Cell Broadband Engine โปรเซสเซอร์ทรงพลังเบื้องหลัง PS3 และซูเปอร์คอมพิวเตอร์

สรุปใจความสำคัญ

พัฒนาโดยพันธมิตร STI (Sony, Toshiba, IBM)
เป็นหัวใจหลักของเครื่อง PlayStation 3
ใช้ในซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Roadrunner ซึ่งเป็นเครื่องแรกที่แตะระดับ 1 petaFLOPS
ประกอบด้วย 1 Power Processing Element (PPE) และหลาย Synergistic Processing Elements (SPEs)

Cell Broadband Engine (Cell/B.E.) คือไมโครโปรเซสเซอร์แบบ 64-bit RISC multi-core ที่ถูกพัฒนาขึ้นโดยความร่วมมือของยักษ์ใหญ่สามราย ได้แก่ Sony, Toshiba และ IBM ซึ่งรวมตัวกันในนามพันธมิตร "STI" โดยมีเป้าหมายเพื่อสร้างสถาปัตยกรรมที่สามารถรองรับการประมวลผลมัลติมีเดียและเวกเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูง

โครงสร้างและสถาปัตยกรรมของ Cell

สถาปัตยกรรมของ Cell มีความโดดเด่นด้วยการผสมผสานองค์ประกอบหลักสองส่วน:

Power Processing Element (PPE): คอร์ประมวลผลทั่วไปแบบ PowerPC ที่ทำหน้าที่ควบคุมและจัดการงานหลัก
Synergistic Processing Elements (SPEs): คอร์ประมวลผลพิเศษ (Coprocessors) หลายตัวที่ออกแบบมาเพื่อเร่งความเร็วในการทำงานเฉพาะด้าน เช่น การประมวลผลมัลติมีเดียและงานคำนวณทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อน

Cell Processor Architecture — แผนผังโครงสร้างของ Cell Broadband Engine

ประวัติและการพัฒนา

โครงการนี้เริ่มต้นขึ้นในเดือนมีนาคม 2001 ณ ศูนย์ออกแบบ STI ในเมืองออสติน รัฐเท็กซัส โดยใช้เวลาพัฒนากว่า 4 ปี และมีวิศวกรมากกว่า 400 คนร่วมมือกัน โดย Sony รายงานว่าใช้งบประมาณในการพัฒนากว่า 400 ล้านดอลลาร์สหรัฐ

ในระยะแรก การผลิตเริ่มต้นด้วยกระบวนการ 90 nm SOI (Silicon on Insulator) และต่อมาได้พัฒนาเป็น 65 nm ในปี 2007 และ 45 nm ในปี 2008 ตามลำดับ

Cell Processor Chip — ตัวอย่างชิปโปรเซสเซอร์ Cell

การนำไปใช้งานในเชิงพาณิชย์

PlayStation 3 (PS3)

การประยุกต์ใช้ที่โด่งดังที่สุดคือในเครื่องเกม PlayStation 3 ซึ่งเปิดตัวในปี 2006 โดยในรุ่นนี้ Cell จะประกอบด้วย 1 PPE และ 7 SPEs (จากทั้งหมด 8 SPEs ที่ผลิตมา โดย 1 ตัวจะถูกปิดการใช้งานเพื่อความสม่ำเสมอหรือเพื่อทดแทนส่วนที่เสีย) ในบรรดา SPEs ที่ใช้งานได้ 6 ตัวจะเปิดให้ผู้พัฒนาเกมใช้งาน ส่วนตัวที่ 7 จะถูกสำรองไว้สำหรับระบบปฏิบัติการของเครื่อง

ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Roadrunner

ในปี 2008 IBM ได้นำเวอร์ชันดัดแปลงของ Cell ที่เรียกว่า PowerXCell 8i ซึ่งรองรับการคำนวณแบบ double-precision มาใช้ในซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Roadrunner ซึ่งเป็นคอมพิวเตอร์เครื่องแรกของโลกที่สามารถทำความเร็วได้ถึง 1 petaFLOPS

IBM Roadrunner Supercomputer — ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Roadrunner ที่ใช้ขุมพลังจาก Cell Processor

การใช้งานอื่นๆ

นอกจากนี้ Cell ยังถูกนำไปใช้ในบอร์ดเกมอาเขตของ Bandai Namco (Namco System 357 และ 369) รวมถึงระบบประมวลผลภาพทางการแพทย์ การบิน และการประมวลผลทางธรณีฟิสิกส์ โดยบริษัท Mercury Computer Systems

ความท้าทายในการพัฒนาซอฟต์แวร์

แม้ว่า Cell จะมีประสิทธิภาพการประมวลผลสูงสุด (Peak Throughput) ที่น่าทึ่ง แต่การออกแบบที่แยกส่วนระหว่าง PPE และ SPE ทำให้การเขียนโปรแกรมมีความซับซ้อนสูงมาก นักพัฒนาต้องจัดการการย้ายข้อมูลระหว่างหน่วยความจำหลักและหน่วยความจำท้องถิ่นของ SPE ด้วยตนเอง ซึ่งเป็นเหตุผลที่ IBM ต้องออก SDK บนพื้นฐานของ Linux เพื่อช่วยอำนวยความสะดวกในการพัฒนา

คำถามที่พบบ่อย

Cell Broadband Engine คืออะไร?

เป็นไมโครโปรเซสเซอร์แบบ 64-bit RISC ที่ออกแบบมาเพื่อการประมวลผลประสิทธิภาพสูง โดยผสมผสานคอร์ควบคุม (PPE) และคอร์ประมวลผลพิเศษ (SPE) เข้าด้วยกัน

ทำไม PS3 ถึงใช้ SPE เพียง 7 ตัวจาก 8 ตัว?

เพื่อเพิ่มอัตราการผลิต (yield) และให้เกิดความสม่ำเสมอในทุกเครื่อง โดย 1 ตัวจะถูกปิดการใช้งานเสมอ และในจำนวน 7 ตัวที่ใช้ได้นั้น 1 ตัวจะถูกสำรองไว้สำหรับ OS ส่วนอีก 6 ตัวเปิดให้ผู้พัฒนาเกมใช้งาน

Cell Processor มีจุดเด่นด้านใด?

โดดเด่นในด้านการประมวลผลมัลติมีเดีย การคำนวณทางคณิตศาสตร์แบบเวกเตอร์ และประสิทธิภาพในการคำนวณทศนิยม (FLOPS) ที่สูงมาก