Cell (processore): differenze tra le versioni

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'''Cell''' è il nome di una tipologia di [[CPU|processori]] sviluppati da [[Sony]] in cooperazione con [[IBM]] e [[Toshiba]].

[[File:Cell-Processor.jpg|thumb|Immagine del processore]]

'''Cell''' è il nome di una tipologia di [[CPU|processori]] sviluppati da [[Sony]] in cooperazione con [[IBM]] e [[Toshiba]].

La famiglia di processori Cell è sviluppata per permetterne un utilizzo quasi universale, infatti questi processori sono stati pensati per essere in grado di coprire i mercati che vanno dalle applicazioni dedicate ([[Sistema embedded|embedded]]) fino al mercato dei [[mainframe]]. Si tratta di [[CPU]] progettate per utilizzare la [[Calcolo parallelo|computazione parallela]] e Sony li utilizzaha utilizzati anche per la sua console [[Playstation 3|PlayStation 3]].

== Caratteristiche tecniche ==

[[File:Schema Cell.png|thumb|upright=1.8|Architettura del processore]]

[[File:PPE (Cell).png|thumb|upright=1.8|Schema unitaunità PPE]]

Sebbene Cell possa avere molte configurazioni, la versione base prevede un'unità chiamata ''Power Processing Element'' (''PPE'') e 8 unità "Synergistic Processing Element" ("SPE"). L'unità PPE non è il processore primario infatti il suo compito è controllare e sincronizzare le unità SPE che dovranno eseguire la maggior parte delle computazioni.

Sebbene Cell possa avere molte configurazioni, la versione base prevede un'unità chiamata ''Power Processing Element'' (''PPE'') e 8 unità "Synergistic Processing Element" ("SPE"). L'unità PPE non è il processore primario infatti; il suo compito è quello di controllare e sincronizzare le unità SPE che dovranno eseguire la maggior parte delle computazioni.

Il PPE è un insieme di chip che comprende un PXU cioè un'unità logica di elaborazione per Fixed e [[Numero in virgola mobile|Floating point]] e in aggiunta i registri SIMD (in totale ha 32 registri a 128 bit), 2 [[CPU cache|cache]] L1 ambedue di 32Kb ma una per dati e l'altra per il codice, e inoltre anche una cache unificata per dati e codice L2 da 512Kb. Può accedere direttamente alla memoria principale tramite chiamata [[Direct Memory Access|DMA]]. Questa unità inoltre può elaborare 2 [[Thread (informatica)|thread]] simultaneamente (l'insieme tra PXU e cache L1 è il PPU).

La SPE è un insieme di chip che comprende un SXU cioè un'unità logica formata da due [[Pipeline dati|pipeline]] concorrenti una per il carico in prefetching dei dati e l'altra per l'elaborazione in Fixed e Floating point tuttavia hanno registri solo SIMD unificati (128 a 128bit). Possiede inoltre una LS o local storage 256Kb ad alta velocità ed è l'unica memoria a cui la SXU può accedere, infatti se essa ha bisogno di un'informazione dalla memoria principale interviene un altro chip contenuto nella SPE che si chiama MCF (Memory Flow Controller) e che ha il compito di portare dalla memoria principale (tramite chiamate DMA) o eventualmente anche dalle altre LS, l'informazione alla sua LS.

(L'insieme tra SXU e LS è la SPU) inoltre le SPE elaborano un solo thread ma molto più velocemente dei normali PPE.

Il PPE è un insieme di chip che comprende un PXU, cioè un'unità logica di elaborazione per operazioni in virgola fissa e [[Numero in virgola mobile|virgola mobile]], e contiene in aggiunta i registri SIMD (in totale ha 32 registri a 128 bit), 2 [[CPU cache|cache]] L1 ambedue di 32KkB (una per dati e l'altra per il codice), e inoltre possiede anche una cache L2 unificata per dati e codice, grande 512kB. Può accedere direttamente alla memoria principale tramite [[Direct Memory Access|DMA]]. Questa unità inoltre può elaborare 2 [[Thread (informatica)|thread]] simultaneamente (l'insieme tra PXU e cache L1 è il PPU){{Chiarire}}. La SPE è un insieme di chip che comprende un SXU, cioè un'unità logica formata da due [[Pipeline dati|pipeline]] concorrenti, una per il carico in prefetching dei dati e l'altra per l'elaborazione in Fixedvirgola fissa e Floating[[Numero pointin virgola mobile|virgola mobile]]; tuttavia hanno registri solo registri SIMD unificati (128 a 128bit){{Chiarire}}. Possiede inoltre una LS o localLocal storageStorage, di 256Kb256kB ad alta velocità ed è l'unica memoria a cui la SXU può accedere,; infatti, se essa ha bisogno di un'informazione dalla memoria principale, interviene un altro chip contenuto nella SPE, cheil si chiamacosiddetto MCF (Memory Flow Controller) e che ha il compito di portare dalla memoria principale (tramite chiamate DMA) o eventualmente anche dalle altre LS, l'informazione alla sua LS. (L'insieme tra SXU e LS è la SPU){{Chiarire}} inoltre le SPE elaborano un solo thread ma molto più velocemente dei normali PPE.

