Процессор Cell презентация

базе Cell

in March 2001
Single CellBE operational Spring 2004
2-way SMP operational Summer 2004
February 7, 2005: First technical disclosures
October 6, 2005: Mercury announces Cell Blade
November 9, 2005: Open source SDK & simulator published
November 14, 2005: Mercury announces Turismo Cell offering
February 8, 2006: IBM announced Cell Blade

J.A. Kahle

Предпосылки архитектуры Cell

Эволюция пользовательского интерфейса

Cell

Wall – барьер частоты.

Предпосылки архитектуры Cell

– Power Processor Element
8 SPE – Synergistic Processor Element

Cell – это не набор различных процессоров, а согласованное целое:
Согласованные принципы функционирования, форматы и семантика данных,
Используется общая модель памяти.

Cell – специально создавался для работы на высоких частотах (более 4 ГГц)
Фиксированная частота: 3.2 ГГц

базе Cell

Power с расширением VMX
Упорядоченное исполнение (in-order)
Аппаратная поддержка 2-х параллельных потоков
Кэш-память: 32 KB L1 code, 32 KB L1 data, 512 KB L2 общий

такт
Большие ресурсы памяти: 128 128-битных регистров, 256 KB локальной памяти
DMA – асинхронный доступ в общую память: до 16 одновременных запросов

файл
Нет поддержки системных функций
SIMD-архитектура: большой набор векторных операций
8,16,32-битные целочисленные
32,64-битные вещественные
Два исполнительных конвейера
Общий регистровый файл
128 регистров по 128 бит (16 байт)
256 KB локальной памяти
Общая для кода и данных
16 B/такт для чтения/записи регистров
128 B/такт для передач DMA

поддержкой нескольких одновременных передач
96 B/такт пиковая пропускная способность
До 100 одновременных запросов

байт на канал
Когерентность
Позволяет создавать системы различных конфигураций

счет разделения функций:
Процессор, оптимизированный для работы операционной системы и кода со сложным управлением.
Процессор, оптимизированный для выполнения приложений с интенсивными вычислениями.

Memory Wall. Уменьшение влияния задержек памяти за счет:
3-х уровневая структура памяти (основная память, локальная память SPE, большой регистровый файл SPE).
Асинхронная передача между основной и локальной памятью.

Frequency Wall. Достижение высоких частот благодаря специализации процессоров под решение конкретных задач.

SPE
Реализации систем на базе Cell

аппаратных потока PPE
8 программ SPE
Регулярные векторные данные, обработка которых может быть векторизована:
SPE SIMD
PPE VMX

int entry = SPE_DEFAULT_ENTRY;
spe_context_ptr_t spe;

spe = spe_context_create (0, NULL);
spe_program_load (spe, &spu_hello);
spe_context_run (spe, &entry, 0, (void *)10, (void *)20, NULL);
spe_context_destroy (spe);

return 0;
}

Программа для SPE
#include
int main (unsigned long long spe, unsigned long long argp, unsigned long long envp)
{
printf("Hello, World! (%llu,%llu)\n", argp, envp);
return 0;
}

spu_hello;

void *thread_func (void *data)
{
unsigned int entry = SPE_DEFAULT_ENTRY;
spe_context_ptr_t spe;
spe = spe_context_create (0,NULL);
spe_program_load (spe, &spu_hello);
spe_context_run (spe, &entry, 0, (void *)data, (void *)NTHREADS, NULL);
spe_context_destroy (spe);
return 0;
}

int main ()
{ pthread_t tid[NTHREADS];
unsigned long i;
for (i=0;i for (i=0;i return 0;
}

обычных инструкций чтения/записи памяти:
Регистр ? память
Память ? регистр
SPE – с помощью команд DMA (через EIB)
Доступ к основной памяти асинхронный
Используется для передачи команд и данных

очереди 32-битных сообщений:
SPU in (4), SPU out (1), SPU out interrupt (1)
Сигналы – 32-битные сообщения
PPE ? SPE
Прямой доступ к памяти (DMA-передача)
get, put – блок данных до 16 KB

SPE может обмениваться данными и сообщениями с другими SPE.

long sour_ea, unsigned long size)
{
int tag=15,mask=1<
mfc_get (dest_lsa, sour_ea, size, tag, 0, 0);
mfc_write_tag_mask (mask);
mfc_read_tag_status_any();
}

void put (void *sour_lsa, unsigned long long dest_ea, unsigned long size)
{
int tag=15,mask=1<
mfc_put (sour_lsa, dest_ea, size, tag, 0, 0);
mfc_write_tag_mask (mask);
mfc_read_tag_status_any();
}

данных в очереди
spe_out_mbox_read(spe ,&data ,1); // чтение одного элемента из очереди
data++; // изменение данных
spe_signal_write(spe, SPE_SIG_NOTIFY_REG_1, data); // запись в регистр сигнала 1
…

Фрагмент программы для SPE

…
spu_write_out_mbox(data); // запись элемента данных в очередь
data=spu_read_signal1(); // чтение данных из регистра сигнала 1
…

работают с векторами.
Скалярные операции выполняются путем соответствующего использования векторных команд.
Скалярные аргументы, необходимые некоторым инструкциям, располагаются в «предпочтительных» позициях вектора:

команды:

Специальные – отображаются в одну инструкцию процессора,
Например: d = si_to_int(a);

Обобщенные – отображаются в одну или несколько инструкций процессора в зависимости от входных параметров,
Например: c = spu_add (a, b);

Составные – последовательности обобщенных и специальных intrinsics (объединенные для удобства).
Например, команды DMA-передачи.

исполняются только на «своем» конвейере
Не все инструкции реализованы для всех типов данных
Отсутствуют инструкции деления (для всех типов)
Отсутствуют инструкции 32-битного целочисленного умножения
Реализуется программно с помощью 16-битного умножения
…

ветвления и адрес перехода
Таблица ветвлений (BTB – Branch Target Buffer)
Пример программы:

float *c, int n)
{ int i, j, k;
vector float *av = (vector float *) a;
vector float *bv = (vector float *) b;
vector float *cv = (vector float *) c;

vector float s = {0.0,0.0,0.0,0.0};
for (i=0; i
for (i=0; i for (k=0; k { s = spu_splats (a[i*n+k]);
for (j=0; j cv[i*n/4+j] = spu_add (cv[i*n/4+j], spu_mul (s, bv[k*n/4+j]) );
}
}

разбиение и отображение алгоритма и структуры программы на архитектуру
Разработка PPE-управления, PPE-скалярного кода
Разработка PPE-управления, распределенного SPE-скалярного кода
Коммуникации, синхронизация, задержки при пересылках
Преобразование SPE-скалярного кода в SPE SIMD код
Перебалансировка вычислений / пересылок данных
Другие оптимизации
PPE SIMD, узкие места системы, балансировка загрузки

базе Cell

BladeCenter QS 22
2 × PowerXCell 8i

Sony PlayStation 3
1 × Cell B.E. (6 SPE)