ICE und XMT: US-Professor schlägt neuartige PC-Architektur vor
Nicht nur Thesen für eine neue Computerarchitektur stellt Uzi Vishkin in der Januarausgabe(öffnet im neuen Fenster) der Fachzeitschrift Communications des einflussreichen US-Wissenschaftsverbands Association for Computing Machinery auf ( PDF(öffnet im neuen Fenster) ). Der Wissenschaftler, der als Professor für Computerwissenschaften an der Universität von Maryland lehrt, hat für seine beiden Modelle bereits Hard- und Software gebaut.
Anders als bei allen bisherigen Computern nach der Von-Neumann-Architektur(öffnet im neuen Fenster) , die im Wesentlichen eine serielle Verarbeitung von Befehlen vorsieht, will Vishkin auf Seiten des Programmierers die "Immediate Concurrent Execution" (ICE) erreichen. Ein Programm kann dabei beliebig viele Befehle gleichzeitig geben, und auch ein Compiler soll dann nicht mehr notwendig sein, um diese in eine mehr oder weniger sinnvolle Reihenfolge zu bringen.
Wie diese Befehle dann möglichst gleichzeitig ausgeführt werden können, um eine hohe Rechenleistung zu erzielen, darum soll sich die Hardware kümmern. Bei einem Mehrkernsystem soll einer der Cores die anderen steuern. Bisher ist es genau umgekehrt: Die Software, in der Regel das Betriebssystem, verteilt die Arbeit an die Kerne. Das erzeugt auf Desktopsystemen, bei denen viele Programme gleichzeitig laufen, inzwischen solche Probleme, dass beispielsweise Intel und Microsoft für Windows 7 gemeinsam die Threadverwaltung gestalten mussten. Der Vorschlag, der Hardware mehr Kontrolle über die Lastverteilung zu geben, kam kürzlich auch von Microsoft .
Von Neumann ist out
Auch in einem weiteren Punkt verlangt Vishkin einen Bruch mit der Von-Neumann-Architektur: Prozessor und Hauptspeicher dürfen nicht länger getrennt sein. Zwar ist der klassische Front-Side-Bus (FSB) bei x86-Prozessoren inzwischen verschwunden, weil die Speichercontroller in der CPU sitzen. Der Hauptspeicher wird aber immer noch über einen im Vergleich mit den internen Datenkanälen der CPU sehr langsamen Bus angesprochen. Moderne Prozessoren versuchen das durch immer größere Caches abzufangen, die inzwischen auch in drei Stufen üblich sind.
XMT-Hardware mit breitem Speicherbus
Vishkin(öffnet im neuen Fenster) schlägt stattdessen einen sehr breiten und voll parallel nutzbaren Bus vor, auf den alle Kerne des Prozessors gleichzeitig Zugriff haben sollen. Dadurch sollen sich auch die bei DRAM unvermeidlichen Latenzen genauer vorhersagen lassen, die Software muss auch darauf keine Rücksicht mehr nehmen. Das Hardwarekonzept nennt der Forscher "Explicit Multi-Threading" (XMT).
Dafür hat seine Forschungsgruppe in Maryland auch schon Prototypenhardware gebaut, die derzeit auf einer PCI-Steckkarte mit drei FPGAs von Xilinx basiert. Einer der Prozessoren steuert die beiden anderen, und alle haben Zugriff auf den direkt auf der Karte montierten Hauptspeicher – das Layout erinnert sehr an eine Grafikkarte. Diese Beschleuniger kommen gegenüber CPUs schon lange auf viel höhere Speicherbandbreiten.
Auf GPU-orientierte Architekturen geht Vishkin in seinem Artikel ebenfalls ein. CUDA oder OpenMP unterscheiden sich seiner Meinung nach noch weiter von herkömmlichen Programmiermodellen, so dass die Einarbeitung noch schwieriger als bisher ist. Überhaupt geht es dem Wissenschaftler darum, die Umsetzung von Algorithmen in Code für die Programmierer einfacher zu machen.
Obwohl für ICE und XMT neue Hard- und Software nötig ist, lässt sich schon jetzt für jeden mit den Konzepten experimentieren. Vishkin hat dafür ein Linux-Paket zum freien Download(öffnet im neuen Fenster) zur Verfügung gestellt, das unter anderem einen Compiler und einen Simulator für eine XMT-Maschine enthält. Damit lässt sich ein XMT-Computer mit 1.024 Kernen taktgenau simulieren. So werden auch kommerzielle Prozessoren entwickelt: Sie entstehen in der Regel als Softwaremodell, das sie auf bereits existierenden Supercomputern mit geringen Taktraten simuliert.
Laut einem Bericht von IDGNews(öffnet im neuen Fenster) hält Vishkin bereits sechs Patente für seine Erfindungen. Eigenen Angaben zufolge unterrichtet Vishkin seit 2007 XMT- und ICE-Programmierung und stößt damit bei den Studenten auf reges Interesse.