La génération de processeurs précédente SPARC64 GP

L'objectif : Devenir le premier processeur au monde
Fujitsu explique comment la fiabilité et les hautes performances de ses processeurs SPARC64 V ont été encore améliorées, grâce à l'enthousiasme pour le futur et aux impératifs de ses développeurs.

Tout d'abord, pourriez-vous me parler de l'objectif et du concept de ses améliorations ?
Lorsque l'on considère les exigences auxquelles les serveurs doivent se conformer, on s'aperçoit qu'en plus de s'avérer hautement efficaces, ils doivent également offrir une grande fiabilité. Nous avons donc abordé le développement du processeur en visant des serveurs plus efficaces que ceux des concurrents et en offrant un degré de fiabilité inégalé par rapport aux autres produits. Nous croyons avoir développé une technologie d'envergure mondiale ultra sophistiquée qui aura un véritable impact pour nos clients et tous ceux qui l'utiliseront.

Nous avons été ravis par les commentaires unanimement positifs qu'a suscités le SPARC64 V en 2002. Nous avons gagné une grande confiance en nous en constatant que nos équipes de conception pouvaient atteindre un tel niveau de crédibilité, tout particulièrement dans le domaine de la fiabilité. Ce fut le coup d'envoi de la production de ce nouveau processeur. Nous voulions étudier comment utiliser la nouvelle technologie de semiconducteurs 90 nm développée par le groupe des dispositifs électroniques de Fujitsu afin d'améliorer les performances du processeur, tout en conservant les bases technologiques solides des processeurs SPARC64 V existants.

L'adoption de la technologie 90 nm a-t-elle beaucoup contribué à améliorer l'efficacité ?
Tout à fait. Cependant, il ne suffit pas d'augmenter la fréquence de 1,35 à 1,89 GHz et de passer d'un semiconducteur 130 nm à 90 nm pour améliorer les performances. La conception doit être également adaptée aux caractéristiques de la technologie 90 nm et il faut accroître le nombre de transistors que peut contenir la puce.

En tant que concepteur de processeur, l'adoption de la nouvelle technologie 90 nm a-t-elle représenté un défi ?
Oui, c'était un vrai défi, mais l'adoption de cette technologie de pointe est devenue en un avantage certain. La concurrence est rude dans le domaine de l'efficacité des processeurs. À mesure que les autres sociétés se montrent davantage compétitives, nous devons également augmenter notre niveau d'efficacité. D'autres entreprises font également progresser l'utilisation de la technologie 90 nm. Par conséquent, il est crucial pour nous de renforcer notre compétitivité pour ce qui est de l'adoption des dernières technologies.

Cette amélioration a-t-elle nécessité des points de la conception spéciaux ?
Nous avons divisé la logique de conception et la technologie de montage en blocs, nous avons organisé chaque hiérarchie et adopté un style de conception capable de les associer et de les réutiliser. Bien sûr, étant donné que les caractéristiques peuvent changer à mesure que la technologie s'affine, certains blocs ont pu être réutilisés tels quels tandis que d'autres ont dû être adaptés. Cependant, l'adoption de ce style de conception nous a permis de développer un processeur très fiable et très précis dans un laps de temps très court, par rapport au temps que demande la conception complète d'un processeur.

Performances et fiabilité du processeur SPARC64 V

Quels sont les points forts du SPARC64 V ?
Les deux forces principales sont les performances et la fiabilité. Lorsque l'on évoque les performances, on pense tout de suite à la fréquence d'horloge mais, en réalité, d'autres facteurs entrent en ligne de compte. Nous avons cherché à améliorer l'efficacité globale en éliminant les goulots d'étranglement à l'intérieur du processeur. Il suffit d'un goulot d'étranglement à un endroit pour ralentir tout le processeur et réduire les performances.

Pour prendre un exemple de la vie quotidienne, on peut comparer les fonctions du processeur à l'action de cuisiner. Disons qu'acheter et cuire les aliments revient à gérer et traiter les données. Il faut d'abord acheter les aliments (données) au marché (mémoire), puis les conserver au réfrigérateur (cache de niveau 2) qui se trouve près de la cuisinière. Ensuite, tous les ingrédients sortis du réfrigérateur doivent être préparés sur le plan de travail (cache de niveau 1). Pour les cuire, on utilise la cuisinière (unité de calcul).

