Intel в Сарове - кузница будущего высокопроизводительных систем

⇡#Проект IPP

Теперь немного отвлечемся от распределенных вычислительных систем и рассмотрим программное обеспечение, так сказать, "индивидуального" пользования. Речь пойдет о базовых "кирпичиках", с помощью которых можно создавать широкий спектр ПО различного назначения, где необходима высокая производительность. Об этом рассказал Владимир Дудник, руководитель проекта Intel Intergrated Performance Primitives (IPP). Intel IPP разрабатывается полностью в России и включает 17 основных направлений, в которых представлено более 10 тысяч готовых функций. Необходимо отметить, что поддерживаются архитектуры IA32, Intel 64, IA64, Atom и операционные системы Windows, Linux, MacOSX. Основные релизы Intel IPP выпускаются каждые полгода и включают основной пакет IPP, а также пакет примеров. Главные достоинства Intel IPP - переносимость, высокая производительность, удобный API и продуманная система именования функций, которая обеспечивает самодокументируемость. Пример расшифровки имени функции показан на слайде выше. Здесь неслучайно приведен пример с цветной маркировкой резисторов, знакомой всем радиолюбителям. Достаточно запомнить небольшой набор простых правил, и можно легко понять, для чего предназначена та или иная функция просто по ее названию. В настоящее время доступно более 50 примеров исходного кода для таких приложений, как:

• кодирование видео: MPEG2, MPEG4, H264, VC1
• кодирование музыки: MP3, AAC, AC3
• кодеки JPEG, JPEG-XR и JPEG2000
• кодирование речи: G722, G723, G726, G728
• обработка изображений в отложенном режиме
• компьютерное зрение: распознавание лиц
• трассировка лучей
• интерфейсы: Java, C#, .VB, F90, C++

При этом идет оптимизация по всем направлениям - улучшение алгоритмов работы функций, эффективное использование многоядерных процессоров, автогенерация оптимизированного кода (SPIRAL). Как и в других программных продуктах Intel, в Intel IPP нет привязки исключительно к процессорам Intel, важен только набор поддерживаемых процессором команд. Также для Intel IPP существует надстройка под названием DMIP, которая представляет собой конвейер потоковых вычислений. Что интересно, DMIP разрабатывалась и для архитектуры Larrabee. Пакет Intel IPP является коммерческим, обычная лицензия обойдется в сумму $199, а академическая - $99. Есть и пробная версия, которая полнофункциональна и будет работать 30 дней. Для такого мощного пакета цена лицензии смехотворно мала, но самоокупаемость проекта IPP - не самоцель. Более того, Intel не стесняется поддерживать проекты с открытым кодом. Например, IPP обеспечивает ускорение до 4 раз для GZIP библиотеки, а OpenSSL выигрывает в производительности до 5 раз при использовании IPP на процессорах Westmere. Использование Intel IPP позволяет разработчикам ПО сэкономить немало сил и средств при создании собственных приложений, будь то пакет финансового анализа или медиапроигрыватель. При этом получаемый код уже максимально оптимизирован под архитектуру современных процессоров, да и поддержка будущих архитектур тоже не вызовет проблем. Благодаря исключительной гибкости Intel IPP разработчик ПО может сделать свое приложение или максимально универсальным, или наоборот - чрезвычайно специализированным и очень компактным. Это актуально, например, при создании различных портативных устройств, которые, как правило, используют Linux-подобную ОС, должны быть максимально функциональны и имеют ограниченные вычислительные мощности.

