این روز‌ها رقابت برای ساخت پردازنده‌های بهینه و پرقدرت برای سرور‌ها و البته ابرکامپیوتر‌ها بسیار نزدیک است. شرکت اینتل (Intel) یکی از سازمان‌ها پیشرو در زمینه ساخت پردازشگر‌های خانگی و البته سرور‌ها و ابرکامپیوتر‌هاست. اینتل در سال 2012 سری پردازنده‌های Xeon Phi را برای اولین بار معرفی کرد که در واقع از معماری x86 پیروی می‌کرد. معماری x86 در واقع کار خود را در سال 1978 با پردازنده 8086 شانزده بیتی اینتل شروع کرد و امروزه نیز به عنوان معماری استاندارد برای ساخت پردازنده‌های شرکت‌های بزرگ به کار می‌رود. در حال حاضر اکثر پردازنده‌های موجود در بازار از معماری x86 به صورت 64 بیتی بهره می‌برند و Xeon Phi نیز از این قاعده مستثنی نیست.

Intel xeon phi
Intel xeon phi

پردازنده‌های Xeon Phi به سازمان‌های بزرگ کمک می‌کند که بزرگترین چالش‌های خود را که نیاز زیاد به قدرت پردازش دارند را به راحتی حل کنند. این پردازنده با استفاده از معماری خاص خود از گلوگاه ( bottleneck ) شدن توسط درگاه PCI جلوگیری می‌کند. از ویژگی‌ها خاص این پردازنده می‌توان پشتیبانی تا هفتاد و دو هسته پردازشی، حافظه همراه، استفاده از معماری بسیار بهینه Omni-Patch و … اشاره کرد که همه باعث شدند تا Xeon Phi به انتخاب رویایی برای بسیاری از سرور‌ها، دیتاسنتر‌ها و حتی ابرکامپیوتر‌ها تبدیل شود. یکی دیگر از ویژگی‌هایی که باعث شده Xeon Phi انتخابی بسیار معقول باشد، عملکرد بسیار خوب این پردازنده بر حسب هر وات برق استفاده شده است. این پردازنده سعی می‌کند تا بهترین و بهینه‌ترین حالت ممکن از هر وات برق برای رسیدن به بالاترین حد عملکرد استفاده کند. استفاده از کد‌ها برای پیاده‌سازی روی این پردازنده بسیار منعطف و آسان خواهد بود.

برای درک Xeon Phi بهتر است به نسل‌های گذشته این پردازنده اشاره‌ای داشته باشیم. پروژه پردازنده لارابی از سال 2006 در حال ساخت بود که اولین بار پردازش همزمان SIMD (یک دستور، چند داده) را با معماری x86 معرفی کرد. SIMD قدرت این را داشت که پردازش موازی یک دستور را روی چند داده به صورت همزمان انجام دهد. این طراحی بیشتر برای استفاده در کارت‌های گرافیکی انجام شده بود. در نهایت پروژه ساخت کارت گرافیکی بر اساس این مدل در سال 2010 برای همیشه لغو شد. بعد از لغو شدن این پروژه، اینتل تحقیقاتی برای ساخت یک پردازشگر که با استفاده از فناوری پردازش ابری کار می‌کرد را آغاز کرد. هدف اصلی این پردازنده، تقلید از رفتار یک سرور پردازش ابری و پیاده‌سازی آن روی یک چیپ بود. کمبود کش یکپارچه باعث شد تا اینتل نتواند از هسته‌های پردازشی با تعداد بسیار زیاد استفاده کند.

اینتل در سال 2010 پروژه آزمایشی خود با هسته‌های پردازشی یکپارچه (MIC) را به نام Knights Ferry آغاز کرد که به نوعی پیش‌درآمدی بر پردازنده‌های امروزی Xeon Phi است. این محصول با استفاده از درگاه PCI، سی و دو هسته با سرعت ساعت 1.2 گیگاهرتز و چهار رشته برای هر هسته را در اختیار کاربر قرار می‌دهد. همچنین دو گیگابایت حافظه از نوع GDDR5 در این پردازنده موجود بود. نسل بعدی این پردازنده با نام Kinghts Corner شناخته می‌شود. پردازنده‌ای با طراحی 22 نانومتری که برای اولین بار از تکنولوژی Tri-gate استفاده می‌کرد. همچنین تعداد هسته‌ها حالا به 50 عدد رسیده بود. بعد از تغییرات فراوان اینتل در سال 2012 اعلام کرد که نام برند این پردازنده‌ها Xeon Phi خواهد بود. در نهایت اینتل در ماه‌های پایانی سال 2012 اعلام کرد که دو پردازنده از خانواده Xeon Phi‌ با نام مدل 3100 و 5110P به بازار عرضه خواهد شد. مدل 3100 قدرت پردازش 1 ترافلاپس را داشت. مدل 5110P نیز قدرت پردازش 1.01 ترافلاپس داشت. کمی بعد و در سال 2013، ابرکامپیوتر Tianhe-2 کار خود را باپردازنده‌های Intel Xeon و Xeon Phi آغاز کرد و توانست به قدرت پردازشی 33.83 پتافلاپس برسد. این ابرکامپیوتر تا دو سال و نیم بعد از آغاز کار خود بدون رقیب بود و رکورد سریع‌ترین ابرکامپیوتر را تا ماه‌های پایانی سال 2015 به خود اختصاص داده بود. اینتل با استفاده از نسل Knights Corner مدل‌های بسیار زیادی از Xeon Phi را عرضه کرد تا نوبت به Knights Landing رسید.

