Intel Architecture 64 bits
PapyBoom le 04 octobre 2001 (13 860 lectures)
Les temps modernes
Le besoin
Dans la première moitié des années 90, le paysage informatique est le résultat des évolutions majeures de la précédente décennie :
- les processeurs IA-32 sont les maîtres de la micro-informatique professionnelle et sont en train de dévorer le marché de l'informatique familiale
- le marché des stations de travail, qui s'est développé au cours des années 80, est dominé par des processeurs puissants collectivement appelés RISC mais subit l'emprise des processeurs Intel (i486 puis Pentium) dans le bas de gamme
- les systèmes centraux (grands systèmes de gestion ou serveurs intermédiaires) migrent pour la plupart vers de nouveaux processeurs, peu ou pas modifiés par rapport aux versions pour stations de travail dont ils sont issus, par exemple :
- HP 3000 vers les séries XL à base de processeurs PA-RISC
- DEC VAX vers les gammes Alpha
- IBM AS/400 vers les processeurs basés sur l'architecture POWER
- le calcul intensif, autrefois dominé par les ordinateurs vectoriels, migre vers des architectures à base de processeurs RISC, sous forme de multi-processeurs symétriques, asymétriques ou de systèmes massivement parallèles
A cette époque, les perspectives sont plutôt bonnes pour Intel dans tous les domaines d'informatique généraliste, jusqu'aux stations de travail et petits serveurs. Le Pentium Pro, qui sortira en 1996, excédera même les prévisions d'Intel pour prendre la première place dans des catégories auparavant réservées aux processeurs RISC.
Il reste qu'Intel a besoin de mettre en oeuvre certaines technologies pour s'imposer dans le haut de gamme :
- l'adressage 64 bits
- l'interconnexion efficace de nombreux processeurs
Au début des années 90, l'adressage 64 bits s'est répandu chez les constructeurs de processeurs RISC (MIPS R4000, DEC Alpha, Sun UltraSPARC, HP PA-8000, ...). Il a permis de construire des ordinateurs sachant exploiter efficacement une mémoire de plusieurs dizaines de gigaoctets. Même les vénérables grands systèmes S/390 d'IBM ont été dotés de cette fonctionnalité l'année dernière !
Jusqu'à cette année, Intel ne commercialisait pas de processeurs capables d'exploiter globalement plus de 64 Go, ce qui est disponible depuis le Pentium Pro. De plus, cette mémoire doit être gérée sous forme de segments d'au maximum 4 Go car l'adressage direct est limité par la taille des registres de 32 bits. Cette architecture IA-32 rend l'exploitation de plusieurs gigaoctets de mémoire difficile pour les développeurs de logiciels.
De plus, bien que cela semble immense, 64 Go de mémoire ne constituent pas une limite infranchissable dans le budget d'un grand système : même en tenant compte d'un facteur de surcoût de 10, habituel pour ce genre de matériels, cette quantité de mémoire ne devrait pas coûter plus de 100 000 €, une peccadille ...
Quant à la constitution de systèmes multi-processeurs de grande taille, la seule aide significative apportée par Intel est la fabrication en série de cartes quadri-processeurs destinées à être interconnectées pour former des systèmes à nombre de processeurs quasiment illimité. Cependant, la conception et la fabrication des moyens d'interconnexion sont laissées à l'initiative des constructeurs.
Si un constructeur se base uniquement sur les produits d'Intel, il peut constituer au maximum un système octo-processeurs Pentium III Xeon à partir du jeu de circuits Profusion (sorti en fin d'années 90). Le système obtenu peut tenir honorablement une place en milieu de gamme de serveurs mais n'a pas de possibilité de rivaliser avec les modèles de haut de gamme concurrents.
Pour aller plus loin, les constructeurs doivent concevoir un système d'interconnexion adéquat, ce qui n'est pas une mince affaire, et trouver des clients ensuite, ce qui est encore plus difficile. Par exemple, Unisys propose depuis plusieurs années un système évolutif jusqu'à 32 processeurs mais ne parvient pas à le commercialiser en nombre significatif. Il est vrai qu'Unisys ne dispose pas de logiciels optimisés (système d'exploitation, gestionnaire de bases de données, ...). De plus, le domaine de l'informatique de gestion est peu porté sur l'innovation, toute évolution étant d'abord vue comme une source de risques plutôt qu'une opportunité d'améliorer le système d'information.
