Больше чем процессор

В этом году в миллионы домов придет суперкомпьютер для гостиной. Или для детской. Давно ожидаемая игровая приставка Sony PlayStation 3 обладает небольшими размерами (как DVD-проигрыватель) и невероятным быстродействием: 2 трлн операций в секунду. Компьютеры такой мощности еще недавно предназначались для исследования землетрясений и разработки ядерного оружия. Теперь этой производительностью пользуются программисты, создающие видеоигры, реалистичность которых почти не уступает кинофильмам. PlayStation 3 появится в продаже в середине года. По прогнозам, через пять лет она уже будет в 100 млн домов. По еще более смелым прогнозам, за ее рождением последует настоящая революция в мире микропроцессоров.

Своим совершенством новая игровая приставка обязана процессору Cell, созданному IBM в сотрудничестве с Sony и Toshiba. Разработка обошлась в $400 млн и заняла пять лет. Cell основан на архитектуре, применяемой в суперкомпьютерах, и работает по меньшей мере в десять раз быстрее самых мощных процессоров Pentium.

Что еще более важно, Cell имеет перед конкурентами пятидесятикратное преимущество при выполнении приложений с «мощной» графикой. А именно это и нужно для электронных развлечений завтрашнего дня — быстрых и реалистичных игр, флирта в виртуальной реальности, видеочатов в реальном времени, интерактивных телепередач с «продолжением по выбору зрителя» и еще многих и многих сервисов, которые еще предстоит выдумать.

Cell универсален, и IBM предназначает его не только для игр. Компания полагает, что он может найти применение в мобильных телефонах, портативных видеопроигрывателях, телевизорах высокой четкости... Ученые из Стэнфордского университета строят на процессорах Cell суперкомпьютер. Toshiba собирается использовать его в телевизорах, которые со временем позволят любителям футбола смотреть игру с нескольких ракурсов — выбирать ракурс будут они сами. Raytheon планирует применить Cell в ракетных системах, артиллерийских снарядах и радарах. Рассматривается возможность использования процессора в медицине. «Cell — это следующий шаг в развитии микропроцессоров. Это взгляд в будущее», — говорит Крейг Ланд, директор по технологиям Mercury Computer Systems, разрабатывающей компьютерные системы для медиков и‑военных.

IBM уже работает над более мощными моделями Cell, а заодно стимулирует программистов и разработчиков игр к созданию программного обеспечения под этот процессор. Неординарным шагом со стороны IBM стало раскрытие секретов Cell в интернете: «справочник для разработчиков программ» под этот процессор скачали уже 10 000 программистов. IBM, компания с годовым объемом продаж $94 млрд, полагает, что Cell в ближайшие десять лет научится выполнять сотни новых приложений, даст жизнь новому поколению индустрии обработки видеоизображения и ускорит развитие компьютерного «железа».

Мы считаем, что он вызовет новый виток роста отрасли, — говорит 45-летний Джеймс Кале, известный разработчик микросхем и научный сотрудник IBM, возглавлявший работу по созданию Cell. — Этот чип дает вам производительность, не достижимую при другой архитектуре». Питер Хофсти, разработчик одного из ключевых узлов процессора Cell, провел немало времени в поездках, устраивая демонстрации возможностей нового процессора и привлекая потенциальных производителей разнообразной продукции, в которой мог бы использоваться Cell.

Впрочем, чтобы новый процессор оправдал ожидания, IBM еще предстоит преодолеть немало трудностей. Многие конкуренты, в том числе молодые и агрессивные компании из Кремниевой долины, такие как ClearSpeed и Stream Processors, тоже работают над процессором нового поколения. Отрасль высоких технологий знает немало примеров чипов, которые в лабораториях демонстрировали недюжинные способности, но провалились на рынке из-за нерасторопности программистов, инертности потребителей или промахов производителей. Джин Амдал, прославленный разработчик семейства IBM 360, еще четверть века назад выступил с амбициозным проектом создания микросхемы, равной по мощности суперкомпьютеру. Однако предложение опередило свое время, и созданная Амдалом компания Trilogy прогорела. В начале 1980-х процессор в домашних компьютерах Amiga значительно превосходил возможности процессоров Intel, что не помешало последней завоевать рынок. В начале 1990-х Digital Equipment Corp. первой сделала 64-разрядный процессор. Это был инженерный триумф, но с коммерческой точки зрения проект провалился.