I processori comunicano fra loro per mezzo dell'EIB (Element Interconnect Bus), che lavora alla metà della [[frequenza]] del processore e comunicano con l'esterno con il [[Bus (informatica)|bus]] FlexIO a 6,4 GHz (ma la frequenza è variabile, ad esempio, quello del Cell integrato nella Playstation 3 lavora a 5 GHz) e con la memoria attraverso un bus XDR ([[Extreme Data Rate]]) a 3,2 GHz: Sia FlexIO che XDR si basano su tecnologie di [[Rambus]] e sono gestiti da controller integrati nel chip. Grazie ad un accordo stipulato con Rambus nel [[2003]], le memorie XDR DRAM che equipaggiano i dispositivi Cell-based vengono prodotte direttamente da Sony e Toshiba.

I processori comunicano fra loro per mezzo dell'EIB (Element Interconnect Bus), che lavora alla metà della [[frequenza]] del processore e comunicano con l'esterno con il [[Bus (informatica)|bus]] FlexIO a 6,4 GHz (ma la frequenza è variabile, ad esempio, quello del Cell integrato nella Playstation 3 lavora a 5 GHz) e con la memoria attraverso un bus XDR ([[Extreme Data Rate]]) a 3,2 GHz: Siasia FlexIO che XDR si basano su tecnologie di [[Rambusrambus]] e sono gestiti da controller integrati nel chip. Grazie ad un accordo stipulato con Rambus nel [[2003]], le memorie XDR DRAM che equipaggiano i dispositivi basati sull'architettura Cell-based vengono prodotte direttamente da Sony e Toshiba.

Nelle architetture finora prodotte gli SPE sono ottimizzati per il calcolo su singola precisione; ogni SPE è dotato di 4 [[Unità aritmetica e logica|ALU]] a 2 stadi per dati a singola precisione e può dunque eseguire sino ad 8 operazioni contemporaneamente. Gli SPE supportano anche il calcolo su dati a precisione doppia ma non dispongono di unità specializzate, tali calcoli sono eseguiti da quelli per la precisione singola con prestazioni circa 1/8 rispetto a quelle su precisione singola. Sono comunque previste implementazioni successive dell'architettura che supportino ad hardware la precisione doppia non pagando dunque queste penalizzazioni.

Nelle architetture finora prodotte gli SPE sono ottimizzati per il calcolo su singola precisione; ogni SPE è dotato di 4 [[Unità aritmetica e logica|ALU]] a 2 stadi per dati a singola precisione e può dunque eseguire sino ad 8 operazioni contemporaneamente. Gli SPE supportano anche il calcolo su dati a precisione doppia ma non dispongono di unità specializzate,; tali calcoli sono eseguiti dadagli quelliSPE per la precisione singola con prestazioni circa 1/8 rispetto a quelle sua precisione singola. Sono comunque previste implementazioni successive dell'architettura che supportino adin hardware la precisione doppia non pagando dunque queste penalizzazioni.

[[Toshiba]] ha sviluppato un co-processore con 4 SPE, ma senza PPE, chiamato [[SpursEngine]] e progettato per accelerare il 3D e gli effetti speciali dei film nei prodotti elettronici di massa (es. [[Playstation 3]]).

[[Toshiba]] ha sviluppato un co-processore con 4 SPE, ma senza PPE, chiamato [[SpursEngine]] e progettato per accelerare il 3D e gli effetti speciali dei film nei prodotti elettronici di massa (es. [[PlaystationPlayStation 3]]).

=== Considerazioni sull'architettura ===

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Guardando l'architettura da un altro punto di vista Cell assomiglia a un moderno Computer da tavolo con un solo processore.

