بر فراز نیاگارا - نگاهی به پردازنده‌های شرکت سان مایکروسیستمز

اشاره : شرکت سان مایکروسیستمز را باید در کنار آی‌بی‌ام به عنوان یکی از پیشکسوتان دنیای پردازنده‌ها به حساب آورد. این شرکت که به‌طور مداوم در نهان و آشکار به‌منظور رقابت با دیگر سازندگان پردازنده در ساخت محصولات خود نوآوری می‌کند، به شدت بر روی پردازنده‌های خود موسوم به اسپارک (SPARC) تمرکز کرده و تنها راه ادامه حیات خود در مقابل رقبای سرسختی چون آی‌بی‌ام و اینتل را تولید پردازنده‌هایی می‌داند که همواره از لحاظ سطح فناوری برای کاربردهای سرور، چند پله بالا‌تر از همتایان خود باشد. گذشته از این که در بسیاری از موارد، این موضوع به واقعیت نپیوسته و در برخی مواقع، بیشتر باعث بروز هیاهو و سروصدا در بازار پردازنده شده تا ارائه یک محصول واقعی، جا دارد به تلاش‌های این شرکت همراه با سایر شرکای پروژه اسپارک برای پیشبرد پروژه، نگاهی بیندازیم.

کلمه scalable Processor Architecture) SPARC) به معنای معماری مقیاس‌پذیر پردازش است. امروزه کاربرد پردازنده‌های اسپارک از کامپیوترهای شخصی قابل‌حمل گرفته تا سرورها و سوپرکامپیوترها را در برمی‌گیرد. زمانی که شرکت سان مایکروسیستمز در سال 1987 اولین کامپیوترهای مبتنی‌بر پردازنده‌های اسپارک را به بازار عرضه کرد، هیچ‌کس تصور نمی‌کرد در آینده، این نوع کامپیوترها به یکی از بهترین انتخاب‌ها برای سرور ویژه اجرای برنامه‌های کاربردی (Application Server) تبدیل شوند.   در آن زمان بسیاری از دیگر سازندگان کامپیوتر، نظیر آی‌بی‌ام، اینتل و اچ‌پی نیز مشغول تحقیقات و مذاکره برای ساخت پردازنده‌های مبتنی‌بر تکنولوژی RISC بودند که ناگهان شرکت سان خبر ارائه اولین سری پردازنده‌های مبتنی‌بر این فناوری را اعلام نموده. پس از این واقعه، سان در دومین گام، در خط تولید دو محصول کلاینت یونیکس خود که با پردازنده‌های ساخت اینتل و موتورولا کار می‌کردند، تغییراتی ایجاد نمود. در این تغییر، پردازنده‌های اسپارک جایگزین پردازنده‌های دو شرکت مذکور شدند و بدین ترتیب بخش بزرگی از بازار کلاینت‌های یونیکسی به دست سان افتاد. پردازنده - ویژگی ها Ultra SPARC III  itanium 2-2003 Freguency GHz 1.2 GHz 1.5 64bit Register YES YES Bus speed MHz150 MHz400 L1 cache 64K 16K L2 cache 8-1 MB External  256K Internal L3 cache Nothing 5.6-MB 1 Multi Threading thread 1 thread 2  Transistors  29 Million   221 Million  جدول1- مقایسه پردازنده Ultra SPARC III و پردازنده ایتانیوم 2 اینتل در سال 2003 حکایت از عملکرد نسبتاً ضعیف سان دارد. دو سال بعد و در ادامه این فعالیت‌ها، سان به کمک دیگر شرکای تجاری خود مؤسسه‌ای را تحت عنوان اسپارک بین‌المللی (SP ARC International Inc) جهت مستقل‌تر کردن و فراگیرتر ساختن پلتفرم اسپارک و طرح مباحث تجاری و حق‌امتیاز ساخت آن برپا کرد. در همین سال شرکت سان، کامپیوترهای SPARC Station 1 را با ویژگی21.5 MIPS و 4/1 مگافلا‌پس و خطوط حامل SBUS با سرعتی سه برابر مدل قدیمی‌تر