Le processeur Cell

 

La Genèse du Cell Partez à la découverte du Cell, processeur "super-star", dont les aspirations, l'avenir, passionnent et font débat au sein du microcosme informatique. Cette année des millions de foyers vont acquérir un "super-ordinateur" dans leur salon, la tant attendue PlayStation 3 de Sony, machine de la taille d'un lecteur DVD, pouvant produire jusqu'à 2 trillions de calculs par seconde (le genre de puissance qui était jusqu'alors réservée à des domaines tels que l'exploration sismique ou la conception d'arme nucléaire), donnera la possibilité aux developpeurs de créer des jeux vidéos se rapprochant du réalisme d'un film. Certains spécialistes prédisent que la PlayStation3, atteindra 100 millions de foyers d'ici 6 ans, et marquera la révolution des micro-puces. Le système de Sony tire cette prouesse du microprocesseur Cell, conçu par IBM (avec l'aide de Sony et Toshiba) pour un coût de developpement avoisinant les 400 Millions de Dollars étalés sur 5 ans. Basé sur une architecture inspiré des "super-computer", le Cell fonctionne 10 fois plus vite que le plus achevé des Intel Pentium. Plus important, le Cell peut se vanter d'apporter un avantage certain dans le domaine des applications graphiques intensives qui définiront les futurs standards visuels du divertissement, avec des jeux immersifs déconnectant l'utilisateur de la réalité, ainsi que des fonctionnalités pratiques, comme le chat vidéo en temps réel, la communication sans fil, des programmes TV interactifs et de multiples services que l'on ne peut encore imaginer. "Le Cell est un processeur à la fois efficace et versatile, pouvant aller bien plus loin que le jeu-vidéo" clame IBM. S'illustrant dans des domaines variés, tels que la télephonie mobile, les lecteurs vidéo mobiles, TV haute définition, électronique embarquée automobile. Quelques exemple concrets : - Des scientifiques de l'université de StanFord sont en train de mettre au point un super-ordinateur comprenant plusieurs Cell. - Toshiba devrait se servir du Cell dans ses prochaines gammes d'écrans TV, qui un jour permettront d'offrir, par exemple, au fan de football une expérience totallement nouvelle en contrôlant les angles de caméra et en récupérant des informations en temps réel sur le match. - Des compagnies spécialisées dans l'imagerie médicale prédisent un avenir radieu au processeur : "Le Cell est la prochaine étape dans l'evolution des micro-processeurs". - "C'est un coup d'oeil dans le futur" dit Craig Lund, Chef officier du département technologique chez Mercury Computer Systems, fabriquant de machines et serveurs à applications médicales et militaires. IBM est dèja en train de travailler sur des versions avancées du Cell, et a lancé un programme d'aide pour son processeur futuriste. 10 000 programmeurs l'ont deja telechargé. IBM, avec un chiffre d'affaires s'élevant à 94 Billions de Dollars, voit dans le Cell aussi une façon de dynamiser le secteur. "Le Cell pourra permettre des centaines de nouvelles applications, créant ainsi un marché chiffré en multi-milliards de dollars gravitant autour de cette technologie, sur les dix prochaines années". Le renommé designer de processeur, Jim Kahle qui a supervisé la création du Cell déclare : "Nous pensons que cette puce va donner un nouveau souffle à l'économie industrielle, tout simplement [...] elle nous offre un niveau de performances jamais atteint avec une autre architecture. [...] Nous parlons d'absolument tous les domaines, allant des TV aux shoot-them-up, jusqu'à la construction de supers-ordinateurs" poursuit Peter Hofstee, chef architecte du Cell. Cependant, IBM aura quelques "fantômes" à chasser afin de libérer les extraordinaires promesses du Cell. Une myriade de concurrents, en particulier certaines start-up de la Silicon Valley comme "ClearSpeed" et "Stream Processors" sont entrées dans la bataille des microprocesseurs de nouvelles générations. La haute technologie est hantée par les échecs de processeurs qui en labo, montraient un fabuleux potentiel, mais échouaient sur le marché, castrés par des programmeurs entêtés et/ou des consommateurs récalcitrants aux changements et retenus par la fidélité qui les liaient à certains constructeurs. Un quart de siècle plus tôt, Gene Amdahl, l'illustre créateur de la famille des ordinateurs IBM 360, eut l' ambitieuse idée de regrouper la puissance des super-ordinateurs (de l'époque) sur une puce, mais il fut trop en avance sur son temps et son projet "Trilogy Ltd" fut, faute d'appuis, très vite abandonné. Au début des années 1980 le processeur équipant les ordinateurs personnels Amiga dominait outrageusement ceux d'Intel, mais Intel conquit le marché . Similairement, au début des années 1990, Digital Equipment Corp. créa le premier processeur 64-bit. Leur prouesse technologique n'eut d'égale que l'incroyable flop commercial qui s'en suivit. S'il y a bien une chose qui pourrait entraver le succès du Cell, c'est paradoxalement, sa très grande puissance. Clairement, c'est un challenge énorme pour les créateurs de logiciels. "Le modèle de programmation est un cauchemar" dit Marc Tremblay of SUN, chef architecte d'un processeur rival nommé Niagara, qui offrirait une approche plus traditionnelle. "L'architecture peu évidente du Cell sera un frein à une plus large adoption au delà du monde ludique" argumente-t-il. Même les commerciaux de chez IBM affirme que le Cell ne représente pas une menace pour une société comme Intel, leader dans le domaine des micro-processeurs grand public. Les puces Intel marchent très bien sur des applications basiques de bureau, portable ou serveurs. Dans ces domaines-ci, très fermés et aseptisés, le Cell, spécialement conçu pour des taches plus complexes, ne présente aucun avantage. Cependant, l'architecture Intel, vieille de 25 ans et bridée par une rétro-compatibilité obligatoire, sera hors de course dans les domaines de nouvelles générations. Pour convaincre de passer au Cell, IBM clame haut et fort : "Nous entrons dans une nouvelle ère, le monde va changer"

