法同Intel為首的X86陣營(yíng)甚至ARM公司競(jìng)爭(zhēng),藍(lán)色巨人IBM主推的Power架構(gòu)一直處于曲高和寡的境地。與其類似的是,其一脈相傳的同門兄弟Cell/B.E(Cell Broadband Engine)如今的日子也不好過:這項(xiàng)IBM聯(lián)合索尼東芝共同開發(fā)的技術(shù)其未來在索尼宣布以億美元的價(jià)格將旗下芯片業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)讓給東芝之后被蒙上了一層陰影。不過,在不久前在上海舉行的一場(chǎng)頒獎(jiǎng)活動(dòng)上,IBM中國開發(fā)中心下一代計(jì)算系統(tǒng)軟件和生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)理王遠(yuǎn)洪展望了Cell/B.E.刀片服務(wù)器以及SDK的發(fā)展路線,顯示了該公司在此項(xiàng)技術(shù)上一如既往的熱情。他表示,未來Cell/B.E.將超越主要集中在游戲和HDTV等領(lǐng)域的現(xiàn)狀,向高性能計(jì)算、數(shù)字媒體、醫(yī)學(xué)影像、地震和金融服務(wù)等領(lǐng)域進(jìn)軍。

關(guān)注未來兩類應(yīng)用

簡(jiǎn)單回顧一下Cell/B.E.的發(fā)展歷程。IBM、索尼和東芝公司于2000年宣布開始合作開發(fā)面向游戲設(shè)備的處理器。2001年,三方在美國德克薩斯州的奧斯汀投資4億美元成立了Cell開發(fā)中心。2004年春天,基于Power架構(gòu)的第一代Cell處理器完成基本開發(fā)工作。幾個(gè)月后,每周期能夠分派兩個(gè)指令的第二代Cell處理器也很快誕生。2005年1月,備受矚目的Cell處理器終于第一次正式亮相。同年底,IBM發(fā)布了開放的源SDK軟件。2個(gè)月后,Cell三巨頭宣布將合作期限延長(zhǎng)5年,并繼續(xù)開發(fā)基于32nm的Cell處理器。

王遠(yuǎn)洪表示,與以往的同構(gòu)多核架構(gòu)不同,Cell處理器采用了異構(gòu)多核的架構(gòu)。由于每塊芯片包含了一個(gè)主處理單元(Power Processing Element,PPE)和八個(gè)協(xié)處理單元(Synergistic Processing Elements,SPE),并在設(shè)計(jì)時(shí)利用了分布式處理的理念,Cell/B.E.能夠利用將計(jì)算任務(wù)進(jìn)行分解,從而利用多個(gè)處理單元同步進(jìn)行子任務(wù)處理的方式進(jìn)行工作,這令它特別適合于需要大量視頻、音頻、圖像處理的游戲機(jī)產(chǎn)品。因此就目前來看,Cell處理器的應(yīng)用大戶依然第一個(gè)嘗鮮的PS3游戲機(jī)。此外,IBM也在嘗試將其推廣到刀片服務(wù)器中,已經(jīng)推出的QS20和QS21刀片服務(wù)器就是在這方面的有益嘗試。據(jù)稱,該公司明年還會(huì)推出一款新的基于Cell/B.E.技術(shù)的刀片服務(wù)器。

F1:連接Cell/B.E.所有處理及輸入輸出單元的高速環(huán)形數(shù)據(jù)總線

在2007年10月舉行的CEATEC上,東芝展示了一款采用基于Cell/B.E.技術(shù)的圖像處理芯片SPURS Engine的筆記本電腦,并進(jìn)行了以三維計(jì)算機(jī)動(dòng)畫對(duì)從攝像頭輸入的面部圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)合成的演示。盡管SPURS Engine僅有4個(gè)SPE,主頻只有,并取消了PPE模塊,更像是一個(gè)精簡(jiǎn)版的Cell處理器。但由于首次將Cell/B.E.技術(shù)引入消費(fèi)電子領(lǐng)域,SPURS Engine的發(fā)布還是令Cell/B.E.的推崇者們備受鼓舞。

不過,無論在PS3還是在SPURS Engine上,強(qiáng)大的Cell/B.E.技術(shù)都只是小試牛刀。事實(shí)上,IBM重金打造Cell/B.E.的目的也的確不僅僅在于上述應(yīng)用,而是未來的高性能多媒體技術(shù)時(shí)代。該公司聲稱,“Cell/B.E.可有效提供‘超級(jí)計(jì)算機(jī)般的性能’,特別適用于許多行業(yè)的高性能工作負(fù)載,包括數(shù)字媒體、醫(yī)療圖像、金融服務(wù)、航空航天、國防和通信行業(yè)?！?/p>

