Что такое 64-разрядные вычислительные системы?

Современные компьютеры оперируют данными, представленными в двоичном формате – с помощью единиц и нулей, и термин «64-разрядные» относится к максимальному размеру двоичных чисел, которые процессор может обрабатывать в определенный момент времени как данные, хранящиеся в памяти (внутренние реестры или внешняя память DRAM), или как адреса внешней памяти.

Теоретически 64-разрядные компьютерные системы поддерживают адресацию до 16 эксабайт (264 байт) памяти, включая физическую память системы и виртуальную память, которая физически не присутствует в системе, однако используется процессором.

Большинство современных компьютерных систем (и приложений) используют 32-разрядные данные, удовлетворяющие требованиям большинства клиентских приложений и серверных приложений интерфейсного уровня и поддерживающие адресацию до 4 ГБ (232 байт) памяти. Однако 64-разрядные процессоры поддерживают адресацию гораздо большего объема памяти: например, 64-разрядные процессоры Intel® Xeon™ поддерживают адресацию до 1 терабайта (1024 ГБ) памяти, а процессоры Intel® Itanium® 2 поддерживают адресацию до 1 петабайта (1024 ТБ) памяти. Указанные выше цифры относятся к объему физической памяти, который может быть установлен в системе.

Почему важен объем адресуемой памяти?

Очень многие современные бизнес-приложения являются базами данных, в которых хранятся огромные объемы информации и которые обслуживают сотни тысяч или миллионы запросов к этой информации (или транзакций) в день. В качестве примеров можно привести авиалинии, которые получают миллионы запросов о наличии мест на рейсах каждый день; банки, проверяющие записи счетов и переводящие деньги; производственные компании, использующие ERP-системы для отслеживания перемещения сырья от производства к распространению; системы извлечения информации из массивов данных, используемые компаниями розничной торговли для анализа огромных объемов данных о продажах для определения тенденций.

Когда компьютер считывает информацию с жесткого диска, он записывает ее в память для ускорения доступа. Поддержка адресации больших объемов памяти в 64-разрядных процессорах позволяет им частично или даже полностью хранить в памяти даже самые огромные базы данных.

Требования приложений баз данных к вычислительным ресурсам основываются на опросе больших объемов данных миллионами транзакций. Все данные хранятся в базах данных, и операции, которые с ними выполняет компьютер (просмотр, обработка, сравнение и т. д.), являются относительно простыми. Некоторые приложения требуют использования значительно более сложных данных для моделирования реальных сценариев. В качестве примера таких приложений можно привести приложения CAD, программы для трехмерной визуализации, модели для прогнозирования погоды, приложения для многих отраслей науки (например, молекулярная физика). В этих приложениях 64-разрядная адресация играет очень важную роль, поскольку позволяет создавать намного более точные модели. Кроме того, в таких приложениях требуется использование значительно большего объема данных для одновременного манипулирования всеми данными модели. Нередко размер одной модели может превышать несколько гигабайт!

Почему корпорация Intel использует две 64-разрядные архитектуры?

«Корпорация Intel предлагает две линейки 64-разрядных процессоров: процессоры Intel Xeon с 64-разрядной адресацией и процессоры семейства Intel Itanium. По мнению IDC, эти две линейки продукции отличаются друг от друга, и будут сосуществовать на рынке. Хотя оба типа процессоров содержат 64-разрядные реестры и поддерживают адресацию большего объема памяти, чем 32-разрядные процессоры, они отличаются другими характеристиками и будут использоваться для разных рабочих нагрузок».

64-разрядные вычислительные системы появились не вчера. В течение последнего десятилетия базы данных предприятий, обычно установленные на мейнфреймах или на компьютерах «тяжелого» класса, работали на 64-разрядных процессорах. В основном это были специализированные процессоры RISC, управляемые индивидуально разрабатываемыми операционными системами. Архитектура Intel Itanium успешно бросила вызов этим специализированным системам, предложив стандартный альтернативный вариант, зачастую более производительный и обеспечивающий значительные преимущества в соотношении цены и производительности, а также все преимущества стандартизации – гибкий выбор поставщиков, широкий выбор программного обеспечения, совместимость, планы выпуска продукции, возможность выбора поставщиков услуг и т. д. Уже сегодня 8 из 9 поставщиков решений RISC также продают системы на базе процессоров семейства Intel Itanium , и 38% компаний Fortune 500 уже используют серверы на базе процессоров семейства Intel Itanium. Неудивительно, что, по прогнозам IDC, рынок серверов на базе процессоров Intel Itanium вырастет с 1 миллиарда долларов в 2003 году до 8 миллиардов долларов в 2008 году .

