Однокорпусный реконфигурируемый гибрид

В секторе производства полупроводников с прошлого года замечается насыщение. И чудес роста, показанных в 2013 и 2014 годах, никто уже не ожидает, прогнозы, мягко говоря, скромные. Ситуация обостряется и IoT истерией – для производителей микросхем она может предвещать увеличение объёмов производства с непропорциональным ростом прибыли (потому что IoT – это очень-очень много совсем дешёвого, настолько много, чтобы произошли качественные изменения).

Естественно, крупные производители, располагающие мощной производственной базой, не ориентированной на IoT-специфику, ищут способы расширения рынков сбыта и, само собой, новые «очень большие очень дорогие очень мощные» конструкции микросхем, способные обеспечить ROI в фабы и циклы проектирования.

Если уж столько раз использовалось слово «очень», то в таком контексте будем говорить в основном об Intel. Даже не из-за «системообразующей» роли в индустрии. А из-за масштаба инвестиций в R&D, который по данным «The 2016 McClean Report» в 2015 году составил $12,128 миллиардов (это 24% от общего объёма продаж полупроводниковой продукции).

К слову, наблюдения за динамикой процента затрат на R&D от объёмов продаж Intel позволяют косвенно рассмотреть признаки насыщения – в 1995 году этот показатель был всего 9,3% (менее одной десятой), теперь почти четверть. А технологическое насыщение, как процесс – это когда каждый новый шаг становится всё дороже. Что мы и видим.

Итак, о реакции Intel на технологическое насыщение. Дорогое и казавшееся многим аналитикам неочевидным приобретение корпорацией производителя программируемой логики Altera, в этом контексте начинает «звучать». Естественно, пока есть только просочившиеся ранние сведения, но их уже достаточно для описания ещё одного направления развития «больших микропроцессоров». Вероятный продукт, который станет первым шагом на этом направлении, выглядит так (в лучшем качестве иллюстрация не нашлась, но этого особо и не нужно):

Это «упакованный» в один корпус набор из CPU семейства Broadwell (по слухам, 15-ядерный) и мощная микросхема программируемой логики (FPGA) из «десятого поколения» старших устройств производства Altera (максимальные возможности блоков вычислений с плавающей точкой которых оцениваются на уровне 1,5 TFLOPS).

Опять же, по слухам (точнее, по логически обоснованным предположениям), соединяться внутри корпуса эти два вычислителя будут шиной QPI.

Решение объединения двух устройств в одном корпусе выглядит очень разумным (просто потому, что упрощает печатные платы за счёт сокращения числа выводов), как будет решена задача теплоотвода – пока тайна, но она без сомнения будет решена.

Так что в части «железа» стратегия создания «новой очень большой микросхемы» вполне очевидна и логична. И такие микросхемы прекрасно соответствуют производственным возможностям Intel и принятой в корпорации тактики частого перехода на новые технологические нормы с быстрой окупаемостью фабов.

Но такое «железо» само по себе – товар очень и очень спорный, если его возможности не утилизируются системным ПО, в первую очередь, компиляторами и наборами библиотек.

Реконфигурируемые вычислители – идея не новая, но в случае Intel-Altera мы впервые видим производителя, обладающего ресурсами, достаточными для превращения этой идеи в полноценную технологию.

Так что немного о системном ПО (увы, это пока только «не совсем слухи», просочившиеся крупицы информации).

Что в Intel работают над программной поддержкой реконфигурируемых гибридных вычислителей, подтверждается выступлениями вице-президента Data Center Group Джейсона Ваксмана на Open Compute Summit. Были упомянуты библиотеки RTL (register-transfer level, абстракция для описания синтезируемых синхронных цифровых схем), позволяющие создавать аппаратные ускорители для разных задач (например, шифрования-дешифрования для SSL). И, естественно, речь шла о будущей принципиальной открытости этих библиотек (в противном случае ни о каком серьёзном продвижении новой платформы речи идти не может, весь смысл реконфигурируемых вычислителей – в открытости и мощной поддержке процесса задания и изменения конфигураций аппаратных ускорителей). Это поверхностная и очевидная часть. Явно должна быть и скрытая.

