ریسک بزرگ IBM و توسعه معماری Power

IBM در حوزه تراشه‌سازی سال‌ها است كه پردازنده‌های Power خود را - كه اساس آن‌ها معماری RISC است- توسعه داده و تبلیغ می‌كند. با این حال طبق آمارهای مؤسسه تحقیقاتی گارتنر، IBM تاكنون پنج درصد بازار پردازنده‌ها را در اختیار داشته است كه این رقم در مقایسه با سهم ۵۰ درصدی اینتل از این بازار ناچیز به نظر می‌رسد. با این حال رویكردهای جدید این شركت دربرگیرنده این حوزه از فعالیت‌های <آبی بزرگ> نیز شده است. به اعتقاد كارشناسان تمركز دوباره IBM برروی پردازنده‌های Power، این شركت را برای رسیدن به سهم بیشتری از این بازار یاری می‌دهد. هدف IBM تبدیل نمودن صنعت تراشه‌سازی خود به تجارتی پرسود است تا بتواند در این حوزه سرمایه‌گذاری‌های بیشتری انجام دهد و پا به پای رقبا پیش برود.
در نوشتار حاضر ضمن مروری كوتاه بر وضعیت صنعت تراشه‌سازی این شركت از سال ۲۰۰۳ به این سو، به مشخصات فنی برخی از مهم‌ترین پردازنده‌های این شركت و فعالیت‌های آن در حوزه سرگرمی نیز نگاهی خواهیم داشت.
شاید برای یك شركت عظیم صنعتی وضعیت نمی‌تواند وخیم‌تر از شرایطی باشد كه در تابستان سال ۲۰۰۳ برایIBM به وجود آمد. واحد نیمه‌رسانای این شركت كه در حال توسعه تراشه‌ها برای كاربردهای متنوع بود، طی ۱۸ ماه پیش از آن متحمل ضرری معادل ۲/۱ میلیارد دلار شده بود. آبی بزرگ همچنین برای روزآمدسازی كارخانه‌های تراشه‌سازی خود سرمایه‌گذاری عظیمی كرده‌بود تا بتواند با رقبای سرسخت خود مبارزه كند.
این بحران بزرگ، مردان طراز اول IBM را برآن داشت تا با تشكیل یك جلسه اضطراری به چاره‌جویی در این مورد بپردازند. به این ترتیب صبح پانزدهم جولای ۲۰۰۳، ساموئل جی پالمیسانو، رئیس این شركت، همراه با حدود هفتاد نفر از اعضای واحدهای مجزای تراشه و كامپیوتر در آن زمان، در یكی از سالن‌های كنفرانس دانشگاه هاروارد گردهم آمدند. در پایان روز برنامه جدید شركت ترسیم شده بود. واحدهای تراشه و كامپیوتر می‌بایست با هم تركیب می‌شدند و IBM به جای تولید انواع مختلف تراشه برای حدود ۴۰۰ مشتری، بر روی یك گونه خاص از تراشه‌ها متمركز می‌شد. این تراشه‌ها پردازنده‌های Power بودند. IBM همچنین می‌بایست برای پیشرفت و توسعه فناوری تراشه‌سازی خود، به جذب سرمایه‌گذاران جدید می‌پرداخت.
این تحول استراتژیك و خطیر اكنون در حال نشان دادن ثمرات خود است. پیشرفت‌های به دست آمده در زمینه تولید تراشه‌های كارامدتر Power، نه تنها باعث رشد سهم IBM در بازار سرورهای High-end شد، بلكه این شركت را به بازیگر بزرگ نسل بعدی كنسول‌های بزرگ تبدیل كرده است. IBM سازنده پردازنده مركزی برای هر سه تولیدكننده عمده كنسول‌های بازی یعنی سونی، مایكروسافت و نینتندو است؛ یعنی تقریباً صددرصد بازار كنسول‌های بازی.
● رایانش فراگیر
پردازنده‌های Power مبتنی‌بر معماری RISC هستند كه IBM از دهه ۱۹۷۰ میلادی سرگرم توسعه و تولید آن‌ها است. توسعه این پردازنده‌ها از ابتدای دهه ۱۹۹۰ میلادی وارد مرحله جدیدی شد و در این زمان IBM با همكاری اپل و موتورولا به منظور رفع نیازهای پردازشی هر سه شركت، زیر مجموعه جدیدی از پردازنده‌های Power موسوم بهPower PC را طراحی كرد. پردازنده‌های Power PC امروزه در موارد متعددی، از دستگاه‌های دیجیتالی كوچك وembedded گرفته تا ایستگاه‌های كاری و سرورهای تیغه‌‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند.