La réponse
Après les déboires des précédentes tentatives d'innovation radicale dans le domaine des processeurs, Intel a créé la surprise en annonçant en 1994 son nouveau projet. Contrairement à ce qui était attendu, Intel n'a pas annoncé des extensions destinées à apporter les fonctionnalités d'adressage 64 bits à son architecture IA-32, comme le 80386 étendit de 16 bits à 32 bits les capacités des x86 une dizaine d'années auparavant.
En fait, Intel a pris la décision, difficilement explicable, de prendre plusieurs risques majeurs :
- créer une toute nouvelle architecture baptisée IA-64 (Intel Architecture 64 bits) avec un modèle de programmation totalement différent de celui d'IA-32
- baser cette nouvelle architecture sur des techniques plus ou moins inédites baptisées EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing) inspirées des ordinateurs de type VLIW (Very Long Instruction Word) qui n'ont jamais rencontré le succès espéré, même dans le domaine du calcul intensif qui semble pourtant le plus approprié pour tirer parti de leurs fonctionnalités
- désigner cette nouvelle architecture comme le remplaçant, à terme, de l'actuelle IA-32 et donc prendre le risque de voir les clients actuels fuir les processeurs x86, du fait de l'absence d'avenir de la gamme, pour basculer vers IA-64 ou vers un des nombreux concurrents directs à l'affût
Cependant, certaines précautions ont été prises pour réduire ces risques :
- s'allier à HP pour le développement, ce qui garantit qu'un ténor de l'informatique utilisera les processeurs basés sur IA-64, tout en éliminant un adversaire de taille (PA-RISC)
- maintenir, dans un premier temps, un mode de compatibilité matérielle avec IA-32, ce qui permet aux premiers processeurs d'exécuter les programmes conçus pour l'architecture x86 sans modification ni émulation logicielle mais avec une performance faible
- étendre la transition sur une longue durée afin de laisser à IA-64 le temps de faire ses preuves avant de remplacer les processeurs IA-32 qui continueront à évoluer parallèlement pendant plusieurs années
Depuis peu, un nouvel allié de poids est venu rejoindre Intel et HP. Il s'agit de Compaq, dont Intel a racheté l'essentiel des brevets et équipes de développement liés aux processeurs. Avant d'être racheté par Compaq, Digital avait déjà vendu à Intel presque toutes ses activités liées aux semi-conducteurs, notamment les processeurs StrongARM et les circuits Fast Ethernet. Cependant, Digital avait conservé ses équipes de développement des processeurs Alpha afin de maîtriser l'avenir de ses gammes VMS et Digital Unix, maintenant appelé True64 UNIX.
Aux prises avec de grandes difficultés depuis l'absorption de Digital, Compaq vient de livrer sur un plateau d'argent la tête de l'enfant chéri : Alpha. Pour Intel, voilà un second concurrent majeur éliminé et un second ténor de l'informatique lié à l'avenir d'IA-64. Pour Compaq, cela consituait une étape avant la fusion avec HP récemment annoncée.
En ce qui concerne la réalisation de multi-processeurs de grande taille à base de processeurs IA-64, il n'est pas encore établi si Intel prendra l'initiative de développer des éléments d'interconnexion ou laissera ce travail aux bons soins de ses partenaires, comme c'est le cas actuellement. Cependant, il est clairement indiqué par Intel qu'IA-64 est destiné à occuper une place de choix sur ce marché.
La concurrence
Actuellement, il reste deux concurrents de taille à résister à Intel en proposant une alternative viable à IA-64 :
- IBM dispose de son architecture POWER, dont la dernière évolution en haut de gamme vient d'être lancée sur le marché (Power4) et dont il existe des versions 32 bits pour les marchés de volume (PowerPC)
- Sun, allié notamment à Fujitsu, dispose de SPARC, dont il existe des versions pour grands systèmes (UltraSPARC III et SPARC64 GP par exemple) et des versions pour les stations de travail (UltraSPARC IIi, ...)
Contrairement à Sun, IBM a annoncé un support d'IA-64 en plus de ses propres processeurs. Jouer sur tous les tableaux simultanément est une habitude de longue date pour IBM.