Le moderne [[Scheda video|schede grafiche]] sono dotate di un'unità di elaborazione e di molte unità dedicate alle gestione della [[Computer grafica|grafica]] poligonale. Queste unità dispongono di un accesso alla memoria molto rapido e spesso sono in grado di condividere delle zone di memoria. Il Cell estende questa architettura, le unità SPE infatti sono più flessibili delle unità dedicate delle schede grafiche.

Il Cell estende questa architettura, le unità SPE infatti sono più flessibili delle unità dedicate delle schede grafiche.

L'architettura di Cell prevede l'incorporazione di più elementi base (1 PPE più 8 SPE) in un solo chip. IBM ha presentato il brevetto di un'unità formata da quattro unità base in grado di sviluppare in teoria 1 [[FLOPS|teraFLOPS]].

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A livello teorico il Cell può arrivare dunque sino ai 250 gigaFLOPS lavorando in singola precisione, e 30 GigaFLOPS in precisione doppia, rispettivamente 64 e 8 volte quelle di un Pentium IV con lo stesso clock.

Questo rende il Cell molto interessante per il calcolo in ambito scientifico; sebbene la sua architettura non sia ottimizzata per il calcolo in precisione doppia le prestazioni risultano comunque notevoli, e il fatto che tale processore sia studiato per una console influisce sui costi del processore stesso, che essendo prodotto su larga scala risulta notevolmente più economico di un processore "di nicchia" studiato appositamente per il calcolo scientifico. Tuttavia il Cell pur essendo un ottimo processore in ambito scientifico è più complesso da sfruttare in ambito videoludico ma rimane altrettanto potente ed eccellente per compiti di decodifica e transcodifica di flussi audio/video, [[Computer grafica 3D|grafica 3D]] (vertex, [[pixel]], [[texture (grafica)|texture]]), simulazione avanzata della fisica in tempo reale e [[ray tracing]].

Tuttavia il Cell pur essendo un ottimo processore in ambito scientifico è più complesso da sfruttare in ambito videoludico ma rimane altrettanto potente ed eccellente per compiti di decodifica e transcodifica di flussi audio/video, [[Computer grafica 3D|grafica 3D]] (vertex, [[pixel]], [[texture]]), simulazione avanzata della fisica in tempo reale e [[ray tracing]].

Con [[Yellow Dog Linux]] 6.1, [[Fedora (distribuzione Linux)|Fedora]] 9 o 10 e RHEL 5.2 o superiore si possono scrivere applicazioni per il Cell attraverso il kit di sviluppo di IBM (la versione attuale è la 3.0).

== Cell anche per i Server ==

Le prime versioni di Cell per [[server blade]] sono state rilasciatedistribuite ad inizio [[2006]] con un [[Clock]] di 2,4 GHz sebbene inizialmente la IBM avesse ipotizzato una vendita iniziale di versioni con un clock molto maggiore, sui 4 o 5 GHz, questo poiché nei laboratori i ricercatori sono riusciti a spingere questa architettura fino a 5.2 GHz, anche se pare che le rese produttive di questo chip non permettano allo stato attuale una commercializzazione a queste frequenze per via della inefficiente dissipazione del calore del chip stesso a tale frequenze.

Nel corso degli anni Sony ha affinato il processo produttivo del Cell. Al suo debutto nel 2006 nella prima versione di PlayStation 3 il Cell era prodotto a 90nm, successivamente ridotta a 65nm e col debutto della Playstation 3 Slim è stato ridotto a 45 nm. L'ultima versione implementata nella Playstation 3 Super Slim è a 32 nm. Lo stesso procedimento è avvenuto anche per la componente GPU della console e ciò ha permesso la riduzione dei consumi dai 200 Watt di picco della prima versione di Playstation 3 ai 70 Watt della Playstation 3 Super Slim.

Secondo Sony i primi processori Cell verranno prodotti con il processo di IBM a [[90 nm]] sebbene la piena operatività si avrà con futuro processo di Sony a [[65 nm]] e con la possibilità di utilizzare il processo a [[45 nm]] che verrà sviluppato nella fabbrica di Nagasaki per la PlayStation 3 se sarà necessario. Attualmente Sony utilizza un processo a 90 nanometri per produrre il chip GS/EE utilizzato dall'unità PlayStation2/DVR disponibile solo in [[Giappone]].

Cell dovrebbe consumare intorno ai 30 watt, all'incirca quanto il processore [[Emotion Engine]] che equipaggia la [[PlayStation 2]], e fornire una potenza di calcolo paragonabile a quella di un piccolo cluster di server. IBM afferma che il proprio superchip sarà, in molti casi, fino a 10 volte più veloce rispetto ad un tipico processore per PC; inoltre potrà svolgere buona parte dei calcoli oggi demandati alla scheda grafica se usato in ambito console.