上述應(yīng)用可被簡(jiǎn)單的分為兩個(gè)大類。舉例來說,EDA設(shè)計(jì)中的半導(dǎo)體檢測(cè)、流體動(dòng)力學(xué)、地震分析以及金融模型分析(股市期貨行情)等屬于分析理論、數(shù)據(jù)處理、信息合成分析的范疇；數(shù)字視頻監(jiān)控、多媒體和娛樂則被歸為數(shù)字成像、數(shù)據(jù)演示(Presentation of data)以及圖形化虛擬現(xiàn)實(shí)/成像分析一類。此外,航空航天與國防以及醫(yī)療成像由于高度的復(fù)雜性而同時(shí)具有兩類應(yīng)用的特點(diǎn)。

就目前來看,在這場(chǎng)關(guān)于未來市場(chǎng)的爭(zhēng)奪戰(zhàn)中,IBM已經(jīng)走到了其他競(jìng)爭(zhēng)者的前頭。該公司已經(jīng)贏得了來自美國能源部的一項(xiàng)開發(fā)合同。這臺(tái)名為RoadRunner的超級(jí)計(jì)算機(jī)將在位于新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室建造完成,由16,000顆Cell處理器和大致數(shù)量的AMD皓龍服務(wù)器芯片組成,峰值運(yùn)算性能可達(dá)1.6 Peta flops,是此前全球速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)BlueGeneL的4倍。

QS2X系列路景圖

已經(jīng)披露的數(shù)據(jù)顯示,如果以Intel的Core 2 Duo CPU來進(jìn)行上文所提的面部圖像的實(shí)時(shí)合成,即使CPU資源占用了80%,也只能勉強(qiáng)達(dá)到16fps的幀速,而SPURS Engine卻僅用30%的資源就可達(dá)到30fps,這顯示了Cell B./E.在處理圖像時(shí)的強(qiáng)大性能。Cell開發(fā)中心正在致力于Cell處理器性能的進(jìn)一步提高。而王遠(yuǎn)洪也披露了該公司在Cell/B.E.刀片服務(wù)器上的產(chǎn)品路景圖。

在2006年7月和9月相繼推出軟件開發(fā)工具包SDK1.1和QS20刀片服務(wù)器之后,IBM在在2007年3月推出了SDK2.1。10月份,又相繼推出了各自的升級(jí)版本SDK 3.0和QS21。與QS20相比,新版本最大的變化是如今每個(gè)BladeCenter刀片服務(wù)器機(jī)箱中最多可安裝14個(gè)QS21,比原來增加了一倍。QS21還增加了2GB I/O緩存。此外,其I/O還可支持16條單數(shù)據(jù)傳輸速率Infiniband線路。利用一個(gè)名為“交互式光線跟蹤器”的可擴(kuò)展技術(shù)演示程序,IBM展示了其利用QS21來實(shí)時(shí)呈現(xiàn)傳統(tǒng)高性能計(jì)算環(huán)境需要花費(fèi)數(shù)小時(shí)處理才能完成的復(fù)雜3D場(chǎng)景中的照片級(jí)清晰圖像。

王遠(yuǎn)洪透露,該公司將在2008年上半年推出擁有兩個(gè)CBEA架構(gòu)處理器的QS22,雖然仍然保持了1+8的基本結(jié)構(gòu),不過SPE卻升級(jí)到了專門針對(duì)雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算進(jìn)行了優(yōu)化的eDP SPE,雙精度浮點(diǎn)預(yù)算能力從目前的42GFlops提高到217G Flops,緩存也提高到32GB,并將配備16個(gè)PCI Express插槽。此外,2008年還將發(fā)布兩款開發(fā)套件,分別是計(jì)劃在3月和12月發(fā)布的SDK 4.0和SDK 5.0。其中,SDK 4.0將采用增強(qiáng)型的刀片間協(xié)作架構(gòu),支持XL Fortran 11.1,擁有更多的生態(tài)系統(tǒng)支持能力。