خود به بازار عرضه کرد که باعث وارد آمدن شوکی  جدید به رقبا و به‌ویژه موتورولا بود. در سال 1990 کامپیوترهای SPARC Station 2 با ویژگی 28.5MIPS و 4.5MFLOPS و بالاخره در سال 1991 سری سرور کامپیوترهای اسپارک با نام SPARC server 600mp با خطوط حامل MBUS به بازار ارائه شدند. پردازنده مورد استفاده همه این کامپیوترها تا این سال، از نوع SPARC معمولی بودند. اما از آن سال به بعد، سان با ساخت پردازنده‌های نسل جدید  اسپارک، یعنی Super SPARC (که بازهم یک پردازنده 32 بیتی بود، اما با فرکانس بالا برای انجام دستورالعمل بیشتری در واحد زمان بود) و پردازنده‌های 64‌‌‌بیتی Ultra SPARC که ویژه سرور محیط‌هایEnterprise در نظر گرفته شده بود)، گام‌های بسیار اساسی‌ای را در کسب سهم مهمی از بازار کامپیوترهای سرور در جهان برداشت.   لازم به ذکر است که در  همین سال‌ها، سایر شرکای تجاری سان، نظیر فوجیتسو مایکروالکترونیک و یا رُزتکنولوژی نمونه‌هایی از پردازنده‌های اسپارک مانند hyper SPARC و Turbo SPARC را ساختند که البته موفقیت آن‌ها در کسب سهم از بازار سرورها نسبتاً خوب بود. اما این توفیق به‌اندازه موفقیت سان نبود. در حالی که سرورهای مبتنی‌بر پردازنده‌های اسپارک به‌همراه سیستم‌عامل اختصاصی سان، یعنی سولاریس، کارایی بسیار عالی و سرعت بی‌نظیری را در کاربردهای مهمی چون وب سرور سایت‌های بزرگ و پربیننده به نمایش گذاشته بودند. اما سان در سال‌های 2002 تا 2004 روزهای کم فروغی را در عرضه پردازنده‌های جدید گذراند. طی این سال‌ها، سان خود را به شدت درگیر مباحث مربوط به سیستم‌عامل سولاریس کرد و سعی نمود موقعیت این سیستم‌عامل را هم در پلتفرم SPARC و هم در پلتفرم 86X در رقابت با لینوکس و ویندوز مستحکم‌تر کند. بنابراین حتی با وجود ارائه نسخه دهم سولاریس که با هیاهوی اُپن‌سورس بودن نیز همراه بود، هیچ‌کدام از وعده‌های سان برای ارائه پردازنده‌های قوی‌تر در طی این سال‌ها به سرانجامی نرسید.   در این حال برخی مشتریان بزرگ کامپیوترهای SPARC مثل صنایع نظامی ایالا‌ت‌متحده و بریتانیا که درگیر جنگ با عراق بودند، به شدت نیاز به ساخته شدن نسل جدیدی از اسپارک‌های پرسرعت‌تر را در بازار افزایش دادند. طی چند سال توقف سان در ارائه پردازنده‌های قوی‌تر و پرسرعت‌تر، برخی از سازندگان کامپیوتر با ساختن سرورهایی که امکان پشتیبانی از تعداد بیشتری پردازنده‌های موجود اسپارک را داشتند، سعی نمودند خلا وجود پردازنده‌های پرسرعت را به نحوی جبران نمایند.   در مقاطعی نیز برخی مشتریان به تدریج از برطرف‌شدن این معضل در آینده نزدیک ناامید شدند و به بررسی سایر پلتفرم‌ها برای مهاجرت احتمالی پرداختند. اما در آوریل سال 2004 سرانجام سان با ارائه رده جدیدی از پردازنده‌هایUltra SPARC IV، این طلسم را شکست. سرورهای جدید SUN Fire که به این سری از پردازنده‌های اسپارک مجهز بودند، در سپتامبر سال 2004 رکورد جدیدی را در فروش سرورهای مبتنی بر اسپارک به جا گذاشتند. در همین حین، سان مشغول طراحی نسل جدیدی از پردازنده‌های اسپارک