Une démonstration d'IBM donne le ton

Un programme de rendu topographique permettant de survoler le Mont Rainier à 1300 mph prouve que le Cell est capable "d'avaler" des millions de lignes de données topographiques et photographiques à la seconde, Jusqu'à "peindre" en 3D l'image à une cadence de 30 images par seconde. En comparaison, sur le même programme, le Pentium prend plus de 2 minutes pour calculer une simple trame.


La genèse du Cell commença il y a de cela plus de 5 ans, avec un audacieux challenge.
Alors que la PlayStation 2 de Sony faisait ses débuts, Ken Kutaragi (chef du département jeu vidéo chez Sony pensait déjà à la prochaine version. Il demanda à IBM "quelque chose" qui multiplierait la puissance de sa console par 100.
Les responsables d'IBM acceptèrent le défi, de façon si folle qu'ils savaient pertinemment qu'il devraient repenser entièrement le design des processeurs de l'époque et se projeter bien au delà.
"Nous savions bien qu'il serait impossible de garder la technologie actuelle et la faire tourner 100 fois plus vite"

Au tout début des années 2000, Sony, Toshiba et IBM fondaient le "STI Design Center", se trouvant sur un site IBM à Austin, Texas. Jim Kahle fut nommé responsable. Kahle est né au Venezuela et a grandit à New-york. Armé seulement d'un diplôme de fin d'études à l'Université de Rice, il intègre IBM en 1983 pour écrire des logiciels de design destinés à des puces de nouvelle génération.
Son look discret et sympa cachait bien son dévouement au travail. De l'Apple G3, G4 et G5, en passant par le Nintendo Gamecube et le plus gros serveur Unix IBM, il appelle ses créations : "mes grands enfants"

Le projet employait 450 ingénieurs, la plupart venant de chez IBM. Ils travaillèrent beaucoup en équipe et dépassèrent les barrières de langue et de culture.
Dans les sessions de "BrainStorming" certains ingénieurs de Chez Sony et Toshiba étaient obliger d'apaiser les choses, tellement leurs acolytes de chez IBM avaient des débats houleux et passionnés.

Les créateurs du Cell devaient poursuivre un certain équilibre entre la puissance pure et la modularité, pour aller plus loin que le jeu. Certains puces graphiques sont très rapides, mais seulement pour cette tâche.
Généralement, la plupart des puces Intel, par exemple, sont très bien conçues pour supporter une grande variété d'applications, mais aucune n'est réellement rapide dessus. Depuis 2 décennies, Intel "booste" les performances de ses processeurs en y placant plus de transistors. A l'heure actuelle, les puces sont arrivées à cette limite et dégagent tant de chaleur que cette voie n'est plus exploitable.
Pour remédier à cela, Intel fait maintenant, comme d'autres, des processeurs à multi-coeurs. Le "Niagara" de Sun propose 8 coeurs. Pour la Xbox 360, IBM lia 3 coeurs puissants.
"Mais meme ces puces à plusieurs coeurs ne seront pas assez puissantes pour nous faire rentrer dans le futur" argumente Kahle. Le Cell avait besoin d'un design totalement nouveau.

