Le Microprocesseur Cell - Nicolas Morey

Le Microprocesseur Cell
NicolasMorey‐Chaisemartin<nicolas@morey‐chaisemartin.com>
NicolasMorey‐Chaisemartin
3/23/2008

TableofContents
Tabledesfigures.......................................................................................................................................2
I.Préface...................................................................................................................................................3
II.Unpeud'histoire...................................................................................................................................3
III.Vued'ensemble...................................................................................................................................4
III.1PowerPCProcessorElement...................................................................................................................4
III.2SynergisticProcessorElement................................................................................................................5
III.3ElementInterconnectBus.......................................................................................................................5
III.4MemoryInterfaceController..................................................................................................................6
III.5FlexIOInterface.......................................................................................................................................6
IV.Lesperformances.................................................................................................................................7
V.Zoomsurquelquesdétails....................................................................................................................8
V.1Logiquedynamique.................................................................................................................................8
V.2Plusdeprogrammationpourplusd'efficacité......................................................................................11
VI.Lespointsfaibles................................................................................................................................13
VII.Perspectivesd'avenir........................................................................................................................14
VIII.Conclusion.......................................................................................................................................15
IX.Bibliographies....................................................................................................................................16
Tabledesfigures
Figure1:Vued'ensembleduCell......................................................................................................................4
Figure2:PhotoduCell......................................................................................................................................4
Figure3:Topologiedel'EIB...............................................................................................................................5
Figure4:Systèmeà4Cells................................................................................................................................6
Figure5:PorteNORenCMOS.........................................................................................................................10
Figure6:PorteNORenpseudo‐NMOS...........................................................................................................10
Figure7:Méthoded'accèsauLS.....................................................................................................................11
Figure8:RoadmapduCell...............................................................................................................................14
Page2

I.Préface
Depuisquelquesannéesmaintenant,lesarchitecturesdesprocesseursvarientpeu.Nousavonsvu
l'arrivéedesprocesseursx86_64,del'l'Itanium,denombreusesfonctionnalitéssupplémentaires(gestion
desconsommations,devirtualisation),sansoublierlesprocesseursmulti‐coeursmaisaucunchangement
fondamentaldanslepaysagedel'électroniquepourPC.
Lesfréquencesdesprocesseurscommençantàstagner,lesfondeurssesonttournéesversle
multicoreetle64bitspourparalléliserlesinstructionsetgagnerenpuissancedecalcul,maiscelanefaiten
pratiquequ'empirerlephénomènedegoulotdéjàprésentpouraccéderauxdonnéesenmémoirecentrale.
LeCellBroadbandEngine(courammentappeléCell)prétendrépondreàsesbesoins.Nousallons
doncnousplongeraucoeurdecenouveaumicroprocesseurpourendécouvrirlacompositionetessayerde
jugerquelssontsesavantagesetinconvénients.
II.Unpeud'histoire
(Source:[IBM01])
LesdiscussionsconcernantleprojetCellondébutéeenété2000,regroupant,àTokyo,SCEI(Sony
ComputerEntertainmentIncoporated),IBMetToshibapourundébatsurleschoixarchitecturauxàfaire.Il
aétédécidéquelesarchitecturestraditionnellesnepouvaientplussuffireauxbesoinsdepuissances(SCEI
souhaitaitunprocesseur100foispluspuissantqueceluidelaPlaystation2).Dèsfin2000,leconceptétait
posé:unearchitecturePower64bits,d'uncontrôleurdefluxmémoireetdeprocesseurs«synergistic»afin
d'obtenirunepuissancedecalculsuffisante.
Enmars2001s'ouvritlecentrederechercheSTI(Sony/Toshiba/IBM)auTexas.
L'essentieldutravailaétésurlebesoindeperformancesduprocesseur,etsurtoutsurlamanièrede
franchirles3barrièresquiralentissentaujourd'huilaprogressiondeprocesseursplusclassiques:
− Lalatencemémoire
− Laconsommationélevée(quiamènedescontraintesderefroidissement)
− Laperted'efficacitédueàl'augmentationdelafréquenceetdelaprofondeurdespipelines.
Misen2005surlemarché,leprocesseurCellfaitbeaucoupparlédelui,enbienmaisaussinemal.
Entronsmaintenantdanslecoeurdelabête.
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III.Vued'ensemble
(Sources:[IBM02][WIKIPEDIA01][ANANDTECH01])
Figure1:Vued'ensembleduCell
III.1PowerPCProcessorElement
Commeonpeutlevoirsurl'illustration1,leCellest
composéde9processeurs(maistousinclûtdansla
mêmepuce).
LeprocesseurprincipalnomméPPE(PowerPC
ProcessorElement)estuncoeurPowerPC:
− 64bits(supportantlesetPOWERd'instruction
32bits),
− dual‐thread(équivalentdelatechnologie
HyperThreadingIntel,aussiappeléSMT)
− 32KBdecacheL1et512KBdecacheL2
− SupportdesinstructionsSIMD(Single
InstructionMultipleData)etVMX(aliasAltivec)
Figure2:PhotoduCell
Page4

III.2SynergisticProcessorElement
Aproximitésetrouvent8SPEidentiques(SynergisticProcessorElement)optimisépourdesinstructions
SIMD.Ilsdisposentde128registresde128bitspourcesmêmesinstructions.
Cependant,lesSPEnedisposentpasdecache.Ilsontchacunmunid'unemémoirelocale(LocalStore,ou
LS)entièrementgéréeauniveaulogiciel.LesSPEsontdoncmunisdecommandesspécialespermettantde
transférerdesdonnéesdepuislaMCverslesLS.
III.3ElementInterconnectBus
Figure3:Topologiedel'EIB
Aucentredel'architecture,l'incontournableEIB(ElementInterconnectBus)parlequelpassetoutles
échangesd'unprocesseuràunautreouverslaRAMetautresI/O.
Ilestcomposéde4buscirculairede16octets,transférant128octetsàchaquefois(soit8beats).Chaque
processeurestmunid'unbusd'entréeetd'unbusdesortiepermettantainsiderecevoiretd'émettredes
donnéessimultanément.Unarbitreaucentrepermetdegérerlesaccèsconcurrentielsaubusmaisnousen
reparleronsplustard.
LafréquencethéoriquedubusannoncéeparIntelestde204.8Go/setenpratiquedespointesà197Go/s
ontétéobservées
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