Bits i Nuclis

Els 50 Nuclis de la Carnegie-Mellon

El Cm* és el tercer sistema multiprocessador dissenyat a la Universitat Carnegie-Mellon, Pittsburgh, Pennsilvània. A principis de la dècada dels anys 70 el Departament de Computadors d’aquesta Universitat va iniciar un estudi per al disseny d’un sistema multiprocessador amb tecnologia basada en el PDP11 de Digital. La finalitat del Cm* era aprofitar certes característiques dels circuits del successor LSI-11 de DEC per a construir una màquina multiprocessadora que permetria un alt grau de paral·lelisme a nivell de programa d’usuari.

Més que una màquina construïda sobre una idea preconcebuda, el Cm* és un banc de proves per a simular diferents sistemes processadors. Degut a les anteriors experiències en multiprocessament es va abandonar la idea de la màquina modular sobre un únic bus i es va optar per la cooperació de petites màquines amb tasques paral·leles connectades a través d’un sistema d’intercanvis de missatges sobre busos segmentats en diferents nivells.

A primera ullada es pot considerar al Cm* com una xarxa de computadors més que no pas un veritable sistema multiprocessador. En canvi, una propietat fonamental que el caracteritza de forma inequívoca com a multiprocessador és que disposa d’un únic espai físic “directament adreçable” de memòria. (mapa únic)

Al maig de 1977 el sistema funciona amb 10 mòduls processadors i el 1980 es composa de 50 unitats repartides en 5 grups (clusters) de 10 unitats cada un, amb la possibilitat de ser fàcilment ampliable. Cada mòdul processador consta d’un bus LSI-11 intern. El processador accedeix a aquest bus a través d’un commutador local anomenat “slocal” i que com alternativa obre el mapa cap al bus exterior anomenat “Map Bus”. Els 10 mòduls es comuniquen així i poden ampliar la direccionalitat amb els altres grups per via d’un nou commutador de grup anomenat “Kmap” el qual funciona per commutació de paquets.

Cada nou commutador afegeix noves línies al bus de direccions, fent augmentar el mapa total. A efectes funcionals, és com si uns gestors del mapa anessin transportant “safates de memòria” per la totalitat del sistema i entre els diferents nuclis. Kmap, però, funciona de forma independent del mapa i es comunica amb els Kmap veïns formant una anella. Cada un enllaça amb el de dalt i amb el de baix, i l’ultim amb el primer. A nivell de programació cal incloure unes “directives” al codi que gestionen el “direccionament” de forma independent de la llista d’instruccions.

El 5é paradigma dels computadors personals

Tot i que els anys 60 ja s’havien construït màquines de 64bits la evolució dels Computadors Personals serà deguda a motius econòmic i/o comercials. “A parer” de la capacitat de producció en massa, i de les modes, els processadors evolucionen augmentant el nombre de bits d’amplada del bus de dades. Això és 4, 8, 16, 32 i 64 bits de dades. Cada nova etapa sembla evitar l’aparició de la següent fins que aquesta no esgota el seu paradigma d’èxits comercials:

Els 4 bits tenen la Calculadora com a màxim paradigma.

Els 8 bits tenen el Computador, ja com a Calculadora Automatitzada.

Els 16 bits tenen l’Ordinador, també com a Computador novament Automatitzat en si mateix, amb Bases de Dades Relacional. El BASIC quedarà com a llenguatge obsolet en front als programaris Multi-plan, com l’Excel.

Els 32 bits convertiran a l’Ordinador en una màquina Multimèdia. Endemés, Automatitzaran les Bases de Dades dintre de les Aplicacions anomenades “Suite” les quals els faran esdevenir Estacions de Treball.

Arribada la fi de la vida comercial del 4t paradigma les “Work-Station” es transformen en màquines maquillades per “agradar més”. La entrada al cinquè paradigma es fa pregar. No s’acaba de veure el límit d’una tecnologia que podrà direccionar mapes de memòria de 16 Exa Bytes (18.446.744.073.709.551.616). Els preus de memòria no baixen gaire i les màquines s’autolimiten a mapes quasi mai superiors als 32 Giga Bytes (tot i que algunes versions de plaques base “Coffee Lake” permeten ja els 128GB). El cervell humà te unes “86 Giga Neurones”, 100.000 MBytes segons alguns autors.

Però els fabricants de processadors emprenen un camí diferent, el Xips Multiprocessador. Del “Dual Core” es passa a parlar de Nuclis i de dos en dos. Els fils (Threads), que és el que compte realment com a paral·lelisme, perden tot sentit front als “arqueològics programaris” dels paradigmes del passat, que salven la dignitat a base de màquines virtuals. Tot i la prometedora 9ª generació d’Intel els processadors no han superat encara el 8 nuclis (de múltiples fils) que no paren d’augmentar, també tal com passa amb les famílies processadores d’AMD on tot just s’ha arribat a parlar de 64 threads.

On està el cinquè paradigma?

El paradigma buit

I de mentre altres tecnologies guanyen terreny i s’apoderen de mercats de masses com els “Smart Phones”. Dit com si hagués de ser al revés, Android pren la batalla dels bits i dels nuclis per omissió i guanya les estratègies de Microsoft. El mercat virtual dels ARM fa possible nuclis molt lleugers i concentren les seves energies a la connexió a Internet. El seu és un paradigma orientat al terminal senzill, a mínims, on la xarxa és la verdadera màquina processadora del Tot.

Per acabar de fer rodó el mercat de les comunicacions es maquilla la Super-Computació que havia de venir de la Super-Conductivitat, de forma ofuscada i amb el nom de “Quàntica”, com el nou paradigma que dificilment sortirà de la xarxa i “ningú” tindrà la potestat d’apagar o desconnectar. Els nous Q-Bits, de velocitats de procés indiscutible, difícilment experimentables a laboratori electrònic, se’n podrà veure les veritables conseqüències sobre el petit usuari.

FPGA i ARM

De lectures de la composició dels proveïdors (Tiers) del FreeBSD es desprèn la clara tendència al lideratge dels Nuclis d’ARM com a futurs sistemes per a composar màquines processadores. Sabent com es juga el rol de la Distribució de Software de Berkeley no és d’estranyar la seva absència en el mon del Programari Lliure, i per descomptat del Maquinari. Els perfils tècnics que desfilen pels STM de Microelectrònics, i d’altres firmes, ja sigui de 32 o de 64 bits, prometen més en l’excel·lència de resultats propis que en els resultats socials i difícilment podran convertir els seus productes en paradigmes de mercat on els usuaris porten una vena als ulls.

Queden, doncs, els FPGA, dispositius integrats programables fets a base de xarxes de portes lògiques, com a via de desenvolupament a petita escala i d’aplicacions a nivell de maquinari lliure on treballar en vistes a nous paradigmes d’Aplicació Computacional. Els seus treballs es coneixen com a “Open Core” i els nuclis a mimetitzar poden anar del mític Z80 a les sofisticades màquines processadores d’ARM.

A mode de conclusió

Personalment hi veig més esperança en el model de la Carnegie-Mellon, on bits i nuclis es van adaptant, uns i altres, en un equilibri entre processament paral·lel i abast del mapa de memòria, que no pas en el model d’un Super Cervell d’àrea estesa que pretengui fer, a partir d’una individualitat processal, un sistema de sistemes. Un codi obert i ben avaluat sempre ha de generar més confiança que un d’ofuscat on l’única finalitat és la de protegir la propietat intel·lectual d’uns efímers interessos particulars.