موسوم به نیاگارا (Niagara) شد و اعلام کرد که این طرح را برای به‌دست‌آوردن یک جایگاه مستحکم و پایدار در میان سازندگان پردازنده برای دو تا سه سال آینده مدنظر قرار داده و تا چندی دیگر پس از تکمیل مراحل طراحی، آن را روی خط تولید قرار خواهد داد. طرح نیاگارا که دارای قابلیتی به نام Chip Multi threading است، برای سرعت بخشیدن به پردازش و ارسال صفحات وب به سمت کاربر بهینه شده و هسته آن در واقع قدرتی برابر با هشت هسته پردازنده اسپارک 2(SPARC II) دارد و در نتیجه قادر است 32 (=4*8) پردازش موازی را به صورت همزمان انجام دهد. به عقیده بسیاری از کارشناسان، این طرح در مقایسه با فعالیت‌های مشابه سایر سازندگان پردازنده، بسیار رادیکال و تند به نظر می‌رسید. چرا که سرشناس‌ترین آن‌ها، یعنی اینتل، در آن زمان تنها دو هسته با قابلیت دو پردازش یعنی مجموعاً  4= (2*2) پردازش موازی همزمان را برای پردازنده‌های خود در نظر گرفته بود. اصولاً سان یکی از شرکت‌هایی است که به تخصصی بودن محصولات سخت‌افزاری برای هر نوع کاری که قرار است انجام شود، اعتقاد عجیبی دارد.   با این حال معتقد است که پردازنده‌های نیاگارا در تلفیق با سیستم‌عامل سولاریس 10 قادرند در سرورهای بانک اطلاعاتی و وب‌سرورها، که دو رده کاملاً متفاوت از سرورها را تشکیل می‌دهند، کارایی بی‌نظیری را از خود نشان دهد. با تمام این تفاسیر، سان ارائه رسمی پردازنده‌های نیاگارا را تا سال 2006 به تعویق انداخت و همچنان به فروش سرورهای مبتنی‌بر پردازنده‌های iv و iv+ پرداخت. پردازنده‌های iv+ نسبت به iv برای افزایش سرعت اجرای برنامه‌ها در سولاریس ویژگی‌هایی برتری دارند. جدول 2 برخی مشخصات این پردازنده را نشان می‌دهد. برخی مشخصات پردازنده‌های اسپارک در دنیای پردازنده‌های اسپارک با واژه‌هایی روبه‌رو می‌شویم که شاید کم و بیش در عرصه سایر پردازنده‌ها نیز با آن‌ها برخورد کنیم.یکی از مهم‌ترین آن‌ها مفهوم thread است که در این‌جا مختصراً به آن اشاره کنیم. Throughput Computing این قابلیت در واقع سیاست و استراتژی اصلی طراحی و ساخت پردازنده‌های نسل Ultra SPARC است و به پردازنده امکان می‌دهد به صورت همزمان دو برنامه مختلف را اجرا نماید که هر کدام بیش از یک مسیر موازی دارند. یعنی هر کدام را در قالب عملیات (Multi threading) در سیستم‌عامل سولاریس اجرا نماید. این قابلیت که در واقع تلفیق دو قابلیت پردازشی موازی (Multi threading) و چند هسته‌ای (Multi core) است، به هر هسته (core)  پردازنده اجازه می‌دهد یک برنامه دارای قابلیت Multi threading را با سرعتی بیشتر اجرا نماید. در این حالت اگر یکی از دستورات در حال اجرای یک برنامه باعث شود یکی از هسته‌های پردازنده منتظر دریافت اطلاعات از هارددیسک یا حافظه بماند، آن هسته می‌تواند با مسیر (thread) دیگری به اجرای سایر دستورات بپردازد و فقط یکthread خود را جهت دریافت اطلاعات در حالت انتظار باقی بگذارد. حال تصور کنید که اگر هر هسته بتواند این کار را انجام دهد، در نتیجه تعدادی برنامه می‌توانند