El chip de software

¿Qué tiene el CEO de Transmeta, Dave Ditzel, que te hace querer creerle? Tal vez sea la forma en que usa descaradamente palabras como genial y ordenado. Tal vez sea porque tuvo la audacia de construir su nueva empresa de chips a la vista de la sede de Intel. Tal vez sea porque nunca completa una frase, tan entusiasmado está con Crusoe, la marca de microprocesadores de su empresa. Desde el pasado mes de enero, cuando se anunció Crusoe con una gran fanfarria, hasta mediados de agosto, cuando la empresa presentó su solicitud para cotizar en bolsa, Ditzel se quedó ronco empujando el chip Crusoe. Ya sea frente a 200 ingenieros o un solo reportero, su mensaje fue incansable: Crusoe, el chip compatible con Intel con una décima parte de los requisitos de energía de un Pentium III, cambiará el mundo de la informática para siempre. Crusoe es de bajo consumo, es compatible y de alto rendimiento, dijo en una de una serie de entrevistas realizadas antes de la presentación de agosto. Ese es nuestro mantra.



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Este verano, la empresa y Ditzel guardaron silencio durante el período de tranquilidad que sigue a cada oferta pública inicial. Pero para entonces, el mensaje de Crusoe había cobrado vida propia: desde la iMac de Apple no había habido tanto alboroto en Silicon Valley como el que Crusoe ha traído a tierra. No es de extrañar que los informantes de Valley Upside y Red Herring publicaran Transmeta como sus historias de portada la primavera pasada, pero antes de que comenzara el período de tranquilidad, Ditzel también fue citado en Time, USA Today y una multitud de otras publicaciones para consumidores. Los esfuerzos publicitarios de Transmeta se han alimentado en parte de la contratación por parte de la empresa del autor de Linux y gurú del software de código abierto Linus Torvalds. Torvalds ha sido parte del equipo de diseño de software de Transmeta y últimamente ha estado trabajando en una versión de Linux que complementará la aplicación de Crusoe en el mercado explosivo de dispositivos móviles.

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Esta historia fue parte de nuestro número de noviembre de 2000





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La oferta pública inicial en sí es un documento severo y cerrado que revela poco de los planes de diseño futuros de Transmeta y, en cambio, está lleno de advertencias sobre lo que podría salir mal en el camino de Transmeta hacia la rentabilidad. De hecho, al momento de escribir este artículo, no se ha enviado ni un solo producto de Crusoe en un volumen apreciable. La compañía perdió $ 41 millones en 1999 y otros $ 43 millones en los primeros seis meses de 2000; el prospecto deja en claro que los inversores no deben esperar obtener rentabilidad en un futuro próximo.

Sin embargo, sería difícil encontrar una startup que comenzara de manera más auspiciosa o con una mejor alineación de clientes iniciales. En mayo pasado, America Online y Gateway declararon que Crusoe alimentará una nueva línea de electrodomésticos que contarán con acceso inalámbrico a la red. IBM, Hitachi, NEC y Fujitsu hicieron lo mismo en junio, con anuncios de computadoras portátiles basadas en Crusoe que funcionarán todo el día con baterías normales. Sony siguió con un anuncio en agosto de que Crusoe impulsará una versión futura de su línea de computadoras portátiles Vaio PictureBook. Nada mal para una empresa de chips sin planta de fabricación y sin historial, y cuyo principal activo es, como dice Ditzel, una visión de una mejor manera de construir microprocesadores.

A partir de ahora, el enfoque de Transmeta será la tecnología más inteligente, rápida, barata, confiable y flexible para resolver prácticamente cualquier problema relacionado con la computación, dice John Wharton, consultor de diseño de microprocesadores, profesor de Stanford y ex ingeniero de diseño de Intel. Hace cincuenta años, los sistemas más sofisticados se construían con tubos de vacío. Hace diez años, el estado del arte era complejo, megaprocesadores totalmente integrados como Pentium y PowerPC. Considero que Transmeta representa el próximo avance en tecnología de diseño fundamental.



El camino que está abriendo Transmeta conducirá a chips que consuman mucha menos energía eléctrica. Esa es una buena noticia para cualquiera que use una computadora portátil u otros dispositivos electrónicos portátiles. Pero más profundamente, Transmeta ha encontrado una manera de mejorar radicalmente la capacidad de los diseñadores de chips para realizar cambios en sus productos sin alienar las enormes bibliotecas de software que se han escrito para ejecutarse en una pieza de hardware en particular. En cierto sentido, han eliminado el molesto gobernador del motor del progreso de la fabricación de chips.

