Single-Chip Cloud Computer (SCC)

Diogo de Jesus PinaEverton Topan da Silva

Organizacao de ComputadoresProfessor: Alfredo Goldman vel Lejbman

Departamento de Ciencia da ComputacaoInstituto de Matematica e Estatıstica

Universidade de Sao Paulo

Sao Paulo2010

1

Sumario

1 Introducao 2

2 Programa de Pesquisa Tera-Scale 3

3 Visao sobre Cloud Computing 3

4 Arquitetura do Processador 34.1 Arquitetura do tile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

5 Consumo de Energia 7

6 Vantagens 8

7 Desvantagens 8

8 Por que Cloud Computer? 9

9 Perspectivas da Intel 9

10 Conclusao 10

11 Referencias 11

1

1 Introducao

A Intel Labs desenvolveu experimentalmente um processador denominadoSingle-Chip Cloud Computer (SCC). Este chip e feito de silıcio e possui 48nucleos, sendo este o maior numero de nucleos que a Intel ja colocou em umunico processador ate hoje. Esse chip foi desenvolvido para o estudo de pro-cessadores many-core, sua arquitetura e as tecnicas usadas para programa-los. A pesquisa com este chip faz parte do programa Tera-Scale da Intel eesta sendo realizada nos Estados Unidos, na Alemanha e na India. O obje-tivo desse trabalho e dar uma visao geral sobre as tecnologias utilizadas nesseprocessador que e uma aposta da Intel para o futuro dos computadores.

Figura 1: Processador SCC

2

2 Programa de Pesquisa Tera-Scale

O programa de pesquisa Tera-scale e um esforco mundial para avancara tecnologia dos computadores para a proxima decada. Este programa visaaumentar o desempenho e a capacidade dos computadores atuais para queseja possivel que um processador possa fazer cerca de 1 trilhao de operacoespor segundo. Alem disso o programa visa uma tecnologia verde, ou seja,aumentar o poder de processamento do chip e diminuir o consumo de energia.

Fazer com que os computadores cheguem a uma escala tera requer umnovo modo de construir processadores que podem ser pensados como umarede de poderosos computadores em apenas um chip.

A pesquisa tera-scale Computing esta investigando a tecnologia necessariapara que a Intel possa construir novos processadores com centenas de nucleosdaqui a 5 ou 10 anos, assim como o uso eficiente de plataformas e softwaressobre esses processadores. Existem mais de 100 projetos desse programa(tera-scale) sendo feitos pela Intel em todo o mundo.

3 Visao sobre Cloud Computing

Nos dias de hoje muito se fala em Cloud Computer, que e o uso derecursos de hardware e/ou de software de outro computador por meio deuma rede, seguindo o modelo da computacao em grade, e possıvel ate mesmousar um sistema operacional exclusivo fornecido por um servidor da nuvem.A computacao nas nuvens, vem se difundindo muito devido ao aumento debanda ao baixo custo e pelo fato de ser on demand, ou seja, pagar apenaspela aquilo que usar.

4 Arquitetura do Processador

Arquiteturalmente o chip assemelha-se a uma nuvem de computadores in-tegradas em um chip de silıcio. A nova arquitetura multi-core inclui inovacoespara escalabilidade e eficiencia de energia, incluindo uma comunicacao entreos nucleos melhorada e tecnicas que permitem que softwares configurarem avoltagem e a frequencia do chip para economizar energia. Isso representa amaior realizacao do programa de pesquisa da intel na escala tera.

3

O chip e composto basicamente de:

• 48 nucleos;

• 24 tiles com dois nucleos cada;

• Uma rede de 24 roteadores;

• Um controlador de voltagem

• 4 controladores de memoria DDR3 e

• Hardware que suporta a transmissao de mensagem.

Figura 2: Arquitetura do SCC

Um dos mais importantes aspectos da arquitetura de rede do SCC eque ela suporta expansao. Cada nucleo tem 2 nıveis de cache, porem naoha suporte de hardware para de coerencia entre nucleos, pois com isso foipossıvel simplificar o desenho e economizar energia. Portanto a coerenciadeve ser feita por software.

Cada controlador de memoria DDR3-800 x8 e capaz de enderecar ate16GB de memoria externa, portanto o chip e capaz de enderecar ate 64GBde memoria.

4

Os tiles sao conectados por uma rede 2D totalmente sıncrona, com umrigoroso controle de desempenho e energia. A unica interface entre o tile e oroteador e o mesh interface unit (MIU), e o roteador e a unica interface entreos tiles. O cache nao e muito eficiente, pois durante um evento de cache misso controlador de cache manda o endereco para o MIU, para decodificacaoe recuperacao. Cada core pode ter apenas uma solicitacao pendente entao,quando ocorrer um miss read o nucleo fica ocioso ate que o dado tenhachegado. Em miss write o nucleo continua operando ate que qualquer outrotipo de miss ocorra. Assim que o dado chega o processador continua comsua operacao normal.

Figura 3: Hierarquia de memoria

5

4.1 Arquitetura do tile

O SCC e dividido em tiles, os principais componentes de um tile sao:

• Dois nucleos baseados no PC54C, cada um com seu cacha L1 e L2associados

• Um roteador de 5 portas com uma banda de 256 GB/s da bisseccao

• Um mesh interface unit (MIU) que lida com todas as requisicoes dememoria

• Buffer de memoria

Figura 4: Arquitetura do tile

Os nucleos do SCC sao baseados no nucleo do P54C, alterado para au-mentar o cache L1 de instrucao para 16KB. Cada nucleo tem 16KB de cacheL1 e 256KB de cache L2.