در واقع یكی از مهم‌ترین مزایای پردازنده‌های Power، مقیاس‌پذیری آن‌ها است. به طوری كه می‌توان از آن‌ها برای كاربردهای متنوعی چون موبایل، سرگرمی و پی‌سی‌ها، سرورها و ... استفاده كرد. همین قابلیت استفاده از یك معماری مشترك برای گونه‌های متنوع ابزارهای دیجیتالی، شرایط یك دگردیسی راهبردی را برای IBM فراهم كرده است؛ یعنی یك برنامه جدید براساس استراتژی .
● انرژی آزاد می‌شود
نقطه عطف تحول اهداف IBM تشكیل كنسرسیومی در سال ۲۰۰۴ موسوم به Power.org بود.
IBM در همین زمان اعلام‌كرد كه معماری Power را به یك معماری باز تبدیل خواهد‌كرد. به این ترتیب هدف از تشكیل كنسرسیوم Power.org تشكیل جامعه‌ای متشكل از ده‌ها شركت و صدها توسعه‌دهنده برای ترویج و ارتقای معماری Power بود. كلیه اعضای این كنسرسیوم می‌توانند با توجه به نیازهای خود معماری Power را توسعه دهند و پردازنده‌های سفارشی مورد نظر خود را تولید‌كنند.
این كنسرسیوم كار خود را با پانزده شركت كه تعدادی از آن‌ها آسیایی بودند آغاز كرد. طبق گزارش‌های منتشر شده تا زمان نوشتن این مقاله، تعداد این شركت‌ها اكنون به سی شركت رسیده است و مسلماً باید منتظر استقبال گسترده‌تر از آن نیز باشیم.
یكی از نخستین همایش‌های معرفی این كنسرسیوم در چین برگزار شد و البته یكی از شركت‌های عضو آن نیز چینی بود. بازار چین با رشد سریع خود بدون شك برای IBM مكانی ارزشمند برای تحكیم پایه‌های معماری پردازنده‌های خود به شمار می‌رود و در واقع به نظر می‌رسد كه این شركت گسترش معماری باز Power را با نگاهی فراملیتی دنبال می‌كند. با این حال محدودیت‌های قانونی و دولتی این رویكرد را با مشكل مواجه می‌سازند. یكی از تحلیلگران در این زمینه عقیده دارد كه اگر در زمان معرفی Power.org یكی از مقامات دولتی ایالات متحده نیز در چین حضور داشت، شاید وضعیت به طور كلی تغییر می‌كرد. (به عنوان پیش‌زمینه این موضوع می‌توان به پیگیری‌ها و مقاومت‌های دولتی كه در هنگام واگذاری واحد تولید كامپیوترهای شخصی و لپ‌تاپ IBM به شركت چینی Lenovo انجام شده بود اشاره كرد).
نكته دیگری كه در مورد معماری Power به نظر می‌رسد، تلاش‌های IBM برای تشویق سازندگان نرم‌افزار به توسعه سیستم‌های عامل باز بر روی معماری Power است.
IBM با تیزهوشی سازندگان لینوكس را با ارائه ابزارهای برنامه‌نویسی و توسعه به پشتیبانی از پردازنده‌های Power ترغیب می‌كند. به عنوان دو نمونه مهم می‌توان به پشتیبانی سیستم‌های ‌عامل‌ دو شركت بزرگ ردهت و ناول از پردازنده‌های Power اشاره كرد. به بیان روشن‌تر شاید تحقق این پلتفرم - سخت‌افزار، نرم‌افزار باز - بتواند نقش IBM را در صنعت كامپیوتر متحول كند.