Arquitectura de la Liberación

Aunque ha habido mucha cobertura de prensa sobre Transmeta como una nueva empresa, lo que a menudo se pierde es la tecnología en sí. Crusoe es un chip de software / hardware híbrido cuyo único propósito es ejecutar software diseñado para otros microprocesadores. Mucho de lo que Intel y otros logran en silicio, Transmeta lo ha cambiado al software. ¿Las ventajas? En primer lugar, los chips consumen menos silicio, lo que los hace más baratos de fabricar. En segundo lugar, un chip más simple consume menos energía, una preocupación primordial para las computadoras portátiles. Pero quizás el impacto de mayor alcance es que al crear Crusoe, Transmeta ha ideado un enfoque innovador libre de muchos de los problemas que han plagado el diseño de chips durante las últimas dos décadas.

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Antes de Crusoe, cada microprocesador jamás construido venía con su propio conjunto de instrucciones publicadas, un contrato explícito que detalla cómo funcionará el chip con el software. Un conjunto de instrucciones promete que si los desarrolladores escriben software que hace X, la acción resultante del chip será Y-ahora y para siempre.



El problema es que una vez que se diseña un nuevo chip, se bloquea en el tiempo. A medida que se construye el inventario de software para el chip, se vuelve casi imposible realizar mejoras en el conjunto de instrucciones. El desarrollo de software también se ve obstaculizado, ya que cualquier programa nuevo debe obedecer las leyes del conjunto de instrucciones del chip para que funcione. Los diseñadores de microprocesadores quieren que los chips funcionen más rápido, pero también deben hacer que se ejecuten en software existente. Así que logran incrementos de velocidad con trucos como volver a secuenciar instrucciones en el procesador. Pero implementar cambios importantes es casi imposible. Es como una carrera de tres patas muy mala, con ingenieros de software y hardware atados a la cadera, nunca capaces de avanzar rápidamente hacia la adopción de productos de última generación, tan dependientes son de las elecciones de diseño de los demás y de las elecciones anteriores. generaciones.

El propio Ditzel tiene experiencia de primera mano con la dificultad de realizar mejoras fundamentales en el diseño inicial de un chip. En Sun Microsystems, donde trabajó antes de fundar Transmeta en 1995, estuvo a cargo de cambiar el conjunto de instrucciones para la marca de microprocesador SPARC de la empresa. Aunque se embarcó en el proyecto en 1990, no fue hasta el año pasado que el nuevo conjunto de instrucciones estuvo listo para su uso. Se necesita tiempo para que la industria se ponga al día, para que el software esté disponible, para que las aplicaciones se conviertan, dijo Ditzel a TR antes de la OPI de la empresa. Es algo realmente importante.

Camuflaje de software

Para sacar sus chips de instrucciones obsoletas, los diseñadores de microprocesadores periódicamente desecharán todo y comenzarán de nuevo con un chip completamente nuevo, completo con un nuevo conjunto de instrucciones. Es un proceso por el que Intel está luchando con su microprocesador Itanium muy retrasado, que será el primer chip de la compañía que enrutará datos en franjas digitales de 64 bits, es decir, en un bus de 64 bits de ancho. Liberar a los diseñadores del bus de 32 bits de la generación actual dará como resultado un gran avance en el rendimiento. Pero comenzar de nuevo también da como resultado un chip que inicialmente no tendrá software para ejecutar, difícilmente un estado ideal. Incluso si los desarrolladores de software cooperan y comienzan a escribir código en el nuevo conjunto de instrucciones, este enfoque solo funciona una vez: luego regresa donde comenzó, con software heredado y un ciclo de años para realizar cualquier cambio fundamental.

Ditzel ha probado el enfoque de puesta en marcha para el diseño de chips más de una vez en su carrera. Hace dos décadas, como estudiante de posgrado en la Universidad de California en Berkeley, fue coautor de un artículo titulado The Case for Reduced Instruction Set Computing. Este trabajo fundamental inspiró a toda una escuela de diseño de microprocesadores; hoy en día, los denominados chips RISC están en todas partes.