Saranno disponibili molte varianti del Cell che avranno un diverso numero di unità interne per poter soddisfare le diverse necessità del mercato. Le aziende hanno sviluppato Cell in modo da poter integrare diverse unità in un solo chip in modo economico e se necessario Cell può essere ulteriormente espanso utilizzando reti veloci che collegano più chip in modo da incrementare la potenza di calcolo disponibile.

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== Cell nei supercomputer ==

{{vedi anche|IBM Roadrunner}}

IBM, nel settembre [[2006]] comunicò la realizzazione di un nuovo supercomputer, destinato al Laboratorio Nazionale di [[Los Alamos]] nel [[Nuovo Messico]], per il Dipartimento dell'Energia statunitense.

Roadrunner (questo il suo nome), è entrato in funzione nel 2008, ed è subito diventato il più veloce calcolatore mai realizzato. Attualmente è secondo nella classifica dei 500 supercomputer più veloci al mondo, superato nel 2009 dal [[Cray Jaguar]]. Appena entrato in funzione, Roadrunner era ben 4 volte più potente dell'allora leader in classifica, vale a dire il sistema [[Blue Gene|BlueGene/L]], raggiungendosuperando per la prima volta la storica velocitàsoglia di un petaflop.PetaFLOPS Sie parlaarrivando quindi della capacità di eseguire bena 1,6&nbsp;000 PetaFLOPS: {{formatnum:1600}} [[Bilione|bilioni]] (1,6 x 10¹⁵) di operazioni al secondo<ref>[http://news.cnet.com/Military-supercomputer-sets-record/2100-1010_3-6241145.html?tag=nefd.top Military supercomputer sets record - CNET News<!-- Titolo generato automaticamente -->]</ref>.

In realtà tale sistema non è stato realizzato utilizzando esclusivamente il processore Cell; i nodi di calcolo sono infatti composti da processori [[Advanced Micro Devices|AMD]] [[Opteron]], a cui sono affiancati i processori Cell, utilizzati per accelerare i calcoli in virgola mobile. In generale esiste un rapporto 1:1 (relativamente ai nodi di computazione) tra il numero di core Opteron e il numero di core Cell. In particolare IBM ha scelto di utilizzare il processore PowerXCell 8i, in quanto fornisse istruzioni SIMD che permettono di eseguire quattro operazioni in virgola mobile per [[ciclo di [[clock]]. Inoltre esso è in grado di eseguire calcoli in virgola mobile a doppia precisione ad una velocità cinque volte superiore rispetto alla generazione precedente di processori Cell/B.E..

In totale Roadrunner include 12960 processori Cell.

==Collegamenti esterniNote ==

<references />

* {{en}} [http://www.elet.polimi.it/upload/sami/architetture/articoli/cell.pdf Articolo sul processore]

* {{en}} [http://www-306.ibm.com/chips/news/2001/0312_sony-toshiba.html Sony, IBM, and Toshiba announces Cell development]

== Altri progetti ==

* {{en}} [http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=/netahtml/search-adv.htm&r=1&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&p=1&S1=((Sony+AND+PE)+AND+APU)&OS=Sony+AND+PE+AN%20D+APU&RS=((Sony+AND+PE)+AND+APU) Patent #6,526,491 (related to the cell processor)]

{{interprogetto}}

* {{en}} [http://www.eet.com/semi/news/showArticle.jhtml?articleId=54200580 EE Times article on ISSCC paper presentation]

* {{en}} [http://www.scei.co.jp/corporate/release/pdf/041129ae.pdf Sony/Toshiba Press Release on Cell Production]

== Collegamenti esterni ==

* {{en}} [http://www.scei.co.jp/corporate/release/pdf/041129be.pdf Sony PR on one-rack 16 TFLOP workstation]

* {{cita web|1=http://www-306.ibm.com/chips/news/2001/0312_sony-toshiba.html|2=Sony, IBM, and Toshiba announces Cell development|lingua=en|accesso=23 febbraio 2005|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20040803172540/http://www-306.ibm.com/chips/news/2001/0312_sony-toshiba.html|dataarchivio=3 agosto 2004|urlmorto=sì}}

* {{en}} [http://pcweb.mycom.co.jp/news/2004/11/29/011bl.jpg Link to image of ISSCC presentation abstract for 90nm process]

