Прошлое, настоящее и будущее процессорной архитектуры SPARC. Совместная продуктовая линейка Sun и Fujitsu.

Павел Анни

Расскажите об истоках архитектуры SPARC. Кто является разработчиком процессорной архитектуры SPARC, какие компании принимали участие в ее разработке кроме Sun Microsystems? Каким образом архитектура развивается сегодня?

Лучше, пожалуй, начать не с компаний, а с конкретных людей. Именно люди обычно стоят у истоков таких проектов.

Работы над архитектурой SPARC начались в 1984 году, когда Билл Джой (Bill Joy), один из основателей Sun Microsystems, пригласил профессора университета Беркли (UC Berkley) Дэвида Паттерсона (Dave Patterson) в качестве консультанта (он уже работал в Беркли над проектами RISC I и RISC II). Над архитектурой в Sun Microsystems работали несколько человек, обычно в качестве «отца SPARC» называют Роберта Гарнера (Robert Garner), другим заметным архитектором был Anant Agrawal. Первые шесть вариантов архитектуры и набора команд (Instruction Set Architecture, ISA) не были реализованы в кремнии, первой официальной спецификацией стала версия 7 (SPARC V7).

Чтобы максимально ускорить реализацию проекта, для воплощения архитектуры в кремнии были выбраны две микросхемы Fujitsu (gate arrays): одна для целочисленного модуля, другая для модуля операций с плавающей точкой. Компания Fujitsu выделила инженера по имени Le Quach для работы над этим проектом вместе с Sun. Он разработал средства тестирования для первого процессора, впоследствии перешел на работу в Sun, став одним из разработчиков microSPARC, а впоследствии UltraSPARC.

В июле 1987 года в Нью-Йорке Sun объявила о выпуске первой рабочей станции на процессоре SPARC (в Sun принято говорить не о датах выпуска процессора, а о датах выпуска готовых систем).

Это – истоки. Многое об истории процессоров (и не только SPARC) можно почерпнуть здесь: http://www.cs.clemson.edu/~mark/architects.html

После триумфа первого SPARC (он был назван «Продуктом года» в бизнес-журнале Fortune) был выпущен суперскалярный SuperSPARC (версия V8), а в 1995 году – 64-разрядный UltraSPARC (версия V9). Эта версия архитектуры является основой для всех процессоров, выпускавшихся далее, вплоть до самого последнего UltraSPARC T1 (Niagara). Главная особенность всех SPARC – их полная бинарная совместимость. Это означает, что если программа была разработана и скомпилирована для SPARC V7, то она будет работать и на UltraSPARC. Причем это будет не режим эмуляции, а native (не могу подобрать точного перевода) исполнение бинарного SPARC-кода.

Принцип бинарной совместимости был по достоинству оценен нашими заказчиками и именно поэтому он был положен в основу процессорной стратегии Sun. Можно быть уверенным, что все будущие процессоры архитектуры SPARC будут полностью бинарно совместимы с сегодняшними.

Какова роль Sun Microsystems в организации sparc.org? Каким образом компания взаимодействует с партнерами в рамках этой организации?

С самого начала разработки архитектуры SPARC Sun Microsystems приняла решение об открытом лицензировании этой архитектуры. Многие компании, такие как Fujitsu, Cypress, LSI Logic, Texas Instruments, лицензировали эту архитектуру у Sun и начали собственные разработки. Через некоторое время, однако, стало ясно, что в условиях конкурентного рынка компании не готовы делиться своими стратегическими планами друг с другом. Поэтому в 1989 году было решено образовать независимую компанию SPARC International, которая владела бы интеллектуальной собственностью на архитектуру и бренд SPARC. Членами этой ассоциации стали все лицензиаты SPARC, а также несколько других компаний. Сегодня любая компания может стать членом SPARC International и получить доступ к спецификациям SPARC, заплатив вступительный взнос в $99. Кроме того, любой из членов SPARC International имеет право участвовать в дальнейшей разработке архитектуры и спецификаций SPARC.

Образование SPARC International, независимой от Sun организации, дало толчок развитию рынка SPARC-совместимых процессоров, рабочих станций и серверов. Заметными игроками на этом рынке были Fujitsu, HaL (впоследствии ставший частью Fujitsu), Soulbourne, Cypress (Ross Technology), Metaflow.