IBM還計(jì)劃于2010年推出采用第一個(gè)Tereflop級(jí)CEBA架構(gòu)處理器的刀片服務(wù)器。這款革命性的產(chǎn)品將包括2個(gè)PPE和32個(gè)eSPE。單精度浮點(diǎn)運(yùn)算能力可能提高到2Teraflops,雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算能力也將增至1Teraflops,并將采用下一代存儲(chǔ)技術(shù)。

Beyond Gaming

作為這家公司試圖建立起被內(nèi)核廠商們所追求的“生態(tài)系統(tǒng)”計(jì)劃的一部分,IBM已經(jīng)在去年舉辦了首屆Power架構(gòu)校園設(shè)計(jì)大賽,并在上海成立了Power架構(gòu)應(yīng)用開發(fā)中心。該公司如今開始嘗試將Cell/B.E.也納入到這一計(jì)劃中來?！半S著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷延伸,Cell/B.E.正在為不同行業(yè)的客戶提供著強(qiáng)大的計(jì)算動(dòng)力。校園大賽將使這一技術(shù)在更多年輕人中得到推廣和普及?！盜BM系統(tǒng)與科技事業(yè)部大中華區(qū)基礎(chǔ)架構(gòu)解決方案總經(jīng)理朱明表示。

IBM將這次比賽的主題定名為“Beyond Gaming”,該公司表示,參賽設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于涉及全行業(yè)的編程工具,包括一切以應(yīng)用為導(dǎo)向的解決方案,例如:可視化、醫(yī)學(xué)成像、地震計(jì)算等高性能計(jì)算。,而來自中國高校的學(xué)生憑借在醫(yī)療、視頻、圖像以及網(wǎng)絡(luò)等方面的出色創(chuàng)新展示了強(qiáng)大實(shí)力,四所代表隊(duì)伍包攬了歐亞賽區(qū)的前四名。下面是這些項(xiàng)目的簡(jiǎn)單介紹:

螺旋錐束CT(計(jì)算機(jī)斷面成像)是一種廣泛采用的醫(yī)療影像系統(tǒng)。精確重建算法的密集計(jì)算成本不允許在臨床使用這種新型重建算法。通過一個(gè)并行計(jì)算的計(jì)劃,上海交大的學(xué)生在CBEA架構(gòu)上執(zhí)行了精確反投影卷積(Backprojection Filtration,BPF)重建算法,獲得了這次比賽的冠軍。

紋理合成算法在大規(guī)模場(chǎng)景制作,真實(shí)圖形繪制,計(jì)算機(jī)動(dòng)畫與合成的游戲背景上具有廣泛的應(yīng)用前景。在合成一個(gè)像素前,該算法會(huì)基于像素搜查每一個(gè)像素的樣本形象。由于采用了為Cell/B.E.而優(yōu)化的雙緩沖以及數(shù)據(jù)和任務(wù)并行技術(shù),天津大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院同學(xué)組成的團(tuán)隊(duì)使得需要大量計(jì)算和內(nèi)存訪問的環(huán)節(jié)變得簡(jiǎn)單和快捷,為他們贏得亞軍的桂冠。

來自上海交大的另外一個(gè)團(tuán)隊(duì)由于通過Cell/B.E.實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)高清編碼而取得了季軍。這一努力被分為兩部分:1.執(zhí)行和優(yōu)化編碼算法；2. 基于Cell/B.E.的算法分區(qū)和并行。通過平衡信息復(fù)雜度以充分適應(yīng)所有硬件資源,編碼算法的計(jì)算復(fù)雜性能夠平等地分配到每一個(gè)處理器。通過仔細(xì)評(píng)估上述工作,基于Cell/B.E.的編碼速度得到大幅提高,實(shí)時(shí)高清編碼成為現(xiàn)實(shí)。

南京大學(xué)的學(xué)生通過他們的方案證明了Cell/B.E.架構(gòu)在網(wǎng)格應(yīng)用方面的強(qiáng)大性能。其“一種以Cell/B.E.驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)格空間”研究取得了本次比賽的第四名?！八麄儎?chuàng)造了一個(gè)基于Python和Cell/B.E.驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)格系統(tǒng)?！痹u(píng)審意見指出,“通過擴(kuò)展Python的執(zhí)行,任何網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)都可以訪問遍及網(wǎng)格的任何Python目標(biāo)。同時(shí),Python代碼被分割成片,蔓延到其它節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)并行。更重要的是,即時(shí)編譯器能夠?qū)ython VM代碼轉(zhuǎn)換成SPE指令,通過SPE獲得了巨大的加速度?！?/p>

作者:王彥