L'accélération de la fréquence d'horloge du processeur se rapporte à la vitesse de cuisson lorsque l'on utilise la cuisinière. Par exemple, supposons que l'on puisse cuire 10 croquettes de pomme de terre en une minute. Si les ingrédients sont préparés à l'avance sur le plan de travail, on peut cuire 10 croquettes par minute. S'ils ne sont pas sur le plan de travail, il faut aller les chercher dans le réfrigérateur.

Que se passe-t-il si le réfrigérateur se trouve au premier étage et que la cuisine est au rez-de-chaussée ? Il faut davantage de temps pour sortir les ingrédients du réfrigérateur et les amener à l'étage du dessous. Si cela prend trois minutes, on ne peut cuire que dix croquettes toutes les trois minutes et l'efficacité est réduite d'un tiers. Pour cuire dix croquettes par minute, il faut donc accélérer l'étape de préparation des ingrédients sur le plan de travail.

En d'autres termes, pour exploiter au maximum la puissance de l'unité de calcul, il faut également améliorer la totalité du processus, ce qui inclut l'accès à la mémoire et au cache. Dans les environnements où les systèmes informatiques sont vitaux et où PRIMEPOWER est introduit, les données sont traitées de façon massive, 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, 365 jours par an. C'est pourquoi nous sommes convaincus qu'il est primordial d'éliminer les goulots d'étranglement pour assurer l'optimisation de la totalité du processus.

Avez-vous amélioré les performances par d'autres moyens ?
L'exécution dans le désordre a été améliorée. Cette technique permet d'augmenter les performances en faisant avancer et en exécutant les instructions là où toutes les données sont présentes, quel que soit l'ordre décrit par le programme. Cette technique a été adoptée de façon limitée dans la génération précédente de processeurs SPARC64 GP. Dans le SPARC64 V, l'exécution dans le désordre est utilisée à plus grande échelle et inclut même l'accès à la mémoire.

Revenons à l'analogie avec la préparation des aliments et supposons maintenant que l'on cuisine en premier des croquettes, puis que l'on prépare une salade. Supposons également que les ingrédients de la salade soient réunis sur le plan de travail, mais que nous ne disposions pas des ingrédients pour les croquettes (à moins d'aller les acheter). Avant, même si les ingrédients de la salade étaient disponibles, il fallait aller acheter les ingrédients pour les croquettes puis les préparer avant de s'occuper de la salade. Plus rien ne se passait tant que les ingrédients des croquettes n'étaient pas arrivés; la cuisinière n'était pas utilisée.

Mais avec SPARC64 V, si les ingrédients sont prêts, la salade est faite en premier tandis que les ingrédients des croquettes sont en cours de préparation. Une fois les ingrédients des croquettes préparés, on peut passer à la cuisson des croquettes.

Il existe diverses techniques pour améliorer le rendement global, mais qu'en est-il de la fiabilité ? Comparativement aux autres produits concurrents, la génération de processeurs précédente SPARC64 GP était considérée comme très complète en ce qui concerne la fiabilité, la disponibilité et la facilité d'entretien. Néanmoins, nous avons mis en place de nouvelles améliorations. Pour reprendre l'exemple de la cuisine, disons qu'un superviseur est chargé de vérifier la qualité des ingrédients sur le plan de travail, dans le réfrigérateur et dans la cuisine pour voir s'ils ont été endommagés. Jusqu'à présent, on ne pouvait pas vérifier les dommages provoqués après le début de la préparation. Nous avons donc introduit une vérification à toutes les étapes, notamment lors de l'achat des ingrédients, de la cuisson et même du service à table.

Concrètement, en quoi consistent ces améliorations ?
Dans le processeur SPARC64 V, des contrôleurs ont été installés pour toutes les transmissions de données, notamment pour l'unité de calcul et la totalité des registres, et toutes les erreurs sont passées au crible. Les derniers processeurs SPARC64 V contiennent chacun 803 contrôleurs, soit un total d'environ 320 000 contrôleurs par système (PRIMEPOWER 2500 avec 128 processeurs). À mon avis, aucun autre fournisseur ne prend autant au sérieux la fiabilité des processeurs. C'est pour cela que nous atteignons un niveau de disponibilité, de facilité d'entretien et de fiabilité comparable à celui des ordinateurs centraux. Avec un serveur PRIMEPOWER prenant en charge les processus commerciaux clés du client, les erreurs ne sont pas permises et le traitement est interrompu en cas de problème.

