Intel zeigt Prozessor aus der Forschung mit 48 Rechenkernen

Forscher von Intel in Braunschweig, Bangalore (Indien) und Hillsboro (USA) haben erstmals den Prototypen eines Intel-Prozessors mit 48 Kernen enthüllt. Der Single-Chip Cloud Computer ist der jüngste Meilenstein des Tera Scale Computing Forschungsprogramms von Intel. Der Chip integriert zehn bis zwanzig mal mehr Prozessoreinheiten als die aktuellen Intel® Core™ Prozessoren. Fernziel ist es, hundert oder mehr Prozessorkerne auf einem Chip zu komprimieren. Künftige Computer könnten dadurch völlig neue Software-Anwendungen und Mensch-Maschine-Schnittstellen ermöglichen. Intel plant, Industrie und Hochschulen im nächsten Jahr mit 100 oder mehr dieser neuen Chips für die Entwicklung neuer Software-Anwendungen und Programmiermodelle auszustatten.

Während Intel im Jahr 2010 Prozessoren mit sechs und acht Kernen auf breiter Basis in den Markt einführen wird, umfasst der „Single-Chip Cloud Computer“ 48 voll programmierbare Intel® Architektur Rechenkerne – mehr als je zuvor auf einem einzigen Siliziumchip integriert waren. Der Chip verfügt zudem über ein sehr schnelles Netzwerk, das den Datenaustausch zwischen den Rechenkernen ermöglicht sowie neue Powermanagement-Technologien für eine extrem hohe Energieeffizienz. Die 48 Kerne benötigen nur 25 Watt im Idle-Zustand oder 125 Watt bei maximaler Leistung – das ist vergleichbar mit dem Verbrauch aktueller Intel® Prozessoren oder der Leistungsaufnahme von zwei Standard-Haushalts-Glühbirnen.

Ingenieure des Intel Standorts Braunschweig – Bestandteil der Intel Labs Europe – entwickelten den Prozessorkern, die spezielle Hardware, mit der die Kerne mit reduzierter Latenz kommunizieren und einen schlanken, energieeffizienten Speicher-Controller, der für viele Prozessorkerne optimiert ist. Intel Braunschweig war zudem für die Validierung des gesamten Chips zuständig. Dafür kam die in Braunschweig entwickelte Technologie für die Emulation von Mikroprozessoren zum Einsatz, damit das weltweite Team die Software- und Hardware-Konzepte testen konnte, bevor der Chip tatsächlich gebaut wurde. Dies verringerte die Design-Zeit etwa um die Hälfte und beschleunigte die Software-Entwicklung. Details über die Architektur des Chips und Schaltungen werden in einem Vortrag auf der International Solid State Circuits Conference in San Francisco/USA im Februar veröffentlicht.

Intel arbeitet daran, die Erkenntnisse aus der Planung und Entwicklung des Prototypen in die Mainstream-Chips der Zukunft einzubringen. Künftige Notebooks könnten mit dieser Rechenleistung die Fähigkeit erlangen, Objekte und Bewegungen real und mit hoher Genauigkeit in der gleichen Weise wahrnehmen zu können wie das menschliche Auge. So ist es zum Beispiel vorstellbar, beim Online-Shopping die 3D-Kamera und das Display eines künftigen Notebooks als „Spiegel“ zu nutzen. So könnte man virtuell Kleidung anprobieren.

Mit dieser Art von Interaktion wären keine Tastaturen, Fernbedienungen oder Joysticks für Spiele mehr notwendig. Einige Forscher glauben, dass Computer sogar in der Lage sein werden, Gehirnströme zu lesen. Damit würde das Denken an eine Aufgabe, etwa das Diktieren von Wörtern, ausreichen, damit der Computer agiert.

Die Intel Labs haben diesen Testchip auf den Namen „Single-Chip Cloud Computer“ getauft. Er gleicht der Organisation von Rechenzentren, die eine „Wolke“ von Computer-Ressourcen über das Internet aufbauen, um Dienstleistungen wie Online-Banking oder Social Networking für Millionen von Nutzern bereitzustellen.