O buffer de memoria e capaz de fazer rapidamente operacoes de leiturae gravacao. Tem 16kB e equivale a 512 linhas de cache. O principal uso doMemory buffer e a passagem de mensagem.

6

5 Consumo de Energia

Uma boa gestao de energia e um dos principais focos do chip. Para isso,ele permite que as aplicacoes tenham o controle de desligar cores e mudar osnıveis de desempenho, adaptando o uso para a energia mınima necessaria nomomento. O SCC pode rodar todos os 48 cores de uma vez sobre a faixa de25W a 125W e escolher varias voltagens e frequencia da malha de rede, assimcomo o conjunto de cores. Cada tile pode ter sua propria frequencia e gruposde 4 tiles podem ter sua propria voltagem, isso permite que o chip consumapouca energia se comparado a outros chips de varios nucleos, permitindoassim o seu enquadramento na computacao verde.

Figura 5: Controle de energia SCC

Uma parte dos multiplos domınios de voltagem e frequencia do SCC saoconfiguraveis na inicializacao (BIOS) e os outros podem variar dinamica-mente com o controle fino feito pelas aplicacoes. Quando o chip esta usandosua capacidade maxima cada nucleo trabalha a 1GHz e a rede trabalha a2GHz

7

Figura 6: Potencia

6 Vantagens

As vantagens do SCC e que ele e um micro datacenter, podendo serescalavel e de auto poder de processamento.

Alem disso, cada processador pode rodar um sistema operacional, comisso, podemos ter 48 SO’s rodando ao mesmo tempo, permitindo assim, umainteroperabilidade de sistemas sem precisar de virtualizacao ou abstracao dehardware.

O SCC trata a pilha de execucao de programas como sendo unica paracada so, individualizando-as.

Outra grande vantagem deste processador e o gerenciamento de energiaavancado, permitindo ter um chip de alto desempenho com um baixo con-sumo de energia.

7 Desvantagens

A grande desvantagem do SCC e que o cache nao e muito eficiente,fazendo com que os nucleos sejam utilizados sem necessidade ou fiquem es-perando respostas do cache, o que para grande volume de dados e SO’s po-dem fazer o chip perder muito o desempenho. O acesso a memoria e ao disco

8

rıgido podem ser gargalos em caso de muitos sistemas operacionais rodandoao mesmo tempo, ou de programas que busquem muitos dados.

Apesar da simplicidade de uso, o processador exige que muitas coisassejam gerenciadas por meio de software, podendo perder desempenho oudificultar a implementacao de softwares eficientes.

8 Por que Cloud Computer?

O nome SCC reflete o fato de que a arquitetura do chip assemelha-se a umcluster de computadores escalavel, tais como achamos na nuvens. De algummodo o SCC e um pequeno espelho de um datacenter da nuvem. Permitindoque cada nucleo possa rodar um sistema operacional separado, a pilha deexecucao age como em um computador individual e se comunica com outroscomputadores por passagem de pacotes pela rede

9 Perspectivas da Intel

A Intel acredita que o SCC e a plataforma de pesquisa ideal para aju-dar a acelerar o desenvolvimento de software para multiplos nucleos. Ospesquisadores ja portaram uma variedade de aplicacoes para o SCC, incluindoweb servers, modelos fısicos e analise de financas.

A pesquisa feita nesse chip esta em um estagio avancada, e esta em fasede pesquisa um novo chip com 80 nucleos, que usa basicamente as mesmastecnologias do SCC (divisao em tiles, rede dentro do chip para aumentar aescalabilidade, e gerenciamento de energia). Esse novo chip sera o primeiroa atingir 1 teraflop usando apenas 62W, enquanto o primeiro computador aconseguir alcancar um teraflop (ASCI Red - 1996), tinha aproximadamente10.000 processadores pentium rodando a 200MHz, e gastava 500kW pararodar e 500kW com refrigeracao.

Outra aposta da Intel e que cresca rapidamente o uso da plataformaSCC para fins academicos, o que ajudara ainda mais, o avanco rapido destatecnologia.

9

10 Conclusao

Com este trabalho pudemos conhecer o futuro dos processadores Intel etambem dos provaveis processadores em geral. A tendencia do futuro e queos processadores trabalhem de forma paralela a fim de aumentar a velocidadede processamento e conseguir evoluir cada vez mais a computacao.

Observamos tambem, que a linha tera-scale da Intel alem do desempenhose preocupa com a eficiencia energetica, conseguindo que seu processadorconsuma pouca energia eletrica, principalmente quando nao esta sendo usado.

Este processador possui diversos recursos interessantes tais como o usode mensagens para a comunicacao entre nucleos, uso de tiles para separargrupos de nucleos e a possibilidade de alterar a voltagem e a frequencia doprocessador.

Apesar da variedade de recursos que este processador possibilitara, eleainda nao possui muitos recursos que facilitem seu uso, dificultando o estudodessa nova plataforma.

10

11 Referencias

[1]http://techresearch.intel.com/ProjectDetails.aspx?Id=1

[2]http://techresearch.intel.com/newsdetail.aspx?Id=17#SCC

[3]http://en.wikipedia.org/wiki/Cloud computing

11