Que se passe-t-il si une erreur est détectée ?
Il est non seulement nécessaire de détecter les erreurs qui se produisent, mais aussi de restaurer le traitement. Pour le processeur SPARC64 V, nous avons choisi le concept du matériel avec autorestauration, bien qu'il existe d'autres méthodes faisant intervenir le système d'exploitation, etc. Étant donné que le matériel effectue le traitement des instructions et détecte les erreurs, il peut utiliser une fonction permettant de répéter automatiquement les instructions afin de réduire au maximum le risque d'erreur.

Quel est l'avantage de faire corriger les erreurs par le matériel ?
Le logiciel qui corrige l'erreur fonctionne uniquement au-dessus de la couche matérielle, où l'erreur se trouve. C'est un peu comme si la maladie se soignait elle-même, ce qui n'est pas la technique la plus efficace. Nous avons intégré au SPARC64 V des mécanismes d'autorestauration spéciaux capables de détecter les erreurs et de procéder à leur correction. C'est comme si vous faisiez appel à un médecin spécialiste pour traiter la maladie.

Dans cette situation, la détection et la correction des erreurs peuvent s'effectuer de façon efficace même lorsque le logiciel fonctionne mal. Peu de transistors sont nécessaires pour ce mécanisme. Pour créer un processeur dans lequel on peut avoir pleinement confiance, nous pensons que de telles fonctions sont importantes. PRIMEPOWER utilise bien d'autres technologies qui améliorent la fiabilité. La technologie et le savoir-faire de Fujitsu, qui s'appliquaient jusqu'à présent au développement des ordinateurs centraux, sont maintenant mieux utilisées dans le développement de serveurs UNIX.

Impressions sur le développement et perspectives d'avenir

Que vous inspirent les problèmes rencontrés lors du développement ?
La concurrence est si rude que nous devons mettre rapidement de nouveaux serveurs sur le marché.

Le développement du SPARC64 V dont nous annonçons la sortie a commencé en juin 2003, et nous en sommes maintenant au stade des tests finals d'assurance qualité (*1). Pour nos ingénieurs, le travail à fournir n'a jamais été aussi intense. Cependant, en raison des niveaux de performances de base que nous avons accumulés, de la fiabilité du style de conception et de la réutilisation du plus grand nombre d'éléments possibles, le développement du SPARC64 V sera terminé dans une période relativement courte, soit en moins d'un an. La version précédente du SPARC64 V était déjà excellente, mais je pense qu'avec ces améliorations, nous avons surpassé nos objectifs.

(*) Remarque : Cet entretien date de la mi-mai 2004.

Je suppose qu'après un travail aussi intense et si peu de temps pour vous reposer, vous allez commencer à travailler sur le prochain projet. D'où tenez-vous cet enthousiasme pour l'avenir ?
Avec le nouveau processeur, nous avons établi des records mondiaux dans plusieurs tests de référence concernant l'efficacité. Cependant, la position de n° 1 mondial n'est jamais acquise de façon définitive. D'autres sociétés continuent de progresser, il ne faut donc pas s'asseoir sur nos lauriers sans quoi nous serons rapidement dépassés.
Nous travaillons déjà sur notre prochain projet de développement visant à maintenir notre avantage compétitif dans cette lutte à l'échelle mondiale contre nos concurrents.
Pour nous, les concepteurs, la mise en marché d'un processeur hautement compétitif est une raison d'être. Notre philosophie est qu'il n'y a pas de place pour les perdants. La concurrence est très rude, mais notre groupe de conception fait preuve d'une grande détermination et d'un grand esprit d'innovation.

À la lumière de son expérience et de ses compétences technologiques, le défi continue pour Fujitsu, seul fabricant japonais capable de concevoir et de produire des processeurs. Dans un deuxième article, Katsuhisa Kubota, directeur des affaires pour le développement LSI (Large Scale Integration, ou intégration à grande échelle) de prochaine génération, nous parle de la technologie 90 nm et de son impact déterminant sur l'amélioration des processeurs.