Internet auf einem Chip

Tilera, eine Ausgründung von Forschern des MIT, hat einen Chip vorgestellt, der mit 64 einzelnen Prozessorkernen ausgestattet ist. Sein internes Design unterscheidet sich deutlich von der heute in PCs verwendeten Hardware.

Der Chip mit dem Namen Tile64 vermeide mit seiner Architektur diverse Flaschenhälse, die in aktueller Prozessortechnik steckten und käme außerdem mit wesentlich weniger Strom aus, sagt Anant Agarwal, Gründer und Technologiechef von Tilera, das seinen Sitz im kalifornischen Santa Clara hat. Der Tile64 soll zunächst in Geräten zur Videosignal-Verarbeitung verwendet werden, beispielsweise im Bereich Videokonferenzen. Außerdem gilt der Netzwerk-Hardware-Bereich als interessant, etwa in Routern, die den Datenverkehr besonders schnell nach Viren durchsuchen müssen.

Chips mit mehreren Prozessor-Kernen sind nicht neu. Der Ansatz von Tilera hingegen schon: Alle Kerne können direkt miteinander kommunizieren. Damit wird ein Grundproblem bei Mehrkern-Chips gelöst. Die meisten PC-CPUs auf dem Markt haben heute mehrere Kerne. Die Industrie hofft, ihre Anzahl alle 18 Monate zu verdoppeln. "Meine Vorhersage ist, dass wir bis 2014 Chips mit 1000 Prozessorkernen sehen werden. Das Problem dabei ist, dass das heutige Design nicht skalierbar ist", meint Agarwal.

Derzeit müssen die einzelnen Kerne über spezielle Leistungsverbindungen kommunizieren, den so genannten Bus. Die Performance leidet zwar noch nicht darunter, wenn sich zwei oder vier Kerne einen Bus teilen, bei 16 oder noch mehr Kernen sieht das jedoch schon anders aus. Versuchen diese dann, gleichzeitig auf die Verbindung zuzugreifen, kommt es zu Datenstaus.

Der Tilera-Chip hat deshalb keinen zentralen Bus mehr. Stattdessen ist jeder Kern mit allen anderen verbunden. Außerdem besteht jeder der Kerne aus einem vollwertigen Prozessor, der selbständig ein Betriebssystem ausführen kann. Hinzu kommt ein Zwischenspeicher (Cache), der Daten vorhält, auf die schnell zugegriffen werden muss.

Heraus kommt dabei eine so genannte Mesh-Struktur, wie man sie auch aus dem Internet kennt - ein Netzwerk mit zahlreichen dezentralen Knotenpunkten. Einer der Gründe, warum das Internet Informationen so verlässlich weitergeben kann, liegt in der Verteilung der Datenpakete über ein großes Netzwerk. Würden die E-Mails aller Netznutzer durch den gleichen zentralen Server laufen, würde dies zu enormen Verzögerungen führen. Agarwal nennt den Tile64 deshalb auch gerne "Internet auf einem Chip". Und wie das Netz skaliert die Hardware problemlos - ähnlich wie das Internet muss sie nicht jedes Mal neu entwickelt werden, wenn Knoten (oder Kerne) ergänzt werden.

Die Idee einer Mesh-Architektur für Mehrkern-Chips wird bereits seit mindestens zehn Jahren in den Forschungslabors des MIT, der Stanford University und an der University of Texas in Austin verfolgt. Auch der Chipkonzern Intel hat bereits einen 80-Kern-Prototypen angekündigt, der auf einem Mesh basiert. Tilera wird aber die erste Firma sein, die ein tatsächliches Produkt mit der neuen Architektur verkaufen kann.

"Viele Kerne sind gut, aber sie müssen auch in hoher Geschwindigkeit miteinander kommunizieren können", meint Jerry Bautista, Co-Direktor des "Terascale Computing"-Forschungsprogrammes von Intel. "Es hat Vorteile, ein Mesh zu verwenden - man kann mit Datenrückstaus ziemlich leicht umgehen." Laut Bautista arbeiten Intel-Forscher derzeit daran, die besten Methoden zur Implementierung solcher Architekturen zu ermitteln - neben anderen Experimental-Designs. Es sei aber nicht ausreichend, einfach nur die Hardware neu zu gestalten, um das Problem der vielen Kerne in den Griff zu bekommen.

"Wir glauben, dass wir die Art, wie die Menschen heute programmieren, deutlich verändern müssen, um die neuen Chips wirklich auszunutzen", meint Bautista. Die einzelnen Kerne können viele verschiedene Instruktionen gleichzeitig bewältigen. Dazu müssen die Software-Autoren aber neue Programmiertechniken lernen, um diese zusätzliche Leistung überhaupt zu verwenden.

Tilera-Mann Agarwal meint, dass die Firma dieses Problem durch eine eigene Software-Umgebung lösen kann, die der Kundschaft schrittweise zeigt, wie man seine Anwendungen verbessert, Fehler beseitigt und so optimiert, dass sie auf Systemen mit 64-Kernen gut laufen - auch wenn sie eigentlich für Rechner mit nur einem Prozessorkern gedacht sind.

Die Technologie der Firma wurde auf dem Hot Chips-Symposium der Stanford University in Palo Alto präsentiert. Nathan Brookwood, Gründer der Analysefirma Insight64, meint, dass viele Konferenzteilnehmer sehr gespannt auf die Tilera-Technik seien - vor allem, weil sie bereits Anwendungen besäßen, die sich dafür gut eigneten. "Ich denke, dass wir es hier mit einem potenziellen Gewinner zu tun haben", meint Brookwood.

Intel-Mann Bautista glaubt, dass der Markt bereit für einen Chip mit einem solchen mehr Leistung sei. Er müsse sich allerdings leicht programmieren lassen und dürfe nur wenig Strom verbrauchen. Intel werde Tileras Fortschritte genauso beobachten, wie die Firma auch andere Start-ups kritisch begleite, die erstmals mit neuer Technik auf den Markt kämen. Dann könne Intel feststellen, wie die Kunden auf das Angebot reagierten und welche Aspekte der Technik verbessert werden könnten: "Wir nutzen Start-ups wie dieses als Lackmus-Test." (bsc)