Un autre prétendant sur le marché des processeurs 64 bits est AMD. Revigoré par le succès de ses gammes K6 et Athlon, AMD a annoncé que la prochaine génération, dénommée globalement par le code Hammer, disposera d'extensions 64 bits complètes en plus d'une compatibilité ascendante avec IA-32. L'architecture ainsi créée est appelée x86-64 afin de bien marquer sa parenté avec les processeurs x86 actuels. AMD promet d'excellentes performances, tant en mode 32 bits qu'en mode 64 bits, sans remise en cause du modèle de programmation existant.
L'offre d'AMD est très tentante car c'est la seule à proposer une évolution en douceur viable. Cependant, AMD n'a aucune expérience des multi-processeurs de grande taille. Actuellement, son offre la plus évoluée est limitée à un bi-processeurs très honorable dans sa catégorie mais sans commune mesure avec les grands systèmes.
Lorsqu'AMD a acquis une licence du bus de l'Alpha auprès de Digital pour son Athlon, Digital aurait pu faire bénéficier AMD de ses développements de circuits d'interconnexion de multi-processeurs. Cependant, si Digital a continué à commercialiser des systèmes allant jusqu'à 16 processeurs Alpha et des grappes comprenant plusieurs noeuds pour constituer des systèmes très puissants, AMD n'en a jamais profité pour créer des multi-processeurs Athlon de haut de gamme. A l'heure actuelle, la disparition d'Alpha rend toute évolution dans ce sens impossible.
Les futurs Hammer devraient disposer d'un bus HyperTransport, ce qui les rend aptes à faire partie de multi-processeurs asymétriques de grande taille. Cependant, il reste à savoir qui développera les circuits de commutation de liens HyperTransport. Tant que les moyens nécessaires à la constitution de grands systèmes Hammer ne seront pas disponibles, AMD restera un prétendant sans envergure.
La bataille des titans va se dérouler dans les années qui viennent pour la domination de l'informatique de haut de gamme. Leur nombre devrait se réduire au fil du temps ...
Le besoin
Dans la première moitié des années 90, le paysage informatique est le résultat des évolutions majeures de la précédente décennie :
- les processeurs IA-32 sont les maîtres de la micro-informatique professionnelle et sont en train de dévorer le marché de l'informatique familiale
- le marché des stations de travail, qui s'est développé au cours des années 80, est dominé par des processeurs puissants collectivement appelés RISC mais subit l'emprise des processeurs Intel (i486 puis Pentium) dans le bas de gamme
- les systèmes centraux (grands systèmes de gestion ou serveurs intermédiaires) migrent pour la plupart vers de nouveaux processeurs, peu ou pas modifiés par rapport aux versions pour stations de travail dont ils sont issus, par exemple :
- HP 3000 vers les séries XL à base de processeurs PA-RISC
- DEC VAX vers les gammes Alpha
- IBM AS/400 vers les processeurs basés sur l'architecture POWER
- le calcul intensif, autrefois dominé par les ordinateurs vectoriels, migre vers des architectures à base de processeurs RISC, sous forme de multi-processeurs symétriques, asymétriques ou de systèmes massivement parallèles
A cette époque, les perspectives sont plutôt bonnes pour Intel dans tous les domaines d'informatique généraliste, jusqu'aux stations de travail et petits serveurs. Le Pentium Pro, qui sortira en 1996, excédera même les prévisions d'Intel pour prendre la première place dans des catégories auparavant réservées aux processeurs RISC.
Il reste qu'Intel a besoin de mettre en oeuvre certaines technologies pour s'imposer dans le haut de gamme :
- l'adressage 64 bits
- l'interconnexion efficace de nombreux processeurs
Au début des années 90, l'adressage 64 bits s'est répandu chez les constructeurs de processeurs RISC (MIPS R4000, DEC Alpha, Sun UltraSPARC, HP PA-8000, ...). Il a permis de construire des ordinateurs sachant exploiter efficacement une mémoire de plusieurs dizaines de gigaoctets. Même les vénérables grands systèmes S/390 d'IBM ont été dotés de cette fonctionnalité l'année dernière !
