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01.02.2010
Folge 205

48 CPU-Kerne für Prozessorchips der Zukunft

mit Heinz Schmitz

Die Zukunft der Rechner-Prozessoren liegt in der Erhöhung der CPU-Kerne auf einem Chip. Werkeln heute Chips mit zwei, vier oder acht Prozessorkernen in den Rechnern, sollen es zukünftig 48 oder mehr Kernen sein. Die Herausforderung ist nicht nur das Chipdesign, sondern auch die Softwareentwicklungswerkzeuge, die Programme so optimieren, dass sie die volle Rechenpower ausnutzen.

Forscher von Intel in Braunschweig, Bangalore (Indien) und Hillsboro (USA) haben erstmals den Prototypen eines Intel-Prozessors mit 48 Kernen enthüllt. Der Single-Chip Cloud Computer ist der jüngste Meilenstein des Intel-Forschungsprogramms mit dem stolzen Namen „Tera Scale Computing“. Fernziel ist es, hundert oder mehr Prozessorkerne auf einem Chip zu komprimieren. Künftige Computer könnten dadurch völlig neue Software-Anwendungen und Mensch-Maschine-Schnittstellen ermöglichen. Der Chip-Gigant plant, Industrie und Hochschulen im nächsten Jahr mit 100 oder mehr dieser neuen Chips für die Entwicklung neuer Software-Anwendungen und Programmiermodelle auszustatten.

In diesem Jahr werden Prozessoren mit sechs und acht Kernen auf breiter Basis in den Markt eingeführt. Der „Single-Chip Cloud Computer“ bietet mit 48 voll programmierbare Rechenkernen mehr als je zuvor auf einem einzigen Silizium-Chip integriert waren. Der Chip verfügt zudem über ein sehr schnelles Netzwerk, das den Datenaustausch zwischen den Rechenkernen ermöglicht sowie Powermanagement-Technologien für eine hohe Energieeffizienz. Die 48 Kerne benötigen nur 25 Watt im Idle-Zustand oder 125 Watt bei maximaler Leistung - das ist vergleichbar mit dem Verbrauch aktueller Prozessoren oder der Leistungsaufnahme von zwei Standard-Haushalts-Glühbirnen.

Ingenieure des Intel Standorts Braunschweig entwickelten den Prozessorkern, die spezielle Hardware, mit der die Kerne mit reduzierter Latenz kommunizieren und einen schlanken, energieeffizienten Speicher-Controller, der für viele Prozessorkerne optimiert ist. Die Ingenieure in Braunschweig waren zudem für die Validierung des gesamten Chips zuständig. Dafür kam die von ihnen entwickelte Technologie für die Emulation von Mikroprozessoren zum Einsatz. Damit konnten Software- und Hardware-Konzepte getestet werden, bevor der Chip tatsächlich gebaut wurde. Die Erkenntnisse aus der Planung und Entwicklung des Prototypen wird in die Mainstream-Chips der Zukunft eingebracht.

Theoretisch könnten künftige Notebooks mit dieser Rechenleistung sogar die Fähigkeit erlangen, Objekte und Bewegungen real und mit hoher Genauigkeit in der gleichen Weise wahrnehmen zu können wie das menschliche Auge. So ist es zum Beispiel vorstellbar, beim Online-Shopping die 3D-Kamera und das Display eines künftigen Notebooks als „Spiegel“ zu nutzen. So könnte man virtuell Kleidung anprobieren.

Mit dieser Art von Interaktion wären keine Tastaturen, Fernbedienungen oder Joysticks für Spiele mehr notwendig. Einige Forscher glauben, dass Computer sogar in der Lage sein werden, Gehirnströme zu lesen. Damit würde das Denken an eine Aufgabe, etwa das Diktieren von Wörtern, ausreichen, damit der Computer agiert.
Prototyp funktioniert nach Cloud Computing Prinzip

Die Entwickler haben diesen Testchip auf den Namen „Single-Chip Cloud Computer“ getauft. Er gleicht der Organisation von Rechenzentren, die eine „Wolke“ von Computer-Ressourcen über das Internet aufbauen, um Dienstleistungen wie Online-Banking oder Social Networking für Millionen von Nutzern bereitzustellen.
Cloud Rechenzentren umfassen bis zu Tausende von Computern, die durch ein physikalisch verkabeltes Netzwerk verbunden sind, immense Rechenleistung liefern und riesige Datenmengen verarbeiten. Der neue Schaltkreis verwendet einen ähnlichen Ansatz; alle Computer und Netzwerke sind auf einem einzigen Intel 45nm, High-k Metal-Gate (http://de.wikipedia.org/wiki/High-k-Dielektrikum) Chip integriert, der etwa die Größe einer Briefmarke aufweist.