● وضعیت فعلی
اینتل و IBM در بازار سرورها، سابقه‌ای طولانی در رقابت با یكدیگر دارند. اینتلی‌ها آشكارا از پردازنده‌های Power به عنوان رقیب شماره یك ایتانیوم نام می‌برند. این رقابت از اوایل سال ۲۰۰۵ میلادی دستخوش تحولاتی شده است.IBM كه مدت‌ها از فروشندگان اصلی سرورهای مبتی بر ایتانیوم بود، اعلام كرد تولید و عرضه این سرورها را متوقف می‌كند. مسلماً این اقدام IBM با توجه به اهداف درازمدت این شركت و تلاش برای تصاحب سهم بیشتری از بازار سرورها با استفاده از معماری Power كاملاً طبیعی است. گو این‌كه در كوتاه‌مدت، دیگر سازندگان سرورهای ایتانیوم از این امر بهره خواهند برد.
IBM در حوزه پردازنده‌های رده بالا از سال ۲۰۰۴ به این سو مسیر موفقیت‌آمیزی را طی كرده است. پردازنده‌های دو هسته‌ای Power۴ و +Powe۴r این شركت كارایی بسیار بالایی از خود نشان دادند. به طوری كه ابداعات به كار رفته در آن‌ها برای رقبا الهام بخش بود.
IBM در ادامه این روند پردازنده Power ۵ را معرفی كرد كه توانست از بسیاری جهات، نظیر كارایی، برق مصرفی و اتلاف حرارتی، از محصولات رقبا در این حوزه پیشی بگیرد. Power ۵ دو هسته دارد كه هر دوی آن‌ها از یك L۲ cash مشترك استفاده می‌كنند. IBM همچنین توانست با تعبیه كنترلر حافظه بر روی چیپ و كاهش تأخیرهای حافظه، كارایی آن را افزایش دهد. هر یك از دو هسته Power ۵ دارای یك كنترلر حافظه مجزاست.
در سال ۲۰۰۳ و هنگامی كه IBM برنامه درازمدت خود را برای توسعه Power ارائه می‌داد اعلام كرد كه + Power ۵ سرعت كلاكی بین دو تا سه گیگاهرتز خواهد داشت. همین برنامه‌ریزی نشان می‌داد كه IBM سرعت كلاك شش گیگاهرتز را برای نسل بعدی این پردازنده یعنی Power ۶ درنظرگرفته‌است. با این حال با عرضه + Power ۵ در ماه اكتبر سال جاری میلادی مشخص شد كه برنامه‌های IBM در مورد سرعت كلاك هسته تغییر كرده است. البته این امر با گذشت چند سال از آن زمان و رویكرد جدید صنعت تراشه‌سازی برای افزایش كارایی پردازنده‌ها كاملاً طبیعی به نظر می‌رسد. چرا كه اكنون حفظ درجه حرارت پایین برای پردازنده‌ها، اهمیتی دوچندان یافته‌است. مشتریان به پردازنده‌های كارآمدتر نیاز دارند. اما به هیچ دلیل مایل نیستند به‌خاطر این موضوع ده‌ها وات برق اضافی و حرارت زیاد را بپذیرند.
استفاده از فناوری تولید ۹۰ نانومتری در + Power ۵ باعث كاهش ۳۷ درصدی ابعاد die این پردازنده نسبت به Power ۵ شده است. بنابراین IBM با ثابت نگاه‌داشتن سرعت كلاك + Power ۵ نسبت به Power ۵ و عرضه آن‌ها در سرعت‌های كلاك ۵/۱ تا ۹/۱ گیگاهرتز تلاش كرده است مصرف برق این پردازنده از همتای قبلی خود تجاوز نكند.
در حال حاضر پردازنده‌های Power ۵ و + Power ۵ پاسخ كاملاً مناسبی به پردازنده‌های همردیف رقبای خود مانند ایتانیوم و Ultra Spare می‌باشند و مطابق آزمایش‌های انجام‌شده، تاكنون این پردازنده‌های IBM توانسته‌اند در موارد متعددی این پردازنده‌ها را پشت سر بگذارند.
با این حال رقابت با بزرگان این عرصه، یعنی اینتل، AMD و سان یك بازی تمام نشدنی است. از سال ۲۰۰۴ میلادی فروش سرورهای مبتنی بر تراشه‌های اینتل و AMD از سرورهای یونیكس مجهز به پردازنده‌های Power پیشی گرفت. به بیان دقیق‌تر، IBM با معماری Power توانست سهم بیشتری از بازار سرورهای یونیكس را تصاحب كند. اما در یك نگاه كلی‌تر فروش سرورهای مبتنی بر این سیستم‌عامل كاهش یافت. طبق ارقام منتشرشده، IBM اكنون پس از HP و سان رتبه سوم بازار سرورهای یونیكسی را در اختیار دارد. با این حال این وضعیت تغییرات فراوانی خواهد داشت.