Después de graduarse en diseño RISC en Berkeley, pasó a diseñar una variación de chip RISC llamada CRISP en Bell Labs; CRISP, sin embargo, nunca obtuvo un amplio apoyo de los desarrolladores de software. Luego, Ditzel hizo un tercer intento de diseñar un nuevo microprocesador cuando trabajó en un chip de arseniuro de galio en Sun que nunca se produjo. Era como si le estuviera diciendo a la gente: ¡Mira! Puede utilizar este gran microprocesador nuevo, ¡todo lo que tiene que hacer es deshacerse de todo su software y empezar de nuevo! ”, Dijo Ditzel. He peleado esa pelea durante 20 años y me he rendido.

Pero realmente no se rindió. En cambio, encontró una salida.

Mientras estuvo en Sun a principios de los 90, Ditzel fue influenciado por el trabajo del experto ruso en supercomputadoras Boris Babayan, con quien había colaborado informalmente y a quien nombra como un mentor clave en su pensamiento en desarrollo sobre el diseño de chips. En ese momento, Babayan y su compañía Elbrus estaban experimentando con una técnica conocida como traducción y compilación binaria dinámica (a la que Transmeta le ha dado el nombre mucho más amigable con el mercado, el nombre de morphing, un término que han registrado desde entonces).

Escribir código para que un tipo de software pueda ejecutarse en otro tipo de hardware es una vieja idea: IBM, por ejemplo, lo hizo en la década de 1960. Los resultados de estos intentos, sin embargo, siempre fueron desesperadamente lentos. Pero las fichas se volvían más rápidas todo el tiempo. A principios de la década de 1990, los diseñadores postulaban que podría haber una manera de traducir de un conjunto de instrucciones a otro tan rápidamente que el rendimiento apenas se vería afectado. En lugar de ser una traducción estática y uno a uno de cada instrucción, la técnica podría ser dinámica, examinando la aplicación en busca de ineficiencias en tiempo real, corrigiéndolas y recordando las correcciones.

Es contradictorio pensar que poner una capa adicional de software entre una aplicación y una CPU no ralentizaría las cosas; es como decir que una línea curva entre dos puntos es más corta que una línea recta. Pero la relación entre software y hardware ya no es una línea recta: debido a las ineficiencias causadas por años de desarrollo en torno al mismo conjunto de instrucciones, la traducción dinámica podría, en teoría, mejorar el rendimiento. En el lado del hardware, el proceso de bloquear más y más circuitos en un chip para obtener las últimas ganancias de rendimiento puede ser contraproducente, ralentizando las cosas. Además, el software rara vez es tan eficiente como podría estar listo para usar: los desarrolladores de aplicaciones que estén pendientes de una fecha de envío congelarán el código cuando funcione, no cuando sea perfecto. La traducción dinámica teóricamente podría encontrar la holgura y ajustarla.

Antes de que Ditzel fundara Transmeta, las técnicas de traducción se utilizaban únicamente para hacer que el software y el hardware no compatibles se comunicaran entre sí. Ditzel y sus cofundadores dieron un salto intelectual: si una capa adicional de software podía hacer que las aplicaciones se ejecutaran en hardware no compatible, ¿qué les impedía realizar cambios radicales en el hardware subyacente, aprovechando las últimas capacidades?

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En 1994, Ditzel y el cofundador Doug Laird estaban saliendo de un proyecto en Sun diseñado para hacer que Windows funcionara mejor en las estaciones de trabajo Sun, utilizando técnicas de traducción binaria dinámica. Nos dimos cuenta de que si pudiéramos agregar algunas funciones al hardware, podríamos hacer que esto fuera bastante rápido, dice Laird. Fue una buena idea, agrega, recordando que Sun no estaba interesado en cambiar el diseño de su procesador para mejorar la ejecución de aplicaciones que habían sido escritas para ejecutarse en chips Intel estándar. Ditzel y Laird se lanzaron solos. Ditzel reclutó a Colin Hunter, un respetado experto en técnicas de emulación, y a Robert Cmelik, que había estado trabajando en optimización de código en Sun.