Ein High-Speed-Netzwerk zwischen den Kernen sorgt für den Austausch von Informationen und Daten. Diese Technik verbessert die Kommunikationsleistung und die Energieeffizienz für Rechenzentren enorm, da sich Datenpakete nur Millimeter auf einem Chip bewegen statt Dutzende Meter zu einem anderen Computer System zurückzulegen. Software ist in der Lage, in wenigen Mikrosekunden Informationen direkt zwischen den kooperierenden Kernen auszutauschen. Ähnliche Aufgaben lassen sich auf den nächst gelegenen Kernen ausführen. Theoretisch ist es sogar möglich, Ergebnisse wie auf einem Montageband direkt von einem Kern zum nächsten weiterzuleiten, um die Gesamtleistung zu maximieren.

Die Programmierung für Prozessoren mit mehreren Kernen ist eine bedeutende Herausforderung für die gesamte Industrie. Der Prototyp ermöglicht Ansätze der parallelen Programmierung auf dem Chip, die bislang in der Software von Cloud-Rechenzentren verwendet werden. Forscher von Intel, HP und Yahoo haben im Rahmen ihrer Zusammenarbeit bei Open Cirrus (http://de.wikipedia.org/wiki/Open_Cirrus)  bereits Cloud-Anwendungen auf den 48 IA-Core Chip portiert. Sie nutzten dazu Hadoop, ein Java-Software-Framework, das datenintensive, verteilte Anwendungen unterstützt.  Die ETH Zürich ist eine der europäischen Hochschulen, die den Testchip erhalten, um neue Software-Anwendungen und Programmiermodelle für künftige Vielkern-Prozessoren zu entwickeln.


Eine Zeitreise mit Time Warp


Dr Leif Oppermann, FIT Fraunhofer St. Augustin

Gehen Sie auf Zeitreise: Gesucht wurden 60 Testspieler zur Erprobung eines neuen Augmented Reality Spiels, bei dem Realität und Fiktion mittels innovativer Technologien verschmelzen. Ausgerüstet mit einem mobilen Computersystem erleben die Teilnehmer im Spiel TimeWarp die Stadt Köln in der Römerzeit, dem Mittelalter und der Zukunft. Die Testspielreihen wurden vom 6. Januar bis 5. Februar 2010 am Kölner Rheinufer durchgeführt. Entwickelt und erprobt wird das Spiel unter Leitung vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik FIT im EU-Projekt IPCity.


   
Auch über die Kölschgrenzen hinweg ist vielen die Kölner Sage über die Heinzelmännchen bekannt, die nachts, während die Menschen schliefen, deren Arbeit verrichteten. In TimeWarp reisen die Spieler auf den Spuren der verschollenen kleinen Helfer durch die Zeit und erleben Köln, so wie es einmal war und wie es – vielleicht – einmal sein wird. TimeWarp ist ideal für Spiel- und Technikbegeisterte mit Interesse an der Kölner Stadtgeschichte.

"Ausgerüstet mit modernster Lokalisierungs- und Visualisierungstechnik wandern die Spieler in einem spannenden Spiel am Kölner Rheinufer entlang und erleben die Stadt in verschiedenen Epochen" fasst Projektkoordinator Dr. Rod McCall aus der Abteilung für Kollaborative Virtuelle und Augmentierte Umgebungen des Fraunhofer FIT die Idee von TimeWarp zusammen. "Die Teilnehmer werden nicht nur ein abwechslungsreiches Spielerlebnis genießen, sie helfen uns durch ihre Teilnahme auch bei der Entwicklung und Auswertung so genannter Mixed Reality Technologien."

   

Die Spieler tragen kleine ultra-mobile PCs (UMPCs derzeit von SONY y,) mit rückseitig montierter Kamera. Auf dem Bildschirm des UMPC ist das Videobild der Kamera zu sehen, genauso wie bei einer Digitalkamera. Abhängig von Position und Blickrichtung des Spielers wird jedoch das aufgenommene Bild mit computer-generierten Elementen erweitert. So erscheinen virtuelle Charaktere in der Umgebung, mit denen die Spieler interagieren können.
Teilnahme

Teilnehmer mussten mindestens 18 Jahre alt sein. Gespielt wurd mehrmals täglich in Zweierteams. Eine Spielsession dauert etwa 90 Minuten und wird zu Forschungszwecken auf Video dokumentiert. Anschließend werden die Teilnehmer mündlich und per Fragebogen zum Spielerlebnis befragt.
   
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Über IPCity

Das Projekt IPCity – Integrated Project on Interaction and Presence in Urban Environments wird durch die Europäische Union im 6. Rahmenprogramm gefördert. IPCity erforscht, wie man Menschen in ihren realen Lebens- oder Arbeitssituationen im Stadtleben mittels Mixed Reality Techniken unterstützen kann. Anwendungsfelder sind Spiele und Stadtgeschichten sowie Großveranstaltungen und Stadtplanungaufgaben. Das Konsortium setzt sich zusammen aus Fraunhofer FIT, Vienna University of Technology, Graz University of Technology, University of Oulu, University of Cambridge, University of Applied Arts Vienna, Université Paris-Est Marne la Vallée, Helsinki University of Technology, Imagination Computer Services GesmbH und Aalborg University.


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