Следующим шагом Sun, направленным на открытие архитектуры SPARC, стала публикация исходных кодов (Verilog) процессора UltraSPARC T1 (Niagara) на основании Open Source лицензии GPL (http://opensparc.net). Это позволяет любой компании воспроизвести полностью или частично многопотоковый процессор UltraSPARC T1. Этим шансом уже воспользовалась компания Simply RISC (srisc.com), выпустившая одноядерный процессор S1 Core.

Каковы архитектурные особенности процессоров UltraSPARC IV+ и Niagara? В каких задачах эти процессоры демонстрируют наилучшие показатели производительности?

Мы говорим обычно о трех типах нагрузок на системы: Data (большие объемы данных, сложные запросы), Web (большие сетевые потоки, множество мелких транзакций) и Compute (сложные вычислительные задачи с плавающей точкой). Для категории Data оптимально использование процессоров UltraSPARC IV+, поддерживающих симметричные многопроцессорные архитектуры (сегодня – до 144 ядер), огромные объемы оперативной памяти (сегодня – свыше 1 Терабайта на систему). Процессор UltraSPARC T1 (Niagara) был разработан специально для веб-нагрузок, где каждая отдельная транзакция достаточно легкая, но их общий поток очень велик. Этот процессор также хорошо показал себя на задачах серверов приложений и OLTP баз данных. Две области, где мы его не рекомендуем – это однопотоковые задачи и вычисления с плавающей точкой. Для таких нагрузок идеально подходит процессор AMD Opteron. Таким образом, для всех основных типов нагрузок, встречающихся у наших заказчиков, мы имеем возможность подобрать оптимальную архитектуру процессора и всех системы.

Какие причины подтолкнули Sun Microsystems к разработке совместной продуктовой линейки с Fujitsu?

В конце 1990-х годов инженеры Sun начали работы по созданию многоядерных и многопотоковых процесоров, а в 2002 году руководство Sun приняло решение сделать технологию многоядерных и многопотоковых процессоров (Chip Multithreading, CMT), ключевой для компании на ближайшее десятилетие. В рамках этой стратегии были запущены в разработку процессорные проекты Niagara и Rock. С тем, чтобы сконцентрировать ресурсы инженеров на этих двух перспективных проектах, было принято решение закрыть несколько проектов, лежащих в русле «традиционных» архитектур (как, например, UltraSPARC V). А для того, чтобы обеспечить заказчиков линией продуктов, продолжающей традиционную многопроцессорную архитектуру SPARC, Sun заключила в 2004 году стратегическое соглашение с компанией Fujitsu Ltd., нацеленное на совместную разработку и производство полной линейки серверов на базе архитектуры SPARC.

Что дало компании Sun и ее клиентам заключение этого соглашения?

Объединение усилий двух компаний позволило Sun высвободить значительные инженерные ресурсы для выполнения других задач. Этот шаг дал ощутимые результаты. Так, процессор Niagara был выпущен на 9 месяцев раньше намеченного срока - случай небывалый в практике процессорных разработок! Процессоры проекта Niagara 2 тоже опережают график и с лета 2006 года уже работают в тестовых системах в лабораториях Sun. Разработка процессора Rock также движется опережающими темпами: в январе этого года Sun успешно завершила разработку прототипа и готовится к началу опытного производства этого процессора. Согласно нашим планам, первые продукты на базе процессора Rock должны появиться во второй половине 2008 года. Что касается их производства, здесь мы планируем продолжать сотрудничество с компанией Texas Instruments.

Как происходит взаимодействие компаний в рамках альянса?

Каждая компания привнесла свои технологии и интеллектуальный капитал в новую линию серверных продуктов, названную Advanced Product Line (APL):

• Специалисты Sun разрабатывают все системы с технологией Chip Multithreading на базе процессоров UltraSPARC T1 (Niagara) и, впоследствии, процессоров Niagara 2.
• Fujitsu разрабатывает процессоры SPARC64 для систем mid-range и high-end в этом семействе.