Jusqu'à cette année, Intel ne commercialisait pas de processeurs capables d'exploiter globalement plus de 64 Go, ce qui est disponible depuis le Pentium Pro. De plus, cette mémoire doit être gérée sous forme de segments d'au maximum 4 Go car l'adressage direct est limité par la taille des registres de 32 bits. Cette architecture IA-32 rend l'exploitation de plusieurs gigaoctets de mémoire difficile pour les développeurs de logiciels.
De plus, bien que cela semble immense, 64 Go de mémoire ne constituent pas une limite infranchissable dans le budget d'un grand système : même en tenant compte d'un facteur de surcoût de 10, habituel pour ce genre de matériels, cette quantité de mémoire ne devrait pas coûter plus de 100 000 €, une peccadille ...
Quant à la constitution de systèmes multi-processeurs de grande taille, la seule aide significative apportée par Intel est la fabrication en série de cartes quadri-processeurs destinées à être interconnectées pour former des systèmes à nombre de processeurs quasiment illimité. Cependant, la conception et la fabrication des moyens d'interconnexion sont laissées à l'initiative des constructeurs.
Si un constructeur se base uniquement sur les produits d'Intel, il peut constituer au maximum un système octo-processeurs Pentium III Xeon à partir du jeu de circuits Profusion (sorti en fin d'années 90). Le système obtenu peut tenir honorablement une place en milieu de gamme de serveurs mais n'a pas de possibilité de rivaliser avec les modèles de haut de gamme concurrents.
Pour aller plus loin, les constructeurs doivent concevoir un système d'interconnexion adéquat, ce qui n'est pas une mince affaire, et trouver des clients ensuite, ce qui est encore plus difficile. Par exemple, Unisys propose depuis plusieurs années un système évolutif jusqu'à 32 processeurs mais ne parvient pas à le commercialiser en nombre significatif. Il est vrai qu'Unisys ne dispose pas de logiciels optimisés (système d'exploitation, gestionnaire de bases de données, ...). De plus, le domaine de l'informatique de gestion est peu porté sur l'innovation, toute évolution étant d'abord vue comme une source de risques plutôt qu'une opportunité d'améliorer le système d'information.
La réponse
Après les déboires des précédentes tentatives d'innovation radicale dans le domaine des processeurs, Intel a créé la surprise en annonçant en 1994 son nouveau projet. Contrairement à ce qui était attendu, Intel n'a pas annoncé des extensions destinées à apporter les fonctionnalités d'adressage 64 bits à son architecture IA-32, comme le 80386 étendit de 16 bits à 32 bits les capacités des x86 une dizaine d'années auparavant.
En fait, Intel a pris la décision, difficilement explicable, de prendre plusieurs risques majeurs :
- créer une toute nouvelle architecture baptisée IA-64 (Intel Architecture 64 bits) avec un modèle de programmation totalement différent de celui d'IA-32
- baser cette nouvelle architecture sur des techniques plus ou moins inédites baptisées EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing) inspirées des ordinateurs de type VLIW (Very Long Instruction Word) qui n'ont jamais rencontré le succès espéré, même dans le domaine du calcul intensif qui semble pourtant le plus approprié pour tirer parti de leurs fonctionnalités
- désigner cette nouvelle architecture comme le remplaçant, à terme, de l'actuelle IA-32 et donc prendre le risque de voir les clients actuels fuir les processeurs x86, du fait de l'absence d'avenir de la gamme, pour basculer vers IA-64 ou vers un des nombreux concurrents directs à l'affût
Cependant, certaines précautions ont été prises pour réduire ces risques :
- s'allier à HP pour le développement, ce qui garantit qu'un ténor de l'informatique utilisera les processeurs basés sur IA-64, tout en éliminant un adversaire de taille (PA-RISC)
- maintenir, dans un premier temps, un mode de compatibilité matérielle avec IA-32, ce qui permet aux premiers processeurs d'exécuter les programmes conçus pour l'architecture x86 sans modification ni émulation logicielle mais avec une performance faible
- étendre la transition sur une longue durée afin de laisser à IA-64 le temps de faire ses preuves avant de remplacer les processeurs IA-32 qui continueront à évoluer parallèlement pendant plusieurs années
Depuis peu, un nouvel allié de poids est venu rejoindre Intel et HP. Il s'agit de Compaq, dont Intel a racheté l'essentiel des brevets et équipes de développement liés aux processeurs. Avant d'être racheté par Compaq, Digital avait déjà vendu à Intel presque toutes ses activités liées aux semi-conducteurs, notamment les processeurs StrongARM et les circuits Fast Ethernet. Cependant, Digital avait conservé ses équipes de développement des processeurs Alpha afin de maîtriser l'avenir de ses gammes VMS et Digital Unix, maintenant appelé True64 UNIX.