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Como suele ser el caso en la innovación tecnológica, la práctica resultó más difícil que la teoría: el primer diseño de chip de Transmeta funcionó tan lentamente que el chip tardó media hora en arrancar el sistema operativo. Pero con cada una de las cuatro revisiones de chips, el equipo aprendió más sobre la traducción binaria. Cinco años de trabajo minucioso, realizado por una brigada de 200 ingenieros respaldados por varios cientos de millones de dólares de capital de riesgo, produjeron un chip que funcionó lo suficientemente rápido como para compararlo favorablemente con los procesadores Intel. En enero de este año, Transmeta anunció los dos primeros chips híbridos de silicio / software de la línea Crusoe. El primero, llamado TM5400, es un chip de 700 megahercios para los ultrafinos y ultraligeros portátiles con Windows. Ejecuta software escrito para chips Intel con una fracción de la energía que consume un Pentium. El segundo, el TM3120, es un chip de 400 MHz diseñado para ejecutar dispositivos de Internet utilizando una versión de Linux que Torvalds desarrolló para dispositivos móviles.

Ambos chips presentan una cara a los desarrolladores de software que es completamente compatible con las instrucciones establecidas en los procesadores de Intel. Debajo están los chips VLIW, para palabras de instrucción muy largas, una arquitectura con un bus de 128 bits de ancho que puede combinar las instrucciones del chip Intel en cadenas más largas y así ejecutarlas más rápido. Entre el conjunto de instrucciones externas y el hardware subyacente se encuentra el software de transformación de código de Transmeta, que traduce las instrucciones de estilo Intel en una forma que Crusoe puede manejar, optimiza su ejecución y almacena las ejecuciones optimizadas en la memoria. La próxima vez que el chip encuentre la misma operación, la traducción ya no será necesaria. El software de transformación de código (que reside en un chip de memoria de solo lectura) es el primer programa que se inicia cuando se inicia el procesador.

Debido a que gran parte de la funcionalidad de Crusoe se ha trasladado del hardware al software, el chip es mucho más simple que un procesador Pentium comparable y solo requiere una cuarta parte de la cantidad de transistores. Un beneficio secundario de menos transistores es que Crusoe usa mucha menos energía para funcionar, de ahí la decisión de Transmeta de apuntar sus primeros chips al mercado móvil. Otra ventaja del enfoque de Crusoe es que reduce el tiempo necesario para desarrollar un nuevo chip. Dado que gran parte del diseño reside en el software, Ditzel dice que algunos clientes ya han solicitado cambios en el conjunto de instrucciones y que los ingenieros de Transmeta podrían implementarlos en 24 horas. Si bien esto probablemente no incluye tiempo para ningún tipo de prueba de errores, está claro que Transmeta ha encontrado una manera de acortar drásticamente el ciclo de desarrollo.

Nick Tredennick, co-arquitecto del Motorola 68000 original (el procesador que impulsó los primeros Macintosh), y ahora consultor independiente de diseño de microprocesadores, no es el único que concluye que Ditzel está en algo. Cuando escuché por primera vez sobre Crusoe, pensé que era solo la última moda, o un refrito de la emulación, que nunca ha funcionado, dice Tredennick. Pero después de escuchar hablar a Ditzel, Tredennick se convirtió. Transmeta, dice, está haciendo algo fundamentalmente diferente de lo que se ha hecho desde la invención de la computadora.

Los chips de Transmeta son intrínsecamente más simples de diseñar que los convencionales, dice Wharton de Stanford. Puedes hacer un cambio de software, incorporarlo a una versión de prueba, ejecutarlo y ver si funciona, todo en una tarde. En el ámbito del hardware, el tiempo de respuesta puede ser de tres a nueve meses. Intel puede dedicar 500 o 1000 años-hombre al diseño de Itanium. El próximo chip Transmeta puede requerir 10, 20 o 50. Eso es nueces de ratón.

El movimiento hacia la fabricación de chips que sean híbridos de software y hardware, en lugar de silicio puro, se ha popularizado ampliamente. Pero es probable que Transmeta mantenga el liderazgo en el futuro previsible. Eso es porque Ditzel fue la primera persona en sacar estas ideas del laboratorio, contratar a 200 empleados para trabajar en ellas y construir un chip que funcionó. En el camino, creó al menos dos obstáculos que frenarán a su competencia.

El primero son las herramientas de prueba de la empresa. De hecho, las joyas de Transmeta probablemente ni siquiera sean los chips en sí, sino el software de diagnóstico que la empresa se vio obligada a crear en el proceso de desarrollo. Todas las herramientas listas para usar que existen para verificar chips convencionales asumen que existe una relación estática entre el software, un chip y una instrucción dada. Transmeta necesitaba resolver el problema de probar un microprocesador que cambia dinámicamente en respuesta al software que ejecuta. Otras empresas deberán empezar de cero para crear sus propias herramientas de prueba, lo que fácilmente podría llevar un año o más.

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