* {{en}}cita [web|url=http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=/netahtml/search-adv.htm&r=1&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&p=1&S1=((Sony+AND+PE)+AND+APU)&OS=Sony+AND+PE+AN%20D+APU&RS=((Sony+AND+PE)+AND+APU) |titolo=Patent #6,526,491 (related to the cell processor)]|lingua=en|accesso=23 febbraio 2005|dataarchivio=15 dicembre 2018|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20181215231257/http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=/netahtml/search-adv.htm&r=1&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&p=1&S1=((Sony+AND+PE)+AND+APU)&OS=Sony+AND+PE+AN%20D+APU&RS=((Sony+AND+PE)+AND+APU)|urlmorto=sì}}

* {{en}} [http://www.realworldtech.com/page.cfm?ArticleID=RWT021005084318 Technical details the of Cell Architecture (presented at the ISSCC 2005)]

* {{en}}cita [web|url=http://www.eet.com/semi/news/showArticle.jhtml?articleId=54200580 |titolo=EE Times article on ISSCC paper presentation]|lingua=en}}

* {{en}} [http://www.blachford.info/computer/Cells/Cell0.html In-depth look at the architecture]

* {{cita web|1=http://www.scei.co.jp/corporate/release/pdf/041129ae.pdf|2=Sony/Toshiba Press Release on Cell Production|lingua=en|accesso=23 febbraio 2005|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20050331084428/http://www.scei.co.jp/corporate/release/pdf/041129ae.pdf|dataarchivio=31 marzo 2005|urlmorto=sì}}

* {{en}} [http://www-1.ibm.com/press/PressServletForm.wss?MenuChoice=pressreleases&TemplateName=ShowPressReleaseTemplate&SelectString=t1.docunid=7502&TableName=DataheadApplicationClass&SESSIONKEY=any&WindowTitle=Press+Release&STATUS=publish IBM/Sony/Toshiba PR on key details of the Cell Chip]

* {{cita web|1=http://www.scei.co.jp/corporate/release/pdf/041129be.pdf|2=Sony PR on one-rack 16 TFLOP workstation|lingua=en|accesso=23 febbraio 2005|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20050331070131/http://www.scei.co.jp/corporate/release/pdf/041129be.pdf|dataarchivio=31 marzo 2005|urlmorto=sì}}

* {{en}} [http://cell.raw.net Site offering news and info on the Cell processor]

* {{cita web|1=http://pcweb.mycom.co.jp/news/2004/11/29/011bl.jpg|2=Link to image of ISSCC presentation abstract for 90nm process|lingua=en|accesso=19 aprile 2021|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20141109030645/http://news.mynavi.jp/news/2004/11/29/011bl.jpg|dataarchivio=9 novembre 2014|urlmorto=sì}}

* {{cita web|url=http://www.realworldtech.com/page.cfm?ArticleID=RWT021005084318|titolo=Technical details the of Cell Architecture (presented at the ISSCC 2005)|lingua=en|accesso=23 febbraio 2005|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20120510093208/http://www.realworldtech.com/page.cfm?ArticleID=rwt021005084318|dataarchivio=10 maggio 2012|urlmorto=sì}}

* {{en}}cita [web|http://www.blachford.info/computer/Cells/Cell0.html |In-depth look at the architecture]|lingua=en}}

* {{en}}cita [web|url=http://www-1.ibm.com/press/PressServletForm.wss?MenuChoice=pressreleases&TemplateName=ShowPressReleaseTemplate&SelectString=t1.docunid=7502&TableName=DataheadApplicationClass&SESSIONKEY=any&WindowTitle=Press+Release&STATUS=publish |titolo=IBM/Sony/Toshiba PR on key details of the Cell Chip]|lingua=en}}

* {{cita web|1=http://cell.raw.net|2=Site offering news and info on the Cell processor|lingua=en|accesso=21 febbraio 2019|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20080703163431/http://cell.raw.net/|dataarchivio=3 luglio 2008|urlmorto=sì}}

* {{en}} [http://www.pbs.org/cringely/pulpit/pulpit20050217.html Articolo] di [[Robert X. Cringely]] sul perché il software è la chiave del successo di Cell

* {{en}}cita [httpweb|https://arstechnica.com/articles/paedia/cpu/cell-1.ars |Introducing the IBM/Sony/Toshiba Cell processor, part I]|lingua=en}}

* {{en}}cita [httpweb|https://arstechnica.com/articles/paedia/cpu/cell-2.ars |Introducing the IBM/Sony/Toshiba Cell processor, part II]|lingua=en}}

{{Portale|informatica}}