L'architecture du processeur Cell

Prévu au départ pour la Playstation 3, le Cell du trio IBM-Sony-Toshiba pourrait bien se retrouver dans des PDA ou dans des supercalculateurs.

A la fin des années 90, Sony se prend à rêver, pour sa Playstation, d'un processeur qui se comporterait comme une cellule dans un organisme vivant. Il s'appellerait... Cell. En 2000, Sony s'allie à Toshiba et à IBM. Objectif : produire une puce moins dense que celles actuellement sur le marché, dont les performances sont axées sur les applications vidéo, 3D, ou de calcul scientifique. L'architecture d'un processeur est toujours une fragile question d'équilibre. Plus la puce intègre d'intelligence, plus vite elle exécute les opérations, plus elle devient complexe, chère et consommatrice d'énergie. Une puce simple, comme au temps des Risc (Reduced Instruction Set Computer), comporte moins de transistors et consomme peu. Mais, exempte de cache, par exemple, elle souffre de la lenteur des échanges avec la mémoire.

Appel à des processeurs auxiliaires

Le trio du Cell a tenté un compromis. Le PPE (Power Processor Element), un Power PC, gère la majorité des fonctions du système d'exploitation et des applications. Mais il se décharge des tâches gourmandes sur huit processeurs spécialisés, les SPE (Synergystic Processor Element). Plus que de simples coprocesseurs monotâches, ces processeurs auxiliaires excellent en traitement vectoriel. Et, surtout, ils ne travaillent pas directement avec la mémoire. Les ambitions du Cell dépassent à ce jour la seule Playstation 3. Même le puissant supercalculateur espagnol Marenostrum teste deux cartes bic?"urs à base de Cell. Légère ombre au tableau : de persistantes rumeurs attribuent le retard de la console de jeux de Sony aux difficultés de production du [e-mail]

Les tâches gourmandes réparties entre un processeur principal et huit assistants

1. Le PPE répartit le travail
Les instructions prémâchées par le compilateur arrivent dans le PPE (Power Processor Element). Ce Power PC les exécute non pas en OOO (out of order) ?" c'est-à-dire dans le désordre, comme nombre de processeurs actuels ?", mais dans l'ordre d'arrivée défini au sein du programme. Moins rapide, mais plus simple et efficace ! Pour les travaux gourmands, le PPE se décharge sur ses huit SPE (Synergystic Processor Element).

2. La main passe au SPE
Un SPE est un miniprocesseur vectoriel. Il comprend notamment une unité de calcul (SPU pour Synergistic Processing Unit), un contrôleur DMA (Direct Memory Access), et un espace mémoire local de 256 Ko de SRAM, le local store. C'est par son seul intermédiaire que les SPE peuvent échanger des informations avec la mémoire vive. Tous les échanges passent par le ' local store '.

3. Une mémoire locale qui n'est pas un cache
Les SPE sont destinés à des traitements (son, vidéo, etc.) qui s'appuient, en général, sur un noyau d'instructions identique pour un grand nombre de données. Aucune dépendance entre les instructions, peu de branchements : les données sont rarement réutilisées. Inutile, donc, de les conserver en cache.

4. Deux instructions simultanées au mieux par SPE
L'unité de traitement des SPE, le SPU, inclut deux pipelines d'exécution. Le premier pour les calculs flottants et entiers, notamment. Le second pour les opérations de branchement, entre autres. De fait, un SPU nexécute pas plus de deux instructions simultanément. Au final, à 4 GHz maximum, le Cell devrait afficher 256 Gflops, mesurer 235 mm² et abriter 235 millions de transistors. A titre de comparaison, le prochain Itanium en comptera 1,7 milliard.