниевой фотонике поднялась в начале текущего десятилетия, когда HP приоткрыла завесу секретности над своими разработками. В 2012 году прежний директор HP Labs Прит Банерджи заявил: «Будущее — за оптическими межсоединениями, процессорами с низким потреблением и новыми типами архитектур памяти». Он рассказал о создании оптической шины с пропускной способностью 1 Тбайт/с, а также о грядущих компьютерах на основе больших массивов высокопроизводительных процессоров с оптическими межсоединениями на уровнях плат и кристаллов и с энергонезависимой памятью на мемристорах. Тогда же Банерджи подтвердил информацию о том, что руководство компании значительно увеличивает бюджет HP Labs.

Сейчас HP совместно с корейским производителем чипов Hynix работает над созданием первых коммерческих версий памяти на основе мемристоров. Ожидается, что по скорости операций записи/чтения эти энергонезависимые устройства не будут уступать DRAM. Память на мемристорах — это именно то, что более других отличает The Machine от всего остального, существующего в компьютерном мире сегодня, — сложно представить себе энергонезависимое устройство, способное хранить петабайты данных и работающее со скоростью оперативной памяти. В основе мемристоров лежит уникальное свойство диоксида титана (TiO2) — этот полупроводник в чистом виде имеет высокое сопротивление, но если его легировать ионами кислорода в электрическом поле, то ионы дрейфуют в направлении электрического тока, в одну сторону, что понижает сопротивление, а подача тока в другом направлении перемещает примеси назад, увеличивая сопротивление TiO2 и восстанавливая исходное состояние. В результате возникает эффект гистерезиса, необходимый для сохранения состояния информации. Размеры мемристора измеряются несколькими нанометрами, а скорость срабатывания — наносекундами. Сейчас работа над этими устройствами ведется во многих лабораториях мира, в том числе и в России — в Тюменском университете на приобретенной модульной технологической платформе для формирования нанотехнологических комплексов.

Возможно, что в The Machine сохранится приближенная к процессорам память; вероятно, сохранятся и кэши, но главное то, что теоретически память на мемристорах позволит отказаться от любых остальных технологий хранения, объединив все в один массив. Помимо таких очевидных преимуществ, как возможность на порядки ускорить доступ к данным и неограниченное масштабирование, мемристоры позволят как минимум на порядок сократить энергопотребление. В современных системах подавляющая часть энергии уходит не на обработку, а на перемещение данных между уровнями памяти, тогда как мемристоры полностью это исключают. Невольно вспоминается притча про шаха и евнуха.

***

Бывший технический директор компании Sun Microsystems Грег Попадопулос, ныне возглавляющий крупную венчурную компанию, заметил: «От исследования до продукта огромный путь. Восхищаясь достижениями HP Labs, следует помнить о том, что преимущества The Machine станут ощутимыми для пользователей только тогда, когда машина будет поддержана операционными системами. Но если все обещанное состоится, то мы станем свидетелями переворота в ИТ». Директор HP Labs Мартин Финк придерживается того же мнения и отмечает, что в центре внимания лаборатории будет адаптация к The Machine операционных систем Windows, Linux, HP-UX, Tru64 и NonStop.

Литература

  1. Рич Фридрих, Прит Банерджи, Люэни Морелл. Открытые инновации // Открытые системы.СУБД. — 2010. — № 10. — С. 46–48. URL:http://www.osp.ru/os/2010/10/13006339 (дата обращения: 11.08.2014).
  2. Анатолий Горшечников, Бенджамин Чандлер и др. Применение мемристоров для создания электронного мозга // Открытые системы.СУБД. — 2011. — № 3. — С. 48–53. URL: http://www.osp.ru/os/2011/03/13008210 (дата обращения: 11.08.2014).

Леонид Черняк (osmag@osp.ru) — научный редактор, «Открытые системы. СУБД» (Москва).

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Купить номер с этой статьей в PDF