⇡#Группа технологий производства полупроводников

Теперь пришло время познакомиться с чрезвычайно интересным проектом по моделированию процессов и технологий изготовления полупроводниковых устройств, который представил Борис Воинов, руководитель группы TMG (Technology Manufacturing Group). Всем известно, что типичный срок службы процессора составляет около 10 лет. И это несмотря на то, что относительно небольшой по размерам кристалл полупроводника по тепловыделению может сравниться со 100-ваттным паяльником. За счет чего достигается высокая надежность столь тонких устройств? За счет тщательной проработки мельчайших деталей и учета всех возможных нюансов. В группе Бориса Воинова над решением этих задач бьются физики, химики, математики и программисты. Основные направления работы группы показаны на слайде ниже. Основная задача - анализ механических напряжений. Дело в том, что чем "тоньше" техпроцесс, тем выше плотность тока в проводниках и неравномернее нагрев кристалла. Все это неизбежно приводит к возникновению тепловых и механических напряжений, деформации полупроводника, а значит возможно появление дефектов, усталости и разрушение материала. Поэтому очень важно проработать модель кристалла того же процессора заранее, чтобы обеспечить ему максимально "комфортный" режим работы и долгий срок службы. На этом слайде условно показано деформирование подложки. Конечно, в реальности таких "винтов" не бывает, но на микроуровне даже небольшая деформация может привести к серьезному изменению свойств полупроводника и сказаться на надежности работы процессора. Для расчета такого рода напряжений используется обширная библиотека материалов, различные модели и методы. На этом слайде представлен пример расчета конечно-элементной модели. Материал разбивается на домены, включающие порядка 1000 элементов. Затем домены объединяются в группы и процессы, и рассчитываются на кластере. За счет параллельной обработки удается значительно сократить время решения этой весьма ресурсоемкой задачи. На этом слайде в правом верхнем углу вы можете видеть фотографию кристалла процессора, а ниже показана его условная модель, состоящая из нескольких слоев. Тепловой и электрический анализ использует все преимущества разбиения на домены, определяет распределение токов и температуры. В этом случае приходится решать множество нелинейных уравнений, но и с этой задачей успешно справляются. Дальнейшее развитие данного метода предполагает учет миграции дефектов в проводниках. Впрочем, еще до того, как добраться до изучения различных слоев современного процессора, приходится решать более частные, но, по сути, определяющие задачи - физическое моделирование транзисторов. Приходится учитывать множество различных параметров, включая квантовые эффекты. С помощью ПО, разработанного специалистами Intel в Сарове, моделировать современные и даже будущие транзисторы стало намного проще. Достаточно выбрать имеющиеся в библиотеке материалы, детализировать функциональную модель и система сама составит уравнения, описывающие проектируемый транзистор, а затем займется их численным решением. Разумеется, перебирать вручную все возможные сочетания материалов и технологий в поисках идеального транзистора весьма утомительно. Мы задали разработчикам вопрос - а нельзя ли с помощью их системы моделирования решить обратную задачу - задать желаемые свойства транзистора и получить на выходе список составляющих его материалов и технологий изготовления? Как оказалось, принципиальных ограничений в такой постановке вопроса нет, все упирается в вычислительные мощности по перебору всех возможных вариантов, число которых растет в геометрической прогрессии при увеличении количества исходных данных. Кто знает, может быть когда-то удастся переложить и эту задачу на кремниевые плечи компьютеров, ведь совершенствование методов проектирования идет постоянно. Но мало спроектировать идеальный транзистор. Его еще надо изготовить, причем так, чтобы реальные параметры были максимально близки к заданным. Литография полупроводников на микроуровне тоже весьма непростая задача, иначе бы новые техпроцессы внедрялись каждый месяц. Чем тоньше становится техпроцесс, тем более сложные физические эффекты приходится учитывать при производстве кристаллов. Мало сделать хорошую маску и подобрать правильный фоторезист, его еще надо правильно "осветить", чтобы оставить только нужное и убрать все лишнее. Тут уже возникают сложности с формированием светового пучка, приходится учитывать волновые и квантовые эффекты. Программное обеспечение, разработанное саровскими программистами Intel, позволяет решать и эти непростые задачи, включая точное решение уравнений Максвелла и многокомпонентной нелинейной диффузии. Мы очень надеялись, что в подвалах саровского филиала Intel найдется установка для изготовления пробных образцов новейших транзисторов и чипов на их основе. Но нас уверили, что экспериментальное производство такого уровня в имеющихся условиях просто невозможно, поэтому итоговые данные отправляются за океан, где рассчитанные по всем правилам науки транзисторы и чипы изготавливаются непосредственно в кремнии. Разумеется, тут возникает еще один вопрос - насколько реальные устройства соответствуют расчетным нормам? Как пояснил Борис Воинов, отклонение от заданных характеристик в пределах 5-10% считается очень хорошим результатом. Судя по тому, насколько планомерно Intel переводит свои чипы на новые техпроцессы, группа Бориса Воинова весьма успешно справляется с моделированием процессов и технологий изготовления полупроводников. Уже не раз озвучивались опасения, что предел использования кремниевой технологии весьма близок, и дальше придется оперировать отдельными молекулами и атомами. Как оказалось, расчет подобных физически обоснованных моделей уже вовсю ведется. И даже если это будет не кремний, полагаем, за будущие техпроцессы Intel можно не волноваться. При столь серьезном уровне фундаментальных и прикладных исследований обязательно найдется подходящий химический элемент и технология изготовления транзисторов на его основе, так что закон Мура будет выполняться, по крайней мере, в ближайшем будущем точно.