Открываются возможности перехода на 64-разрядные системы

Успех архитектуры Intel Itanium открывает более широкие возможности для компьютерных центров, которые уже используют 64-разрядные приложения или приложения, которые по определению будут работать лучше в 64-разрядном режиме. Эти большие базы данных или технические приложения обычно лежат в основе всей компьютерной инфраструктуры предприятия, однако работают на относительно небольшом числе серверов.

Чтобы способствовать более быстрому переходу на 64-разрядные технологии и для поддержки приложений, работающих в 64-разрядном режиме, но не нуждающихся в особых возможностях платформы Intel Itanium, корпорация Intel выпустила 64-разрядные процессоры Intel Xeon, обеспечивающие возможность перехода на 64-разрядные системы с минимальным риском. В докладе Forrester Research говорится: «…результат просто потрясающий. Теперь они [предприятия] могут одновременно использовать 32-/64-разрядные приложения практически без лишних расходов, что позволит им постепенно перейти на 64-разрядные системы в три этапа, начиная с чистых 32-разрядных приложений, переходя к 32-разрядным приложениям в 64-разрядных операционных системах и заканчивая чистыми 64-разрядными средами, без всякого риска и перерывов в работе». Такая миграция также поможет компаниям достичь уровень надежности и безопасности класса мейнфреймов, обеспечиваемый архитектурой Intel Itanium. По мнению IDC, программное обеспечение, перекомпилированное и переписанное для работы в системах на базе 64-разрядных процессоров Intel Xeon, станет важным шагом вперед на пути к платформам на базе процессоров семейства Intel Itanium .

Такая постепенная миграция очень важна для клиентов, желающих максимально уменьшить риск, извлечь максимальную выгоду из своих капиталовложений и максимально сократить издержки по капитальным затратам. Миграция также важна для разработчиков ПО, которые начнут тестировать свои 32-разрядные программы в 64-разрядной среде, а затем будут осуществлять миграцию своего ПО по требованию рынка или в связи с технической необходимостью.

Выполнение приложений

Как было описано выше, в смешанных или переносимых средах некоторые серверы смогут использовать сочетание 32-разрядных и 64-разрядных приложений, и при этом производительность 32-разрядных приложений станет основным критерием. Оптимальным выбором станут 64-разрядные процессоры Intel Xeon как изначально 32-разрядные процессоры, которые смогут обеспечить работу этих приложений с максимальной эффективностью. Для многих приложений общего назначения, например для Web-приложений и почтовой инфраструктуры, программ для создания цифровых материалов, программ для компьютерного моделирования и программ CAD, 64-разрядные процессоры Intel Xeon также станут лучшим выбором.

Для некоторых систем баз данных предприятий лучше подойдут производительность и архитектура процессоров Intel Itanium 2. Все процессоры этого класса основаны на архитектуре вычислений с явным параллелизмом команд (EPIC). Параллелизм особенно важен для больших приложений баз данных, на основе которых работает программная инфраструктура предприятия. В непараллельной архитектуре операции выполняются последовательно, т. е. сначала извлекаются данные, а потом выполняется команда, потом снова извлекаются данные, затем снова выполняется команда и так далее. Каждый цикл извлечения данных и выполнения команд называется тактовым циклом, и производительность современных процессоров составляет миллиарды циклов в секунду. Это впечатляет, однако это не самый эффективный способ работы с некоторыми приложениями. Приложения баз данных часто требуют от процессора одновременного выполнения большого числа разных транзакций, в связи с чем для разных элементов данных будут выполняться различные потоки (небольшие элементы программы). В большинстве современных процессорных архитектур эти потоки команд выполняются последовательно (один за другим). Архитектура EPIC позволяет процессору Intel Itanium 2 параллельно выполнять несколько потоков команд, значительно ускоряя операции с данными. Представьте себе, что вы уронили банку с печеньем на пол и по полу рассыпались сотни печений. При последовательном подходе вы должны будете поднять печенье, положить его в банку, затем поднять следующее печенье, снова положить его в банку и так далее. Одна и та же операция выполняется для разных объектов. При параллельном подходе вы позовете друга на помощь и будете собирать печенье вместе. В этом случае одна и та же операция будет одновременно выполняться для нескольких объектов. Эта разница очень важна для повышения производительности баз данных.