Le Cell utilise un simple et central coeur, qui pilote 8 petites (mais puissantes) unités de calculs, appelées Synergistic Processing Engines (SPE).



Après un an de développement, les ingénieurs avait un design viable, mais ce sont sentis obligés de le retoucher, car il eut été trop dur pour les developpeurs de faire autre chose que des jeux avec. "Les codeurs de jeux n'ont pas trop de réticence à travailler avec une puce complexe, mais nous voulions toucher une plus large audience" dit Michael Day, un ingénieur logiciel chez IBM.

Quelques mois plus tard, ils optèrent pour une nouvelle approche que l'on retrouve dans le Cell aujourd'hui. Mais des obstacles apparurent. Les ingénieurs s'enlisaient dans de très complexes problèmes de gestion de mémoire : combien de "bits" de données allaient transiter dans les SPE ? Pendant 16 semaines, le staff de Kahle se retrouvait tous les matins à 9h pour éliminer le problème. "Nous venions avec une solution, puis une autre, avant de les jeter pour un nouveau design et ainsi de suite."
"Normalement, nous étions assis dans cette salle 3 ou 4 heures par jour. Quelques fois nous n'en sortions tout simplement pas de la journée" dit Hofstee.



En avril 2004, le premier prototype sortit des chaînes de productions d'IBM à East Fishkill, New-york.
Le nouveau Cell ne délivrait pas les "100 fois plus de puissance" que souhaitait Kutaragi au début, mais il en fournissait 50 fois plus, réellement.
Avec ses 200 billions d'opérations en virgules flottantes par seconde. Il est un "super-computer" à part entière de ce siècle. Ajouter une carte NVidia à cela et vous obtenez une Playstation 3 capable de traiter 2 Trillions d'instructions par seconde.

En début d'année dernière : "Quand nous avons reçu les premiers Cell et les outils de développement qui allaient avec, nous avons pu réaliser des choses qui nous projetait incroyablement en avant, par rapport à ce que l'on pouvait faire avec la génération actuelle" dit Andrew Goldman, responsable chez Pandemic Studios, basé à Los Angeles, producteur entre autre de la série des Star Wars pour la Playstation 2.
"Et ce que vous verrez dans quelques temps sera encore plus incroyable, cela prendra des années avant que le Cell soit exploité complètement"

En 2005 , IBM fit son mea-culpa. Au lieu de révéler seulement certains détails à quelques partenaires secrets, IBM dévoila entièrement le Cell sur Internet, produisant 700 pages de documentation décrivant la nouvelle architecture et un dossier de développement représentant 1100 pages, accessibles librement au téléchargement.
"Nous avons ouvert les portes et fournit tous les détails" dit Kahle. Nous voulons que cette architecture prolifère sur le marché " Poursuit-il.

Séduire est essentiel pour l'architecture asymétrique du Cell avec ses 8 processeurs différents du principal, qui sont aussi la clé de sa supériorité, au dépend d'une certaine facilité de programmation. Dans le milieu des designers de puces, on utilise une panoplie d'outils et une programmation de haut niveau (telle que le C++) pour convertir les instructions dans une forme adaptée au processeur et son architecture.
De tels outils existent pour le Cell, mais son design est si complexe et si différent par rapports aux autres processeurs, que certains programmeurs font un travail "down to the metal" repensant quelques parties basiques du code en language "assembleur". Ce qui peut prendre beaucoup de temps.

La bonne nouvelle : Certains developpeurs affirment que créer des jeux pour le Cell est bien moins compliqué que sur PlayStation 2 "N'importe qui ayant travailler sur PlayStation 2, saute de joie !" Dit Jermey Gordon, chef responsable du studio Secret Level, basé à San Francisco.