HP اخیراً ضمن اعلام توقف توسعه پردازنده‌های ایتانیوم خود (كه توسعه آن‌ها را با مشاركت اینتل آغاز كرده بود) اعلام كرده است كه از پردازنده‌های اینتل به شكل دیگری استفاده خواهد كرد.از سوی دیگر سان قصد دارد با عرضه یك پردازنده هشت هسته‌ای كم نظیر با توانی مضاعف در این حوزه عرض اندام كند و این اقدام بدون شك معادلات زیادی را تغییر خواهد داد. در عین حال اینتل نیز به شدت در تلاش است نسل جدید پردازنده ایتانیوم یعنی ۲ Itanium (با نام رمز Montecito ) را در نیمه‌های سال ۲۰۰۶ میلادی عرضه كند؛ به هر حالIBM قصد دارد اواخر سال ۲۰۰۶ یا اوایل ۲۰۰۷ نسل بعدی پردازنده‌های رده بالای خود را با نام Power ۶ عرضه كند. پردازنده‌‌ای كه هنوز اطلاعات دقیقی از مشخصات آن منتشر نشده است.
علاوه بر موارد فوق، IBM هم اكنون ویژگی‌های دیگری را به پردازنده‌های خود اضافه كرده است تا آن‌ها را از جنبه‌های دیگری غیر از سرعت، رقابتی كند. یكی از این ویژگی‌ها، قابلیت مجازی‌سازی (Virtualization) است كه قابلیت‌های ویژه‌ای چون امكان اجرا و مدیریت همزمان چندین سیستم‌عامل را فراهم می‌كند. قابلیت مجازی‌سازی مدت‌هاست كه در سرورهای IBM تعبیه شده‌اند و انتظار می‌رود كه IBM از این فناوری در سایر تراشه‌های خود نیز استفاده كند.
موضوع دیگری كه در این مورد می‌توان گفت این است كه IBM در توسعه پردازنده‌های Power PC نیز عملكرد نسبتا موفقیت‌آمیزی داشته است. درحال‌حاضر IBM نسخه دوهسته‌ای پردازنده‌های PowerPC ۹۷۰ (یا G۵ به كار رفته در كامپیوترهای فعلی اپل) را با سرعت‌های كلاك ۲ تا ۵/۲ گیگاهرتز عرضه كرده است كه به‌خاطر معماری پیشرفته و نحوه ارتباط دو هسته، كارایی بسیار بالایی از خود نشان داده‌اند و می‌توانند با پردازنده‌های xeon اینتل و opteron از شركت AMD رقابت كنند.
IBM همچنین نسخه كم مصرف پردازنده‌های Power PC ۹۷۰ FX را نیز معرفی كرده است كه برای سیستم‌هایembedded و كامپیوترهای همراه مناسب خواهند بود. صرف‌نظر از تأثیر مهاجرت اپل از پردازنده‌های Power PC به تراشه‌های اینتل، توسعه این خانواده از پردازنده‌ها فعلاً ادامه دارد و البته باید دید كه توسعه نسل جدیدی از پردازنده‌ها به نام Cell از سوی IBM چه تأثیری برروی آن‌ها خواهد داشت.
● ؛Cell نیروی افسانه‌ای IBM
در سال ۲۰۰۰ میلادی، سونی، توشیبا و IBM اتحادی موسوم به) STI تركیبی از حروف اول نام این شركت‌ها) را تشكیل دادند كه هدف از آن طراحی و توسعه نسل جدیدی از پردازنده‌ها موسوم به Cell بود. یك سال بعد مركز طراحی این گروه فعالیت خود را آغاز كرد و به دنبال آن مشخص شد IBM توانسته است نظر سه تولیدكننده اصلی كنسول‌های بازی یعنی سونی، مایكروسافت و نینتندو را برای استفاده از پردازنده‌های مركزی مبتنی بر Power جلب كند.
