Asinhroni mikroprocesori

Prototip asinhronog mikroprocesora Fleet (Flota) pokazao je da se bolje performanse mogu dobiti i na drugi način, ne samo povećavanjem kloka

Uobičajeno je da se brzina procesora meri u megahercima i gigahercima, te se trka koju predvode „Intel” i AMD na tom polju ogleda u tehnikama za postizanje što većeg broja gigaherca. Svi današnji procesori čije se brzine mere u MHz i GHz su takozvani sinhroni procesori. Kristalni oscilator, koji je sastavni deo računara, svojim otkucajima zadaje ritam rada celoj mašini, pa i procesoru. Takođe, svi interni delovi procesora sinhronizuju se prema tom taktu. Zadajući ritam, oscilator zadaje i brzinu rada komponenti. Za procesor na 2 GHz, recimo, ovaj časovnik „otkuca” 2.000.000.000 puta u sekundi. Svaki posao takvog kompjutera izdeljen je na delove dužine jednog takta – dvemilijarditog dela sekunde.

Asinhroni procesor

Postoji li i drugačija arhitektura? Naravno! Još je davnih pedesetih godina prošlog veka čuveni Alen Tjuring pokušavao je da napravi asinhronu mašinu, ali je kasnije taj koncept napušten jer je sinhrone mašine bilo lakše i jeftinije napraviti. Asinhroni koncept nema jasne zakone izgradnje, nema glavni oscilator koji je obavezan u sinhronom računaru. Svaki deo radi brzinom koja je svojstvena samo njemu, a priča o gigahercima se gubi. Sve je ovo lepo na papiru, ali je teško izvesti u praksi.

Ideja je bila skoro napuštena do prošle decenije, kada je nekoliko američkih univerziteta prikazalo asinhrone mikroprocesore, dok ih je holandski „Philips” uveo i u komercijalne vode. „Philips” je napravio asinhroni mikrokontroler za svoje pejdžere, a skoro u isto vreme, pre nekoliko godina, i japanski „Sharp” je iskoristio asinhroni pristup u izgradnji čipa za editovanje grafike, audio i video materijala. Prvi procesorski debi asinhroni pristup imao je nedavno u procesoru Sun UltraSPARC IIIi, koji je imao nekoliko asinhronih delova, mada na izlazima i ulazima ipak sinhronizovanih sa ostatkom procesora.

Na kormilu – otac grafike

Čovek zaslužan za sve ovo je Ajvan Saderlend (Ivan Sutherland) iz „Suna”, koji asinhroni pristup smatra pravim putem u razvoju procesora. Saderlend se inače smatra ocem kompjuterske grafike. I danas je smeo u izjavama u vezi sa asinhronim procesororom kao i osamdesetih godina prošlog veka, kada je pričao o moćnoj kompjuterskoj grafici. On smatra da bi za neku godinu pomenuta trka „Intela” i AMD-a postala istorija, ako bi se prihvatio njegov koncept asinhronih procesora. Saderlendov projekat Fleet (Flota) predstavlja asinhroni procesor čiji je prototip pokazao da se bolje performanse mogu dobiti na drugi način, a ne samo povećavanjem kloka.

Upotrebljeni asinhroni pristup podrazumeva, umesto klasičnih sinhronih aritmetičkih i logičkih operacija, operacije za prenošenje podataka između asinhronih procesorskih celina koje tvorac naziva brodovima. Brodovi su predodređeni da vrše samo jednu prostu operaciju nad podacima – sabiranje, množenje, logičko ILI, logičko I i slično. Za razliku od klasičnih procesorskih instrukcija (ADD, MUL...), kod ovog modela instrukcije su binarni kodovi koji određuju da podaci treba da „posete” određene brodove. Instrukcija nosi informaciju i o redosledu posećivanja. Tako se niz jednostavnih naredbi predstavlja jednom rutom, u obliku jedne komande. Koncept logičkih i aritmetičkih obrada zamenjen je, tako, saobraćanjem podataka između brodova.

Komunikacija

Prema podacima koje je izneo Saderlend, klasični procesori gube na brzini i do 20 puta zbog toga što se brza tranzistorska okidanja i prelasci iz jednog stanja u drugo moraju usporiti radi sinhronizovanja sa eksternim klokom. Nasuprot tome, Fleet uvodi asinhroni model kod koga ovakvi zastoji ne postoje. Svaki brod ponaosob mora da radi na sopstvenoj brzini okidanja i promene stanja tranzistora, ne uzimajući u obzir to da li je na ulaz broda pristigao jedan podatak ili je u pitanju poplava podataka. Prirodno, složene instrukcije oduzeće više vremena (posetiće više brodova), a proste instrukcije manje vremena.

Vodovi kojima podaci putuju između brodova mnogo su kraći od klasičnog puta podataka u današnjim procesorima. Ti komunikacioni kanali organizovani su u dve grupe: trube za „broadcast” (emitovanje podataka za više „korisnika”) i levci za koncentrisanje podataka.

Drugačiji je i način kompajliranja programa. Standardizacijom komunikacije između brodova, koja je nazvana GasP, pojednostavljen je posao autora programa. Instrukcije predstavljaju svojevrsne „move” komande (pređi iz broda 3 u brod 6, na primer), koje se veoma lako prenose na nivo procesora.

Sve ovo liči na onu staru „iz ruke u ruku gradili su...”. Lanci ljudi koji nešto prenose iz ruke u ruku imaju svoja prosta pravila, koja je preuzeo i asinhroni procesor. Kao što se ne sme se predati cigla sledećem u lancu dok on nema slobodne ruke, tako i brod brodu ne sme predati podatak ukoliko brod primalac nije završio svoju obradu. Kako brod nema mogućnost da „sazna” da li je sledeći brod završio sa obradom, celom operacijom upravlja tzv. Arbitar – logika koja odlučuje o primopredaji podataka između brodova.

’Ladan kao špricer

Današnji čipovi oko 30 odsto energije troše na održavanje sinhronizacije s klokom. Sinhroni procesor troši energiju i greje se čak i kada ništa ne radi. A aritmetički deo procesora, poznat kao FPU, namenjen za rad sa brojevima u pokretnom zarezu, u većini računara relativno je retko u upotrebi. U asinhronom procesoru brodovi koji ne rade beznačajno troše struju, a klok uopšte ne postoji. Prototip je pokazao da gotovo i nije potreban kuler, jer su zagrevanja mala, a potrošnja struje daleko je manja od sinhronih procesora.

Kapetan flote za 5 godina

Kako je sam Saderlend istakao, asinhronom konceptu sleduje još pet godina razvoja pre komercijalizacije. Prototip, iako urađen u zastarelom 0,35-mikronskom procesu, uspeo je da napravi protok od čak 1,2 milijarde podataka u sekundi, što je najmanje dvaput brže od bilo kog standardnog procesora urađenog u istoj tehnologiji (bez obzira na broj megaherca). Ipak, potrebno je još mnogo razvoja do komercijalno isplativog proizvoda. Prema simulacijama u „Sunovim” laboratorijama, upotrebom modernijih procesa proizvodnje (recimo, savremenog 0,13-mikronskog procesa u kojem je urađen Intelov Pentium 4 na 2,8 GHz) protok, a samim tim i brzina, drastično će se povećati. Naravno, sve je ovo lepo na papiru – kada „Sunove” flote zaplove u komercijalne vode, videćemo kako će se ponašati i u praksi.

Dušan STOJIČEVIĆ