Cloud Rechenzentren umfassen bis zu Tausende von Computern, die durch ein physikalisch verkabeltes Netzwerk verbunden sind, immense Rechenleistung liefern und riesige Datenmengen verarbeiten. Intels neuer Testchip verwendet einen ähnlichen Ansatz; alle Computer und Netzwerke sind auf einem einzigen Intel 45nm, High-k Metal-Gate Chip integriert, der etwa die Größe einer Briefmarke aufweist. Das reduziert drastisch die Menge der physikalischen Rechner, die für den Aufbau eines Cloud-Rechenzentrums notwendig sind.

„Mit einem solchen Chip wird ein künftiges Cloud-Rechenzentrum um ein Vielfaches energieeffizienter arbeiten als heutige Rechenzentren sowie erheblich Platz und Energiekosten sparen“, so Justin Rattner, Chef der Intel Labs und Chief Technology Officer bei Intel. „Ich gehe davon aus, dass diese fortschrittlichen Konzepte im Laufe der Zeit ihren Weg in die Mainstream-Geräte finden. In ähnlicher Weise sind zuvor fortschrittliche Automobil-Technologien wie elektronische Motorsteuerung, Airbags und ABS schließlich in alle Autos eingezogen.“

Der „Single-Chip Cloud Computer“ bietet ein High-Speed-Netzwerk zwischen den Kernen für den effizienten Austausch von Informationen und Daten. Diese Technik verbessert die Kommunikationsleistung und die Energieeffizienz für Rechenzentren enorm, da sich Datenpakete nur Millimeter auf einem Chip bewegen statt Dutzende Meter zu einem anderen Computer System zurückzulegen. Software ist in der Lage, in wenigen Mikrosekunden Informationen direkt zwischen den kooperierenden Kernen auszutauschen. Dadurch ist kein Zugriff auf einen langsameren Systemspeicher außerhalb des Chips mehr notwendig. Anwendungen können auch dynamisch genau verwalten, welche Kerne sie für eine bestimmte Aufgabe zu einem bestimmten Zeitpunkt verwenden und ihnen entsprechend den Anforderungen den Leistungs- und Energiebedarf zuweisen.

Ähnliche Aufgaben lassen sich auf den nächst gelegenen Kernen ausführen. So ist es sogar möglich, Ergebnisse wie auf einem Montageband direkt von einem Kern zum nächsten weiterzuleiten, um die Gesamtleistung zu maximieren. Darüber hinaus wird diese Software-Kontrolle um die Verwaltung von Spannung und Taktrate erweitert. Die Kerne lassen sich ein- und ausschalten oder ändern ihr Leistungsniveau, indem sie sich kontinuierlich an die niedrigste notwendige Energiestufe anpassen.

Die Programmierung für Prozessoren mit mehreren Kernen ist eine bedeutende Herausforderung für die gesamte Industrie. Der Prototyp ermöglicht effiziente Ansätze der parallelen Programmierung auf dem Chip, die bislang in der Software von Cloud-Rechenzentren verwendet werden. Forscher von Intel, HP und Yahoo haben im Rahmen ihrer Zusammenarbeit bei Open Cirrus bereits Cloud-Anwendungen auf den 48 IA-Core Chip portiert. Sie nutzten dazu Hadoop, ein Java-Software-Framework, das datenintensive, verteilte Anwendungen unterstützt.

Die ETH Zürich ist eine der europäischen Hochschulen, die den Testchip von Intel erhalten, um neue Software-Anwendungen und Programmiermodelle für künftige Vielkern-Prozessoren zu entwickeln. „Wir freuen uns sehr über den Single-Chip Cloud Computer von Intel“, sagte Professor Timothy Roscoe von der Computer Science Department Systems Group der ETH Zürich. „Im Barrelfish-Projekt konzipieren wir Betriebssystem-Architekturen für künftige Multi- und Many-Core Systeme. Der Intel Chip ist mit seinem Speicher- und Datentransfer-System ein ideales Tool zum Testen und Validieren unserer Ideen.“

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