پس از حدود چهار سال تلاش گروه STI، نخستین پردازنده Cell به مرحله تولید رسید و سونی رسماً اعلام كرد كه در نسل جدید كنسول بازی خود (و دیگر ابزارهای سرگرمی!) از پردازنده Cell استفاده خواهد كرد. حتی پیش از این، خبر استفاده هر سه تولیدكننده اصلی كنسول‌های بازی از پردازنده‌های IBM، موجب شگفتی همگان از تلاشIBM و موفقیت آن در این عرصه شده بود. در واقع IBM توانسته است با اثبات برتری‌های فنی خود در این حوزه، تقریباً تمام این بازار را در اختیار بگیرد. اما اقدام سونی مبنی بر استفاده از پردازنده Cell حكایتی جداگانه دارد. شاید در ابتدا بهتر است به سراغ مشخصات فنی این پردازنده برویم.
مبنای طراحی Cell، پردازنده‌های Power شركت IBM هستند. در واقع Cell دارای یك هسته پردازشی مبتنی برPower است كه آن را Power Processing Element یا به اختصار PPE می‌نامند. به علاوه Cell دارای هشت هسته پردازشی اختصاصی Synergistic Processing Element است كه به اختصار SPE نامیده می‌شود. (سونی به منظور كاهش هزینه‌ها و افزایش بازدهی تولید، یكی از هشت هسته پردازنده Cell به كار رفته در Play Station ۳ را غیرفعال ساخته است.)
PPE و SPEها از طریق گذرگاه‌های بسیار سریع با یكدیگر مرتبط هستند تا وظایف پردازشی به سرعت در میان آن‌ها تقسیم شود. معماری PPE مبتنی بر سری ۶۴ بیتی پردازنده‌های Power PC است و می‌توان سیستم‌های عاملی چون لینوكس را برروی آن نصب و اجرا كرد. این هسته پردازشی كه در Cell معرفی شده دارای ۳۲ كیلوبایت L۱ cash و ۵۱۲ كیلوبایت L۲ cash می‌باشد.
IBM همچنین یك واحد پردازش VMX (یا Altivec) را برای انجام‌دادن پردازش‌های بُرداری به آن اضافه كرده است. البته اغلب محاسبات ممیز شناور توسط SPEها انجام می‌شود و اصولاً این المان‌ها برای چنین منظوری طراحی و بر روی die تعبیه شده‌اند.
SPEها نیز هسته‌هایی مبتنی بر معماری RISC و ساختار ۱۲۸ بیتی SIMD هستند. این هسته‌ها دارای ۲۵۶ كیلوبایت حافظه محلی (موسوم به Local store) می‌باشند كه توسط PPE قابل روِیتند و از سوی نرم‌افزارها به صورت مستقیم قابل آدرس‌دهی می‌شوند. از لحاظ نظری یك SPE در سرعت كلاك چهار‌‌‌گیگاهرتز توان پردازشی معادل ۳۲ گیگافلاپس (۳۲‌میلیارد عملیات ممیزی شناور در هر ثانیه) خواهد داشت. البته دستیابی به این سرعت كلاك به واسطه معماری بهینه شده SPEها برای انجام‌دادن نوع خاصی از پردازش‌ها چندان شگفت‌انگیز نیست. حتی گفته می‌شود كه IBM در آزمایشگاه‌های خود به سرعت كلاك ۲/۵ گیگاهرتز نیز برای Cell رسیده است.
با در نظر گرفتن تعداد SPEهای به كار رفته در Cell و مقایسه توان پردازنده‌های پی‌سی‌های امروزی در محاسبات ممیز شناور، اختلاف بسیار زیاد آن‌ها و قدرت بالای Cell در این‌گونه پردازش‌ها كاملاً محسوس است.