به صورت همزمان و هر کدام با چند مسیر موازی و با سرعت زیاد اجرا شوند. شایان ذکر است که برای طی شدن مطلوب این روند، سیستم‌عامل سولاریس نیز با قابلیت اجرای برنامه‌ها در قالب مسیرهای موازی سهم مهمی را در ارائه این سرویس به خود اختصاص داده است. همچنین نباید نقش برنامه‌های اجرایی یا همان Applicationها را در زمینه قابلیت اجرا شدنشان به صورت مسیرهای موازی نادیده گرفت. این پدیده برای تمام برنامه‌های تجاری تحت سولاریس مثل پایگاه‌های اطلاعاتی، وب سرور، سرویس‌های وب، برنامه‌های ERP ،CRM و Data Mining مفید بود و باعث افزایش چشمگیر سرعت پردازش آن‌ها شد. همان‌طور که گفته شد، یک پردازنده می‌تواند به صورت موازی چند برنامه همزمان را اجرا نماید. این امکان، به‌چند صورت اجرا می‌شود: - از طریق وجود چند هسته در یک پردازنده که به آن Chip Multi Processing) CMP) یا Multiple core نیز گفته می‌شود. - از طریق توانایی یک هسته در اجرای چند مسیر موازی که به آن (simultaneous Multi threading) اطلاق می‌گردد. - به‌صورت ترکیبی از CMP و SMT که به آن Chip Multi Processing) CMT) می‌گویند که به همراه قدرت آدرس‌دهی 64‌بیتی حافظه در پردازنده‌های آلترا اسپارک، قابلیت Throughput computing را به‌وجود می‌آورند. این سرمایه‌های گران‌بها حاصل تلاش 17 ساله شرکت سان در ساخت پردازنده‌های قدرتمند با کمک شرکای معتبری چون Texas Instruments است که در پروژه آلترا اسپارک و یا حتی نیاگارا (در آینده) از متحدان استراتژیک سان به‌شمار می‌رود. ‌ قابلیت  پردازنده iV   پردازنده +iV  پردازنده  نیاگارا Multi Threading Thread 2 Thread 4  Thread 16.32  Multi Core single core Dual core  core 4-8  Freguency 1.35 GHz 1.5 GHz 1-1/2 GHz L2cache 16MB  32MB  24MB  L3cache  Nothing  MB 16        (400KB برای هر هسته) MB3 جدول 2  Ÿنیاگارا عرضه شد شرکت سان‌مایکروسیستمز در ماه نوامبر سال 2005 میلادی جدیدترین پردازنده مرکزی خود را با نام رسمی   UltraSparc T1 (و نام رمز Niagara) عرضه کرد. این شرکت امیدوار است با استفاده از این پردازنده‌های پرقدرت فروش سرورهای خود را تقویت نماید. پردازنده  1T دارای هشت هسته اجرایی (با قابلیت اجرای چهار thread) برروی یک قطعه سیلیکون است و مصرف برق آن حدوداً 70 وات می‌باشد. این شرکت همچنین نمونه‌های 4 و 6 هسته‌ای  T1 را نیز عرضه کرده است.   جاناتان شوارتز، مدیر امور اجرایی سان، ضمن اشاره به این‌که T1 پردازنده‌های Power5 از IBM و Xeon از اینتل را پشت‌سر می‌گذارد مدعی است که عرضه این پردازنده سان را پنج سال جلوتر از رقبای خود قرار خواهد داد. وی می‌گوید: <احتمالاً متوجه شده‌اید که طی چند سال گذشته ما هیچ برتری‌ای در زمینه پردازنده‌های Sparc  نداشته‌ایم. با این حال اکنون ما یک برتری انکارناپذیر در زمینه کارایی پردازنده‌ها داریم>. سان در نظر دارد از این پردازنده پرقدرت در سری جدید سرورهای SunFire خود استفاده کند. این شرکت در حال حاضر سومین تولیدکننده بزرگ سرور پس از IBM و HP است.