Pour faire découvrir (et vendre) le Cell, John Hofstee donna 8 conférences techniques en 2005. Kahle et lui visitèrent plus de 50 compagnies, endurant le scepticisme des "vieux routards" de l'industrie... Jusqu'au moment où ils proposèrent leurs démonstrations du Cell.
"C'est tellement jouissif de rencontrer des gens qui sont dans le business depuis 25 ans et de voir leur tète après une démo !"
Quand un fameux designer, ancien de chez Motorola et Apple, nous rendit visite à Austin pour une présentation du Cell en 2004, Kahle lui montra le programme de "survol du Mont rainier", "S'en suivit un long silence évocateur, quand il réalisa ce qu'il allait se passer dans l'industrie grace à une telle puissance".

La démonstration basée sur le Cell de Toshiba "Magic Mirror" transforme un écran LCD en un miroir virtuel en combinant le travail de plusieurs caméras. Regardez à gauche, à droite et les mimiques de votre visage se reflètent sur l'écran.
Dans les prochaines générations de TV, Toshiba espère y trouver les fondations d'une certaine interactivité.
"Un jour vous pourrez sûrement regarder un match de football avec la vision du Quaterback et passer en un clin d'oeil jusqu'à un siège à hauteur de la ligne des 50 yards, et choisir avec un petit pointeur le joueur qui vous intéresse, comme dans les jeux vidéos" décrit un responsable de Toshiba.

Masakazu Suzuoki, chef designer du Cell chez Sony, explique que Sony a l'ambition d'utiliser cette puissance pour rendre possible des films interactifs et dont le mise en scène ne sera plus figée. "On ne regardera plus deux fois un film, de la même façon".
Une autre idée que Sony est en train de proposer, est de placer de la publicité dans l'arrière plan de films ou d'émissions, adapté aux personnes qui les regardent (exemple : finale de la coupe du monde de football ; les panneaux publicitaires deviendront différents selon les pays, langues, cultures. On pourra récupérer des infos en temps réel sur les joueurs, les conditions de match, etc... (Mpeg-4))

Une puce repoussant tant de limites inspire tellement d'idées, mais le Cell aura un départ que les autres n'auront jamais. Il se retrouvera par la force des choses dans plusieurs millions de foyers à travers le monde dès son lancement. Une fois qu'il sera installé dans l'univers du jeu, des TV et dans l'électronique traditionnelle, les serveurs informatiques devront suivre, basés sur le Cell aussi. "A partir du moment où le client devient plus puissant, les serveurs doivent suivre aussi" explique Kahle. Le Cell inspire confiance à Raytheon, leader mondial dans la défense militaire, qui a étudié le Cell pendant 15 mois et projette de l'utiliser dans leurs prochains systèmes "Sonar, senseurs infra-rouges, ne sont que quelques exemples de produits que Raytheon compte produire grâce à ce type de technologie" dit Peter Pao, Chef officier technologique.
"Les puces actuelles vont partir en fumée" poursuit il.

Chez Mercury Computer Systems à Chelmsford (Massachussets), les ingénieurs travaillent sur un système comportant le Cell appelé "Turismo", qui devrait voir le jour à la fin de l'année 2006 et compte regrouper 128 processeurs Cell dans un rack de 2 mètres de hauteur, produisant plus de 25 trillions de calculs par secondes.
Mercury, vendeur de modules informatiques pour l'équipement médical construits par General Electric, Phillips et Siemens, affirme que "Turismo" peut produire un scan à rayons X d'un corps entier en 4 secondes contre 5 minutes pour une machine basé sur l'Intel pentium.
Mercury tend aussi à commercialiser ses modules pour l'industrie cinématographique afin de générer efficacement et rapidement des effets spéciaux pour les films. "cette puce ouvre des portes pour nous" se réjouit Joel Radford, le vice président de Mercury.


De retour en Australie, Kahle parle des interactions possibles dans un environnement généré par le Cell. Des mondes virtuels si détaillés que nous pourrons voir depuis notre écran, exactement la meme chose que si nous étions au détour d'une rue à Singapour, par exemple.
"Cela va modifier complètement l'approche que nous avons de l'informatique et comment les gens interagissent entre eux grâce à cet outil, là ou le virtuel et la réalité se rejoindront" conclut-il.

Pendant toute sa vie il poursuivit le but de créer une puce qui changerait le monde. A l'entendre, il semblerait bien qu'il y soit parvenu : "Ce projet est l'aboutissement d'un rêve"