Мини-интернет

Сегодня типичный чип может иметь шесть или восемь ядер, все из которых взаимодействуют друг с другом по одному пучку проводов, называемому шиной. Однако с шиной одновременно может взаимодействовать только одна пара ядер, что было бы серьезным ограничением для чипов с сотнями или даже тысячами ядер, которые многие инженеры-электрики рассматривают как будущее вычислительной техники.

Ли-Шиуан Пе, адъюнкт-профессор электротехники и компьютерных наук в Массачусетском технологическом институте, хочет, чтобы ядра взаимодействовали так же, как компьютеры, подключенные к Интернету: объединяя информацию, которую они передают, в "пакеты". У каждого ядра был бы свой собственный маршрутизатор, который мог бы отправлять пакет по любому из нескольких путей, в зависимости от состояния сети в целом.

На конференции по автоматизации проектирования в июне Пех и ее коллеги представят документ, который она описывает как "подведение итогов 10-летних исследований" таких "сетей на кристалле". Исследователи не только устанавливают теоретические пределы эффективности сетей связи на кристалле с коммутацией пакетов, но также представляют измерения, выполненные на тестовом чипе, в которых они были очень близки к достижению нескольких из этих пределов.

Последняя остановка автобусов

В принципе, многоядерные чипы быстрее одноядерных, потому что они могут разделять вычислительные задачи и запускать их на нескольких ядрах одновременно. Ядрам, работающим над одной и той же задачей, иногда потребуется обмениваться данными, но до недавнего времени количество ядер в коммерческих чипах было достаточно низким, чтобы одна шина могла справиться с дополнительной нагрузкой на связь. Однако это уже меняется: "Автобусы достигли предела", - говорит Пех. "Обычно они масштабируются примерно до восьми ядер". 10-ядерные чипы, используемые в высокопроизводительных серверах, часто добавляют вторую шину, но этот подход не будет работать для чипов с сотнями ядер.

Во-первых, говорит Пех, "шины потребляют много энергии, потому что они пытаются одновременно подключать длинные провода к восьми или 10 ядрам". С другой стороны, в сети того типа, который предлагает Peh, каждое ядро взаимодействует только с четырьмя ближайшими к нему ядрами. "Здесь вы подключаете короткие отрезки проводов, что позволяет снизить напряжение", - объясняет она.

Однако в сети на кристалле пакет данных, передаваемый от одного ядра к другому, должен останавливаться на каждом промежуточном маршрутизаторе. Более того, если два пакета поступают на маршрутизатор одновременно, один из них должен храниться в памяти, пока маршрутизатор обрабатывает другой. По словам Пех, многие инженеры обеспокоены тем, что эти дополнительные требования приведут к достаточным задержкам и вычислительной сложности, чтобы свести на нет преимущества коммутации пакетов. "Я думаю, самая большая проблема заключается в том, что в промышленности прямо сейчас люди не знают, как строить эти сети, потому что это были автобусы на протяжении десятилетий", - говорит Пех.

Дальновидное мышление

Пех и ее коллеги разработали два метода для решения этих проблем. Один из них - это то, что они называют "виртуальным обходом". В Интернете, когда пакет поступает на маршрутизатор, маршрутизатор проверяет информацию о его адресе, прежде чем решить, по какому пути его отправить. Однако при виртуальном обходе каждый маршрутизатор отправляет предварительный сигнал следующему, чтобы он мог настроить свой коммутатор, ускоряя передачу пакета без дополнительных вычислений. По словам Пех, в тестовых чипах ее группы виртуальный обход позволил очень близко подойти к максимальным скоростям передачи данных, предсказанным теоретическим анализом.

Другой метод - это то, что называется сигнализацией с низким колебанием. Цифровые данные состоят из единиц и нулей, которые передаются по каналам связи в виде высокого и низкого напряжения. Сунхен Парк, аспирант, консультируемый как Peh, так и Анантой Чандракасан, профессором электротехники Джозефа Ф. и Нэнси П. Кейтли, разработал схему, которая уменьшает колебания между высоким и низким напряжениями с одного вольта до 300 милливольт. Благодаря сочетанию виртуального обхода и передачи сигналов с низкой частотой, тестовый чип исследователей потреблял на 38 процентов меньше энергии, чем предыдущие тестовые чипы с коммутацией пакетов. По словам Пех, исследователям предстоит проделать еще большую работу, прежде чем энергопотребление их тестового чипа приблизится к теоретическому пределу, как и скорость передачи данных. Но, добавляет она, "если мы сравним это с автобусом, мы получим экономию на порядки".