Существует еще одна важная форма параллелизма, связанная с отображением одного физического процессора в операционной системе как двух виртуальных процессоров (технология Hyper-Threading) или фактическим использованием двух ядер процессора (многоядерные процессоры). Данный подход позволяет процессорам одновременно обрабатывать несколько потоков команд одного приложения или разных приложений. Технические специалисты корпорации Intel занимаются проектированием процессоров с огромным числом транзисторов и новыми полупроводниковыми технологиями, а также разрабатывают двухядерные и многоядерные процессоры, фактически представляющие собой объединение нескольких процессоров в одном кристалле. Двухядерные процессоры скоро появятся как в семействе 64-разрядных процессоров Intel Xeon, так и в семействе процессоров Intel Itanium 2 – первые двухядерные процессоры Intel Itanium 2 под кодовым названием Montecito появятся в 2005 году. Процессоры Tukwila станут первыми многоядерными процессорами семейства Intel Itanium и обеспечат увеличение производительности процессора к 2007 году более чем в два раза, перевыполнив классические требования закона Мура.

Масштабируемость и возможности платформ

Всего существует два вида масштабируемости – вертикальная и горизонтальная. Под вертикальной масштабируемостью мы подразумеваем создание одной системы с множеством процессоров, а под горизонтальной – объединение кластеров компьютерных систем в единый виртуальный ресурс. Оба подхода отлично срабатывают в различных областях. Так, горизонтальное масштабирование лучше всего подходит для Web-приложений и связующего ПО, а вертикальное масштабирование лучше всего подходит для больших баз данных, управлять которыми на одной системе проще и эффективнее. В связи с этим различием отличается и масштабируемость платформ на базе 64-разрядных процессоров Intel Xeon и Intel Itanium 2.

Сегодня системы на базе процессоров Intel Xeon поддерживают от 2 до 16 процессоров. Эти системы могут быть объединены в кластеры для создания более масштабных решений, на которых могут работать большие Web-приложения или решения на связующем уровне. Платформы на базе процессоров Intel Itanium 2 могут иметь до 512 процессоров в одной системе, а вскоре появятся и более масштабные платформы.

Оба подхода обеспечивают отличную производительность. Сегодня 320 из 500 самых производительных компьютеров мира построены на базе архитектуры Intel® (что в шесть раз выше, чем показатель ближайшего конкурента) , и при этом они могут использоваться в различных областях.

Кроме того, платформы на базе процессоров Intel Itanium 2 имеют более высокую пропускную способность системной шины, дополнительные встроенные в процессор функции для повышения надежности, а также возможность адресации большего объема физической памяти.

Дополнительные стимулы для развития 64-разрядных компьютерных систем

Мы уже упомянули, что планирование перехода на 64-разрядные вычислительные системы очень важно для предприятий. Частично это связано с требованиями современных приложений, которые мы описали выше. Однако, помимо этого, на рынке существуют тенденции, указывающие на значительный рост объемов и сложности данных, в связи с чем 64-разрядные вычислительные системы станут играть все более и более важную роль для самых разнообразных предприятий.

Гигантские объемы данных

По прогнозам компании Gartner , к 2012 году предприятиям потребуется возможность обрабатывать в 30 раз больше данных, чем в 2004 году, а аналитики из Калифорнийского университета утверждают, что человечеству потребовалось 300 тысяч лет, чтобы создать первые 12 эксабайт (1 миллиард гигабайт) информации, зато вторые 12 эксабайт будут созданы всего за два года . Внедрение технологии RFID и электронных торговых точек значительно увеличивает требования к вычислительной мощности процессора, объему памяти и данных, и, со временем, сегодняшние нагрузки покажутся нам просто карликовыми.

Соответствие требованиям к выполнению правил и прозрачности бизнеса

Более того, после дела Enron законодательные акты и организации придают значительно больший вес операциям с данными, хранению данных, доступу к данным и наличию электронного аудиторского следа работы с данными. Многие аналитики считают, что это самая серьезная проблема, стоящая перед IT-директорами сегодня.

Повышенный спрос на время реакции на запросы пользователей

Мы увидели, как 64-разрядная архитектура ускоряет работу баз данных предприятий. Все больше и больше потребителей желают получать результаты транзакций с базами данных в реальном времени. При совершении покупок в Интернете, когда при задержках покупатель просто переходит на другой сайт, или при работе телефонных центров продаж, когда сотрудники должны отвечать на вопросы клиентов, возможность получения ответов на запросы в реальном времени еще более важна.