Aux prises avec de grandes difficultés depuis l'absorption de Digital, Compaq vient de livrer sur un plateau d'argent la tête de l'enfant chéri : Alpha. Pour Intel, voilà un second concurrent majeur éliminé et un second ténor de l'informatique lié à l'avenir d'IA-64. Pour Compaq, cela consituait une étape avant la fusion avec HP récemment annoncée.
En ce qui concerne la réalisation de multi-processeurs de grande taille à base de processeurs IA-64, il n'est pas encore établi si Intel prendra l'initiative de développer des éléments d'interconnexion ou laissera ce travail aux bons soins de ses partenaires, comme c'est le cas actuellement. Cependant, il est clairement indiqué par Intel qu'IA-64 est destiné à occuper une place de choix sur ce marché.
La concurrence
Actuellement, il reste deux concurrents de taille à résister à Intel en proposant une alternative viable à IA-64 :
- IBM dispose de son architecture POWER, dont la dernière évolution en haut de gamme vient d'être lancée sur le marché (Power4) et dont il existe des versions 32 bits pour les marchés de volume (PowerPC)
- Sun, allié notamment à Fujitsu, dispose de SPARC, dont il existe des versions pour grands systèmes (UltraSPARC III et SPARC64 GP par exemple) et des versions pour les stations de travail (UltraSPARC IIi, ...)
Contrairement à Sun, IBM a annoncé un support d'IA-64 en plus de ses propres processeurs. Jouer sur tous les tableaux simultanément est une habitude de longue date pour IBM.
Un autre prétendant sur le marché des processeurs 64 bits est AMD. Revigoré par le succès de ses gammes K6 et Athlon, AMD a annoncé que la prochaine génération, dénommée globalement par le code Hammer, disposera d'extensions 64 bits complètes en plus d'une compatibilité ascendante avec IA-32. L'architecture ainsi créée est appelée x86-64 afin de bien marquer sa parenté avec les processeurs x86 actuels. AMD promet d'excellentes performances, tant en mode 32 bits qu'en mode 64 bits, sans remise en cause du modèle de programmation existant.
L'offre d'AMD est très tentante car c'est la seule à proposer une évolution en douceur viable. Cependant, AMD n'a aucune expérience des multi-processeurs de grande taille. Actuellement, son offre la plus évoluée est limitée à un bi-processeurs très honorable dans sa catégorie mais sans commune mesure avec les grands systèmes.
Lorsqu'AMD a acquis une licence du bus de l'Alpha auprès de Digital pour son Athlon, Digital aurait pu faire bénéficier AMD de ses développements de circuits d'interconnexion de multi-processeurs. Cependant, si Digital a continué à commercialiser des systèmes allant jusqu'à 16 processeurs Alpha et des grappes comprenant plusieurs noeuds pour constituer des systèmes très puissants, AMD n'en a jamais profité pour créer des multi-processeurs Athlon de haut de gamme. A l'heure actuelle, la disparition d'Alpha rend toute évolution dans ce sens impossible.
Les futurs Hammer devraient disposer d'un bus HyperTransport, ce qui les rend aptes à faire partie de multi-processeurs asymétriques de grande taille. Cependant, il reste à savoir qui développera les circuits de commutation de liens HyperTransport. Tant que les moyens nécessaires à la constitution de grands systèmes Hammer ne seront pas disponibles, AMD restera un prétendant sans envergure.
La bataille des titans va se dérouler dans les années qui viennent pour la domination de l'informatique de haut de gamme. Leur nombre devrait se réduire au fil du temps ...
Sommaire
- 1. Introduction
- 2. Le Moyen Age
- 3. Les temps modernes
- 4. Itanium
- 5. McKinley
- 6. Conclusion
