IBM新的Telum芯片或复兴大型机

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IBM最近推出了其新的大型机系列，命名为IBM z16。然而，大型机在当今科技领域的重要性日益减弱，但并不意味着它在逐渐消失。据了解，IBMz16也是专为助力防范在不久的将来可能被用于破解当今加密技术的威胁而设。

这意味着z16或将走上一条振兴大型机平台的道路。所有这些功能的核心是硅。事实上，z16的基础是IBM的Telum芯片，它本身于去年夏天推出。该芯片的架构使IBM现正在推动的支持AI的大型机成为可能。Telum吸引人的核心是其新颖的缓存设计方法。

缓存是每个微处理器的关键设计组件，对处理器的整体性能有着巨大的影响。缓存就像存储储物柜，可以在处理器的前门存储数据，或者提前缓存数据。这在今天的处理器中尤为关键，这些处理器的运行速度常常高达千兆赫兹，以至于每当系统需要等待数据时，宝贵的时钟周期就会被浪费掉。

在Telum芯片之前，芯片的生成采用了四级缓存：最近的一级缓存是一级缓存（L1），下一级缓存是二级缓存（L2），依此类推，直到达到四级缓存（L4）。传统上，缓存层次结构是由L1、L2和L3在芯片上构建的，而L4是在芯片外构建的。每个级别的大小都会随着移动而增长，并且它们与处理器引擎本身的距离越远，延迟也会增加。

通过新的Telum芯片，IBM消除了物理L3和L4缓存。他们历时五年才实现了这一工程壮举。

IBM Fellow兼IBM zSystems系统架构与设计首席技术官Christian Jacobi表示：“我们对Telum芯片所做的是，我们完全重新设计了这些缓存的工作方式，使更多的数据比过去更靠近处理器核心。要做到这一点，我们将二级缓存增加了四倍。我们现在有一个32MB的二级缓存。”

二级缓存的这种大小与大多数其他服务器芯片的大小形成了鲜明的对比，这些服务器芯片的大小大约为0.5MB或1MB。为了使这个更大的二级缓存有效工作，IBM优化了访问模式，从而使其具有极低的延迟。

Jacobi表示：“我们不再受控制逻辑的限制，即先找出数据在缓存中的实际位置，然后将请求发送到缓存的正确扇区，然后缓慢地移动数据。我们的设计使我们真正受到了电传输延迟的限制，无法访问数据，无法触发从阵列中读取数据，然后将数据流回到需要的地方。”

就实际数字而言，Telum芯片可以在小于3纳秒的最佳情况下传输数据，平均延迟为3.6纳秒。Jacobi补充道：“我们优化了这个访问管道，通过它，我们为我们创造了巨大的性能优势。”

Jacobi和他的团队看到了通过增加二级缓存的大小来消除物理三级和四级缓存的好处，但他们仍然希望获得这些三级和四级缓存固有的额外存储空间带来的性能好处。为了保持这些优势，他们决定重塑和重新定义他们所拥有的缓存的交互方式。

因此，他们首先意识到，在一个有八个核的芯片中，每个核都有自己的缓存，但并非每个核都一直处于同样繁忙的状态。每个核心的工作负载需要使用自己的私有缓存的方式会发生瞬时变化。

Jacobi解释说：“这项业务对我们来说是一个巨大的机会。如果一个核心的二级缓存非常繁忙，实际需要超过32MB，而芯片上的另一个核心使用的缓存较少，我可以使用芯片上的另一个二级缓存作为非常繁忙缓存的溢出位置。”

这就是Jacobi和他的团队如何提出虚拟三级缓存概念的。虚拟三级缓存平衡了未充分利用的二级缓存，作为过剩的L2的溢出场所。当需要访问数据时，仍然可以从32MB的缓存中检索数据，非常非常靠近核心。事实上，芯片上的溢出空间因此有效地达到最大32 x 8=256 MB。如果其他内核没有做任何事情，那么它们的所有缓存在理论上都可以作为单个内核的溢出，而单个内核现在的延迟仍然非常低，只有12纳秒。

Jacobi说：“我们正试图让每一个核心都满足他们的需要，但之后他们不需要的东西就可以作为可自由支配的空间，供那些可以从中受益的核心使用。因为我们仍然优化为具有非常低的延迟，实际上这最终就像一个L3，但它是由物理L2缓存组成的，而不是芯片上自己的一块硅区域。”

虽然一些科技媒体认为这项操作是“魔术”，但它实际上只是一项智能工程。Jacobi解释说，芯片会定期测量每个缓存的繁忙程度。通过IBM内置于Telum的启发式算法，它可以确定在最后一微秒内，它在这个缓存上非常活跃，而在另一个缓存上则不太活跃。有了这些信息，芯片就会重定向流量，并使用相邻的缓存作为溢出。

Jacobi指出，该体系结构还提供了一种干净的方式，可为客户提供经典和量子级安全的加密技术，以帮助解决需要的资料机密性、完整性和不可否认性等功能。至于IBM z16 的安全启动和量子安全密码学，则可以帮助客户应对未来与量子计算相关的威胁，包括现在各项安全问题的后续攻击。