В «пакете Altera» Intel получила доступ и к интеллектуальной собственности компании, связанной именно с синтезом цифровых схем на основе их моделей. Это очень специфический мир программирования, от которого далека основная масса сегодняшних программистов. А время сейчас идёт быстро, и условия требуют от Intel скорого вывода новой платформы на рынок. Что в совокупности обуславливает очень достоверную гипотезу – вместе с реконфигурируемой платформой Intel просто обязана вывести на рынок технологические средства, позволяющие утилизировать её возможности сразу, без нескольких лет на подготовку нового поколения программистов, которые «умеют и на традиционных языках программирования, и на HDL (языках для синтеза аппаратных средств)». Вероятнее всего, работа по созданию такой поддержки идёт полным ходом, но лучше не заниматься гаданиями, а присмотреться к реакции на эту тихую революцию в первую очередь публики из прикладной науки. Реакция есть, просто о ней много не пишут. Точнее, пишут, и даже много, но не в массовых изданиях. Совсем свежие научные сборники Springer, например, всё это подтверждают:

 
Это не монографии, а именно сборники. За ними – труд десятков учёных, причём всё это не «на горячую руку» (стало быть, для исследований выделялись гранты, и ведётся вполне упорядоченная работа изучения ниши реконфигурируемых вычислителей). И очень характерные области применения – финансовые и аэрокосмические расчёты. Области, где раньше технологической основой были мэйнфреймы, суперкомпьютеры и рабочие станции. И где сейчас невооружённым взглядом видна миграция в клауд-системы.

Всё сказанное выше в какой-то мере подтверждается и прошлогодней конференцией по высокопроизводительным вычислениям, показавшей, что у Intel уже есть конкуренты – альянс Qualcomm, Xilinx, IBM. И, конечно, Microsoft, с проектом Catapult. Причём понять кто из них опаснее сейчас очень непросто.

Если с альянсом производителей CPU, FPGA и системного ПО всё очевидно в силу схожести его с Intel-Altera, то с Microsoft всё непросто. Потому что, с одной стороны, Microsoft исключительно сильна в самом главном – в системном ПО, с другой стороны – зависима от поставщиков FPGA (в случае Catapult – от Altera). И Microsoft в проекте Catapult всё-таки решала частную задачу построения реконфигурируемой машины для задач классификации на основе алгоритмики «глубокого обучения» (deep learning). Это важный и большой опыт, но никак не сверхзадача построения новой платформы. Но есть и малозаметный аспект – Microsoft через специалистов с большим именем активно работает в суперкомпьютерных проектах масштаба TACC (Texas Advanced Computing Center), где применение гибридных реконфигурируемых вычислителей на основе FPGA планируется, и где задействованы такие серьёзные третьи стороны, как Impulse Accelerated Technologies с технологическим стеком трансляции программ на языке С в синтезируемые вычислители на основе FPGA.

Отдельный предмет обсуждения – суперкомпьютеры. Пока в их списке (TOP-500) нет машин с реконфигурируемыми FPGA гибридными вычислителями. И даже не факт, что такие машины как массовое явление появятся вообще. Скорее всего, суперкомпьютеры, как нечто уникальное и «микросерийное», всем игрокам интересны исключительно косвенно (и Intel в том числе, тем более, что не-Intel их почти и не осталось). Производителям необходимы большие рынки. Очень большие. Даже больше рынка оборудования для клауд-систем. Это диктует логика бизнеса и ROI. Что это будет? Новые рабочие станции с недостижимыми ранее показателями производительности? Вполне возможно. Новые управляющие машины для робототехники? Тоже вполне возможно. Эти два сектора неизбежно будут расти параллельно – насыщение рынков одновременно требует максимальной автоматизации и роботизации крупносерийного производства узлов и компонентов (для снижения себестоимости) и создания очень гибких, с большим количеством ручного труда, сборочных производств (для расширения спектра моделей или вообще «производства под заказчика», к такой стратегии приходят разные большие производители, от Levi’s до Mercedes). Естественно, сегментирование продуктов на фактически сборочном этапе, требует увеличения армии дизайнеров, конструкторов etc, основным рабочим инструментом которых всегда была рабочая станция.

В любом случае главным остаётся «некремниевая» составляющая – системное ПО. Чем лучше Intel (и Altera в её составе) удастся сократить дистанцию между «обычным кодом» и «языками синтеза аппаратных средств», в идеале – вообще её устранить, – тем больше рынков откроется новой платформе. И, что главное, такой инструментарий действительно станет The Next Big Thing, потому что вычислители с созданной «под задачу» архитектурой используются давно и убедительно доказали свою незаменимость, осталась «самая малость» – получить возможность формирования таких архитектур непосредственно из программы для универсального вычислителя.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365