Парадоксально, но успеху Cell может помешать именно его фантастическая производительность, делающая процессор крайне сложным для создателей программного обеспечения. Cell — это кошмар для программиста, утверждает Марк Тремблэй из Sun, главный конструктор конкурирующего с Cell чипа Niagara. Он сомневается, что Cell будет использован где-то, кроме индустрии электронных игр.

Кстати, в IBM признают, что Cell не представляет угрозы для Intel, ведущего мирового производителя микропроцессоров. Процессоры Intel отлично подходят для основных бизнес-приложений в настольных и портативных компьютерах и для работы серверов. На этом ориентированном на решение стандартных задач рынке у Cell нет никаких преимуществ. А вот в скоростной обработке изображений этому процессору пока нет равных. Демонстрируя возможности Cell, сотрудники IBM предлагают вам «пролететь» над национальным парком Маунт-Рейнир (штат Вашингтон) со скоростью 2100 км/ч. Cell обрабатывает миллионы строк топографических и фотографических данных в секунду, чтобы генерировать абсолютно точное изображение с частотой 30 кадров в секунду. При выполнении подобной программы на Pentium обработка каждого кадра требует более двух минут.

Создание Cell началось пять лет назад, как только появилась Sony PlayStation 2. Руководитель отделения видеоигр Sony Кен Кутараги потребовал от IBM увеличить мощность процессора для следующей версии популярной игровой приставки ни много ни мало в тысячу раз. «Мы понимали, что никогда не сможем заставить существующие технологии работать в тысячу раз быстрее», — говорит Хофсти. Поэтому в IBM начали разрабатывать принципиально новую архитектуру процессора.

В начале 2000 года Sony, Toshiba и IBM создали лабораторию STI Design Center, во главе которой встал Джеймс Кале, выросший в Нью-Йорке уроженец Венесуэлы. Кале пришел в IBM в 1983 году прямо с университетской скамьи. Он участвовал в разработке компонентов для компьютеров Apple G3, G4 и G5, игровой приставки Nintendo GameCube и мощных серверов IBM. Некоторые микросхемы Кале уже называет своими «внуками».

В проекте Cell участвовали 450 инженеров, большей частью из IBM. Им пришлось не только работать, но и преодолевать языковые и культурные барьеры. Помимо необходимости посещать курсы английского японцы столкнулись с непривычной для них американской манерой проведения «мозговых штурмов»: инженеры Sony и Toshiba стремились обстоятельно обдумать каждую новую идею и вели себя по-восточному дипломатично. При этом их очень раздражало, что коллеги из IBM позволяли себе резко изменить ход дискуссии, полагаясь на собственную интуицию.

Чтобы процессор годился на что-то кроме игр, создателям Cell пришлось искать баланс между мощностью и универсальностью. Обычно процессоры, спроектированные для обработки графики, очень производительны, но лишь при выполнении той задачи, для которой созданы. Процессоры «общего назначения» вроде тех, что делает Intel, жертвуют скоростью ради возможности выполнять широкий спектр задач. Два десятка лет Intel повышала производительность, увеличивая число транзисторов на одном чипе, но это привело к тому, что процессор потребляет слишком много энергии и — что особенно важно — слишком сильно греется. Теперь Intel и другие увеличивают производительность, располагая на одном кристалле несколько отдельных «ядер» — групп транзисторов. Intel выпускает процессоры с двумя «ядрами». Sun хвастается Niagara с восемью «ядрами». Но для того чтобы совершить революцию, этого недостаточно, утверждает Кале.

В Cell используется одно центральное процессорное ядро, которое распределяет работу между еще восемью небольшими, но мощными ядрами. Процессор был готов спустя год, но стало ясно, что он окажется слишком сложным для разработчиков неигровых приложений. «Создатели игр охотно работают со сложными микросхемами, но мы нацелились на более широкий спрос», — говорит Майкл Дэй, программист из IBM. Возникали все новые трудности — пришлось бороться со слишком сложной системой управления памятью, которая контролирует, как биты данных посылаются и принимаются процессорными ядрами. На решение этой проблемы у команды Кале ушло 16 недель. «Мы предлагали то одно, то другое решение и снова от них отказывались», — рассказывает Хофсти.

В апреле 2004 года первая работающая микросхема сошла с конвейера фабрики IBM в Ист-Фишкиле (штат Нью-Йорк). Новый Cell не дал 1000-кратного ускорения, которое хотела получить Sony, но 50-кратное дал. Cell способен совершать более 200 млрд операций с плавающей точкой в секунду (200 гигафлоп). Это похоже на полноценный суперкомпьютер конца 1990-х годов. Добавьте сюда графический чип от Nvidia, и PlayStation способна выполнить уже 2 трлн операций в секунду.