⇡#Прогулка по офису Intel в Сарове

После презентации проектов журналистов повели на экскурсию по офису Intel. Дарья Кирьянова, управляющая саровским филиалом Intel, подробно рассказала об особенностях офиса и том, как сотрудникам в нем работается. Просторные помещения с помощью перегородок и шкафов разделены на "кубики", которые, кстати, так и называются. Это нехитрое решение предоставляет каждому сотруднику часть "личного" пространства, если необходимо сосредоточиться, и не мешает общению с коллегами, если возникла необходимость обсудить что-то коллективно. Кстати, рабочий кабинет Дарьи Кирьяновой находится в точно таком же кубике. В офисе уютно и тихо. Чужие здесь не ходят, поэтому можно отвести один из шкафов в общем коридоре под импровизированную библиотеку, работающую по принципу взаимного обмена. Также есть свой небольшой спортзал - отдельная комната, в которой находится несколько тренажеров, шведская стенка и теннисный стол. Если судить по исписанной таблицами результатов доске в спортзале, по крайней мере в настольный теннис сотрудники Intel играют весьма активно. Удивительно, но в саровском офисе Intel нашлось место даже курилке! Поначалу поверить в это было сложно, ведь всем известно, как за рубежом стало модно вести здоровый образ жизни, и не то что в офисе, уже далеко не в каждом баре можно взять и закурить. Здесь решили, что излишне наседать на сотрудников в этом плане не стоит, а гораздо важнее предоставить им максимально комфортные условия для работы. И, на наш взгляд, это вполне удалось. Как уже говорилось, офис Intel занимает отдельное двухэтажное здание, в котором может быть размещено порядка 180 рабочих мест. На каждом этаже находится по небольшой "кухне", в которой совершенно бесплатно предоставляется чай и кофе, стоят аппараты с различными шоколадками и печенюшками. Те, кто предпочитает питаться более основательно, могут пообедать в столовой, находящейся на "нулевом" этаже (ground floor, в зарубежной терминологии). На "нулевом" же этаже находится система электропитания офиса, которая занимает сразу два помещения. Используется несколько основных линий питания, при этом имеется собственный генератор на случай их отказа. В качестве источника бесперебойного питания используется впечатляющая батарея из порядка трехсот аккумуляторов, которые способны обеспечить питание наиболее критических узлов в течение пары десятков минут. Все это необходимо для непрерывной стабильной работы собственного вычислительного центра, выполняющего все те задачи, о которых мы писали выше. А это система "очистки" питания, исключающая проникновение извне любых помех. С крыши офиса открывается прекрасный вид на технопарк Сатис и окружающую его природу. По соседству находится еще офисное здание, в котором разместилось около десятка компаний. За забором начинается чистое поле, но этот прямоугольник земли, окруженный лесом, уже зарезервирован под расширение технопарка Сатис. Так что, в каком-то смысле офис Intel в Сарове возник буквально на пустом месте. Впрочем, так говорить тоже не совсем верно, ведь если бы не научно-технический потенциал ВНИИЭФ, вряд ли был бы смысл осваивать эти пустынные нижегородские земли. Надо сказать, что сотрудничество Intel с ВНИИЭФ и Саровским физико-техническим институтом с каждым годом становится все более тесным. Это и неудивительно, ведь большинство сотрудников Intel живут в Сарове и являются выпускниками СарФТИ. Подобно тому, как в Новосибирске существует школа НГУ-Intel, в Сарове действует учебно-исследовательская лаборатория системного и прикладного программирования BiPro, в которой студенты СарФТИ под руководством опытных наставников из Intel постигают азы параллельного программирования, принимают участие в действующих проектах и разрабатывают свои собственные. Также налажено тесное сотрудничество Intel и с департаментом образования г. Сарова. Особенно хочется отметить разработанную специалистами Intel программу по обучению современным IT-технологиям школьных преподавателей. Парадоксально, но зачастую эти "курсы повышения квалификации" учителям читают их же собственные ученики. Впрочем, никакого конфликта поколений не наблюдается, скорее наоборот, растет взаимопонимание. Подводя итоги, можно сказать, что в Сарове сложилась уникальная интеллектуальная "экосистема", в основе которой лежит мощная фундаментальная подготовка, практические инновации и реальные проекты, а также внимательное отношение к подрастающему поколению и окружающему миру.