Инженеры обеих компаний совместно работают над архитектурой, системами управления и диагностики. Специалисты Fujitsu имеют большие наработки в области обеспечения надежности и высокой готовности, которые были использованы в APL. Специалисты Sun разрабатывают операционную систему Solaris, которая будет работать на этих серверах. Команды разработчиков работают в тесном взаимодействии, тщательно согласовывая все спецификации и технологические решения.

Sun разрабатывает процессоры самостоятельно, однако отдает полупроводниковое производство на аутсорсинг другим компаниям. Чем продиктована эта стратегия?

Полупроводниковое производство – это отдельный бизнес, требующий от компании особой специализации. Затраты на исследования, строительство и содержание фабрики могут окупиться только массовым производством процессоров. Не случайно большинство компаний в этом бизнесе выпускает процессоры не только для себя, но и берет на изготовление заказы от других фирм. Sun уже много лет сотрудничает с компанией Texas Instruments. Это выгодно Sun – нам не нужно держать в штате специалистов по физике полупроводников, выращиванию кристаллов и т.п. Это выгодно Texas Instruments – они разрабатывают передовые технологические процессы для изготовления процессоров UltraSPARC, и потом применяют их для массового производства собственных процессоров для обработки сигналов (DSP), которые сегодня используются в каждом сотовом телефоне.

Ранее Sun работала с Fujitsu и LSI Logic в этом направлении, размещая заказы на изготовление процессоров, однако в последние годы все процессоры изготавливал только Texas Instruments. В новой линии серверов, разработанной совместно с Fujitsu, будут применяться процессоры SPARC64 производства Fujitsu.

Где будут производиться системы APL и чем будут отличаться продукты Sun и Fujitsu?

Производство систем будет налажено на трех заводах:

• завод Sun в Шотландии
• завод Sun в США
• завод Fujitsu в Японии

Технически системы будут абсолютно идентичны, отличаться они будут только цветом корпуса и логотипом, в зависимости от того, кто продал систему заказчику - Sun Microsystems, Fujitsu или Fujitsu-Siemens.

Какие продукты в рамках семейства APL будут доступны клиентам?

В рамках семейства APL планируется выпуск трех линеек серверов, которые будут работать под управлением ОС Solaris 10 (Update 3 и выше):

• серверы, ориентированные на сетевые нагрузки, на базе процессоров UltraSPARC T1
• серверы класса Mid-Range для установки в монтажные стойки на базе процессоров SPARC64
• серверы класса High-End в отдельно стоящем корпусе, также использующие процессоры SPARC64

Все серверы семейства будут полностью бинарно совместимы между собой.

Sun и Fujitsu – конкуренты. Каким образом компаниям удается сотрудничать с выгодой для обеих сторон?

Наше сотрудничество распространяется только на инженерные разработки, в вопросах продаж мы продолжаем конкурировать на рынке, и здесь Sun значительно опережает Fujitsu. Так, по данным IDC за 3 квартал 2006 года доля рынка Unix серверов по числу установленных систем у Sun составляла 44,6%, у Fujitsu/Fujitsu-Siemens - 4,1%.

Если взглянуть на 20-летнюю историю наших отношений, то взаимные обмены технологиями случались достаточно часто. В начале 90-х годов в серверах Sun использовались процессоры HyperSPARC производства Ross Technology, которая стала впоследствии частью Fujitsu. В середине 90-х Fujitsu лицензировала у Sun технологию системного коммутатора Ultra Port Architecture (UPA), лежавшую в основе первых серверов на базе 64-битного UltraSPARC. В начале 2000-х годов Fujitsu успешно внедрила технологии обеспечения надежности и высокой готовности из своих mainframe-продуктов в серверах SPARC. Сегодня в High-End серверах семейства APL эти технологии активно применяются, обеспечивая наивысший уровень надежности для открытых систем.

Стоит подчеркнуть, что Sun видит свою задачу в том, чтобы поставлять своим заказчикам полное решение, включающее в себя серверы, операционную систему, системы хранения данных и всестороннюю техническую и сервисную поддержку. С нашей точки зрения, заказчику важно, чтобы было с кого спросить в случае возникновения сбоев или проблем. И в этом смысле мы полностью отвечаем за систему, которую поставляем, хотя в ней могут использоваться самые различные процессоры: и UltraSPARC IV+, и UltraSPARC T1, и AMD Opteron, и SPARC64, и Intel Xeon.

Февраль 2007