موضوع مهمی كه در اینجا باید ذكر كرد نگرش جدید IBM در مورد تأمین توان پردازشی در حوزه‌های مختلف است. به بیان روشن‌تر باید پردازنده Cell را نخستین‌ گونه از پردازنده‌هایی دانست كه از هسته‌های غیریكسان و تخصیص یافته تشكیل شده‌اند و در واقع شاید بتوان این شیوه جدید را چیزی مانند <رایانش سلولی> نامید. آنچه می‌تواند بر این دیدگاه صحه بگذارد، موضع سه شركت تولیدكننده Cell در مورد معرفی این پردازنده است. به عنوان مثال IBMدر زمان معرفی Cell اعلام كرد كه در آینده‌ای نزدیك از برخی انواع پردازنده Cell در گروهی از سرورهای خود استفاده خواهد كرد. توشیبا در جای دیگری به این نكته اشاره كرده است كه به زودی از Cell در نسل جدیدی از تلویزیون‌های دیجیتال خود بهره خواهد گرفت.
این شركت در همایشی كه اواسط سال ۲۰۰۵ میلادی برگزار كرد، نمونه‌ای از این تلویزیون‌ها را به نمایش گذاشت كه امكان رمزگشایی همزمان چندین كانال تلویزیونی با كیفیت HD را فراهم می‌كرد. سونی نیز از مدت‌ها قبل اعلام كرده است كه در آینده از پردازندهCell در كامپیوترهای خود استفاده خواهد كرد. نكته جالب‌تر این‌كه یكی از روِسای سونی اخیراً اعلام كرده است كه قصد دارد نسخه موبایل این پردازنده را برای دستگاه‌های سرگرمی همراه توسعه دهد.
با تمام این اوصاف و به‌رغم ویژگی‌های فنی Cell، برخی از كارشناسان این حوزه به فلسفه توسعه این‌گونه پردازنده‌ها انتقاداتی وارد می‌كنند. به عنوان نمونه‌ای از این انتقادات موضوع سخت‌تر شدن شرایط كدنویسی برای استفاده بهینه از منابع چنین پردازنده‌هایی به واسطه غیریكسان بودن هسته‌های پردازشی مطرح می‌شود.
AMD نیز به صراحت اعلام می‌كند كه از چنین روشی برای توسعه پردازنده‌ها خودداری می‌كند.
در نهایت و با وجود مشكلات بی‌شماری كه در زمینه توسعه‌ پردازنده‌ها برای IBM وجود داشته و خواهد داشت، به نظر می‌رسد این شركت در مسیر درستی گام نهاده است. واحد توسعه تراشه IBM از سال ۲۰۰۴ میلادی به واحدی سودآور تبدیل شده است. بدون شك مشاركت سونی و توشیبا برای توسعه معماری Power در حوزه سرگرمی و افزایش توسعه‌دهندگان این سكو به واسطه حركت‌هایی چون تشكیل كنسرسیوم Power.org، یك موفقیت بزرگ محسوب می‌شود. یك تحلیلگر بازار تراشه‌ها معتقد است كه IBM می‌تواند تا سال ۲۰۰۷ تولید پردازنده‌های Power را از ۱۵ میلیون تراشه فعلی به ۷۰ میلیون برساند. به هر حال در آینده نزدیك از IBM در حوزه ریزپردازنده‌ها بیشتر خواهیم شنید.
● IBM در حوزه ابركامپیوترها
تلاش‌های IBM در حوزه ابركامپیوترها بیش از حوزه‌های دیگر مشهود است. این شركت اواخر سال ۲۰۰۴ میلادی مدل جدیدی از ابركامپیوتر Blue Gene پرده‌برداری كرد كه به هزاران پردازنده ارزان‌قیمت Power از نوع embedded (گونه‌ای كه در Cell Phone ها مورد استفاده قرار می‌گیرد)، مجهز شده بود. نتیجه تلاش‌های صورت گرفته بر روی این ابركامپیوتر، شكستن ركورد سریع‌ترین ابركامپیوتر دنیا در اواخر سال گذشته میلادی بود. نكته جالب این‌جاست كه هزینه ساخت Blue Gene یكصدمیلیون دلا‌ر برآورد شده كه یك سوم هزینه‌ای است كه برای دومین ابركامپیوتر سریع جهان خرج شده است. دلیل این موضوع صرف‌نظر از ید طولایی كه IBM در این حوزه دارد، به موضوع مقیاس‌پذیر بودن معماریPower برمی‌گردد. به هر حال IBM اواخر سال جاری میلادی نیز خبر ساخت یك ابركامپیوتر جدید را برای شكستن ركوردهای قبلی منتشر كرد.

پرهام ایزدپناه

منبع : ماهنامه شبکه