В начале прошлого года Sony разослала прототипы Cell и программное обеспечение к нему, чтобы разработчики начали писать игры для PlayStation 3. «Его возможности далеко ушли от тех, что используются для создания игр нынешнего поколения», — говорит Эндрю Голдмэн, директор Pandemic Studios, лос-анджелесской компании, выпустившей популярную серию игр Star Wars для PlayStation 2. По его мнению, полностью использовать возможности Cell можно будет только через много лет.

Чтобы сократить этот срок, IBM и пошла на беспрецедентный шаг, вывесив в открытом доступе в интернете 700 страниц документов, описывающих архитектуру процессора, и 1100-страничный набор документации для разработчиков. «Мы открыли архитектуру, поскольку хотим, чтобы она быстро завоевала рынок», — говорит Кале. Устройство чипа столь сложно и непохоже на все бывшее ранее, что написание некоторых фрагментов программ для него занимает в пять раз больше времени, чем обычно. Зато создатели игр утверждают, что писать «под Cell» гораздо проще, чем для PlayStation 2. «Все, кто работал с PlayStation 2, прыгают от радости», — говорит Джереми Гордон, директор Secret Level, производителя игр из Сан-Франциско.

Продвигая Cell, Хофсти произнес в прошлом году восемь речей на конференциях для специалистов. Они с Кале посетили более 50 компаний, выслушивая критику ветеранов отрасли — до тех пор, пока не запускали демонстрацию Cell. «Это восхитительно — видеть, как у людей, проработавших в индустрии по 25 лет, отвисала челюсть», — рассказывает Кале. Когда один прославленный конструктор микросхем, ветеран Motorola и Apple, посетил в 2004-м Остин и Кале показал ему «полет над национальным парком», тот потерял дар речи. «Он действительно притих, когда понял, как это изменит всю отрасль», — вспоминает Кале.

Toshiba демонстрирует построенное на Cell «волшебное зеркало», превращающее монитор в виртуальное зеркало, изображение на которое передают несколько камер. Вы смотрите налево, отводите взгляд вправо, а ваше «отражение» на экране подражает вам.     В следующем поколении своих телевизоров Toshiba надеется заложить возможность интерактивного просмотра программ. Когда-нибудь у телезрителя появится возможность сначала смотреть футбольный матч с позиции игрока, затем со зрительского места, а потом и вовсе взмыть в небо и посмотреть на поле с дирижабля — любители компьютерных игр к такому уже привыкли.

Масаказу Сузуоки, ведущий разработчик Cell из Sony, говорит, что Sony намерена использовать эти вычислительные мощности для создания интерактивных, изменяемых фильмов с множеством сюжетных линий, так что люди смогут смотреть один и тот же фильм по нескольку раз, но в разных вариантах. Другая идея, которую рассматривает Sony, — помещать рекламу в фильмах и телепередачах на заднем плане и подбирать ее «под зрителя».

Когда PlayStation 3 «раскрутится», она попадет в миллионы домов по всему миру. А когда процессоры Cell заработают в игровых приставках, телевизорах и компьютерных приставках, их будут обслуживать сети построенных на базе Cell серверов, предвидит Кале.

Новый процессор для PlayStation внушает доверие и Raytheon. Компания исследовала Cell 15 месяцев. «Гидролокаторы, инфракрасные сенсоры — есть сотни разрабатываемых Raytheon изделий, в которых может применяться эта технология, — говорит Питер Пао, один из руководителей Raytheon. — Современные процессоры выходят из употребления. Мы же смотрим в будущее».

В Mercury Computer Systems инженеры работают над конструкцией из 128 процессоров Cell производительностью 25 трлн операций в секунду. Mercury продает компьютерные модули для медицинского оборудования компаниям General Electric, Philips и Siemens. Новый компьютерный модуль, как утверждают представители компании, сделает аппарат для компьютерной томографии столь производительным, что тот сможет генерировать трехмерное изображение за четыре секунды (процессору Pentium для этого требуется пять минут).

Вернемся в Остин. Кале любит поговорить о трехмерных виртуальных мирах, моделируемых с такой детализацией, что вы можете увидеть на экране в точности то, что видели бы, стоя на Манхэттене на углу Пятой авеню и 23-й улицы. «Это откроет новый мир взаимодействия людей с компьютерами, где мы объединяем реальность с виртуальной реальностью», — говорит он. Всю свою жизнь Кале хотел сделать чип, который изменит мир. И он сделал это.