بررسی Intel xeon phi
بررسی Intel xeon phi

نسل دوم این پردازنده ها که در سال 2013 معرفی شدند و به صورت 14 نانومتری ساخته شدند. این پردازنده به عنوان یک پردازنده اصلی و فرعی می‌توانست مورد استفاده قرار گیرد. این نسل شامل 72 هسته بود که هر کدام از این هسته‌ها قدرت استفاده از چهار رشته را داشتند. امکان استفاده حداکثر 384 گیگابایت رم از نوع DDR4 نیز برای آنها فراهم شده بود. همچنین هر هسته قدرت استفاده از واحد برداری 512 بیتی و البته پشتیبانی از AVX-512 را داشت که خود وظیفه پردازش همزمان SIMD را بر عهده داشت.

 

بسیار سریع مشخص شد که ابرکامپیوتر جدید موسسه ملی تحقیقات در مورد انرژی که با نام Cori شناخته می‌شد از پردازنده‌های نسل جدید Xeon Phi استفاده خواهد کرد. تا پایان سال 2016، تقریبا 10 ابر کامپیوتر با استفاده از این نسل از پردازنده‌ها به کار خود ادامه می‌دادند. نسل سوم از پردازنده‌های Xeon Phi نیز Knights Hill نام داشت. این نسل به صورت 10 نانومتری ساخته می‌شد و انتظار می‌رفت که مرکز تحقیقاتی انرژی آمریکا از آن استفاده کند. با وجود برخی از مشکلات و البته تاخیر در پیاده‌سازی ابرکامپیوتر مد نظر مرکز تحقیقاتی، اینتل مجبور شد که ساخت این نسل را به صورت کامل لغو کند. اینتل لغو کامل این پروژه را به منظور پیشرفت در Exascale Computing امری مثبت در نظر گرفته بود که تا سال 2020 یا 2021 آماده خواهد شد. نسل حاضر از پردازنده‌های Xeon Phi با نام Knights Mill شناخته می‌شوند. پردازنده‌هایی که برای هدفی خاص یعنی یادگیری عمیق (Deep Learning) ساخته شده‌اند. یادگیری عمیق، زیرشاخه‌ای از یادگیری ماشین است که در آن سعی می‌شود مدل خاصی از مفاهیم انتزاعی توسط پردازش به دست آید. چیزی شبیه به مدل Mining که شاید امروزه بسیاری از کاربران معمولی نیز با آن آشنا باشند. مدل‌های اولیه از این پردازنده در ماه پایانی سال 2017 کار خود را آغاز کرد که البته از لحاظ ساختاری شباهت بسیار زیادی به نسل Knights Landing دارد اما اینتل برای عملکرد بهتر، بهبود‌هایی در بخش‌های مختلف ایجاد کرده است. به عنوان مثال حالا این نسل از پردازش چند رشته‌ای چهار کاناله پشتیبانی می‌کند. همچنین دقت در پردازش بسیار افزایش پیدا کرده است.

Intel-KNL-Phi-SKU-list
Intel-KNL-Phi-SKU-list

اینتل در حال حاضر تمرکز بسیار زیادی روی ساخت پردازنده‌های نسل جدید با هدف Exascale Computing دارد. به نظر نمی‌رسد که آنها قصد داشته باشند در این بین نسلی دیگر از Xeon Phi را به بازار عرضه کنند اما در نهایت وجود شتاب‌دهنده‌های گرافیکی مثل Nvidia Tesla تهدیدی بسیار جدی برای اینتل در بازار محسوب می‌شود. Tesla رقیب ضعیفی نیست و استفاده از این شتاب‌دهنده در سرور‌، دیتاسنتر و ابرکامپیوتر‌ها افزایش پیدا کرده است. در کنار آن به نظر شرکت Nvidia سرمایه‌گذاری بسیار زیادی در این زمینه انجام داده و خالی کردن زمین مبارزه تا آماده شدن پروژه Exasale Computing می‌تواند ضربه جدی به آینده اینتل در این بازار وارد کند.