Der Software-Chip

Was macht Dave Ditzel, CEO von Transmeta, dazu, ihm zu glauben? Vielleicht ist es die Art, wie er unverfroren Worte wie cool und ordentlich verwendet. Vielleicht liegt es daran, dass er die Kühnheit hatte, seine aufstrebende Chipfirma in Sichtweite der Intel-Zentrale aufzubauen. Vielleicht liegt es daran, dass er nie einen Satz vervollständigt, so begeistert ist er von Crusoe, der Mikroprozessormarke seines Unternehmens. Von der Ankündigung von Crusoe im Januar letzten Jahres bis Mitte August, als das Unternehmen den Börsengang beantragte, machte sich Ditzel heiser, als er den Crusoe-Chip drängte. Ob vor 200 Ingenieuren oder einem einzelnen Reporter, seine Botschaft war unermüdlich: Crusoe – der Intel-kompatible Chip mit einem Zehntel des Energiebedarfs eines Pentium III – wird die Computerwelt für immer verändern. Crusoe ist stromsparend, kompatibel und leistungsstark, sagte er in einem von einer Reihe von Interviews, die vor der Einreichung im August geführt wurden. Das ist unser Mantra.

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In diesem Sommer haben das Unternehmen und Ditzel für die Ruhephase nach jedem Börsengang geschwiegen. Doch inzwischen hatte die Crusoe-Botschaft ein Eigenleben entwickelt: Seit dem Apple iMac hatte es im Silicon Valley nicht mehr so ​​viel Aufhebens gegeben, wie es Crusoe an Land gebracht hat. Es ist keine Überraschung, dass die Valley-Insider-Lappen Upside und Red Herring Transmeta im vergangenen Frühjahr als ihre Titelgeschichten nannten, aber bevor die Ruhephase begann, wurde Ditzel auch in Time, USA Today und einer Horde anderer Verbraucherpublikationen zitiert. Die Werbemaßnahmen von Transmeta haben zum Teil dazu beigetragen, dass das Unternehmen den Linux-Autor und Open-Source-Software-Guru Linus Torvalds eingestellt hat. Torvalds war Teil des Software-Design-Teams bei Transmeta und hat in letzter Zeit an einer Linux-Version gearbeitet, die Crusoes Anwendung auf dem explodierenden Markt für mobile Geräte ergänzen wird.

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Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom November 2000



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Der Börsengang selbst ist ein mürrisches, verschlossenes Dokument, das wenig über die zukünftigen Designpläne von Transmeta preisgibt, und stattdessen voller Warnungen darüber ist, was auf Transmetas Weg zur Rentabilität schief gehen könnte. Tatsächlich wurde zum jetzigen Zeitpunkt kein einziges Crusoe-Produkt in nennenswertem Umfang ausgeliefert. 1999 verlor das Unternehmen 41 Millionen US-Dollar und in den ersten sechs Monaten des Jahres 2000 weitere 43 Millionen US-Dollar; Der Prospekt macht deutlich, dass Anleger in naher Zukunft keine Rentabilität erwarten sollten.

Aber es wäre dennoch schwierig, ein Startup zu finden, das vielversprechender begann oder mit einer besseren Aufstellung von Erstkunden. Im vergangenen Mai erklärten America Online und Gateway, dass Crusoe eine neue Produktlinie von Haushaltsgeräten mit drahtlosem Netzzugang betreiben wird. IBM, Hitachi, NEC und Fujitsu folgten im Juni mit Ankündigungen von Notebook-PCs auf Crusoe-Basis, die den ganzen Tag mit normalen Akkus laufen werden. Sony folgte im August mit einer Ankündigung, dass Crusoe eine zukünftige Version seiner Vaio PictureBook-Reihe von Notebooks betreiben wird. Nicht schlecht für eine Chipfirma ohne Fabrik und ohne Erfolgsbilanz – und deren wichtigstes Kapital, wie Ditzel es ausdrückt, eine Vision eines besseren Wegs zum Bau von Mikroprozessoren ist.

Ab sofort wird der Transmeta-Ansatz die intelligenteste, schnellste, billigste, zuverlässigste und flexibelste Technologie sein, um praktisch jedes Computerproblem zu lösen, sagt John Wharton, Mikroprozessor-Design-Berater, Stanford-Professor und ehemaliger Design-Ingenieur bei Intel. Vor 50 Jahren wurden die anspruchsvollsten Systeme mit Vakuumröhren gebaut. Stand der Technik waren vor zehn Jahren komplexe, vollintegrierte Megaprozessoren wie Pentium und PowerPC. Ich sehe Transmeta als den nächsten Durchbruch in der grundlegenden Designtechnologie.

Der Weg, den Transmeta beschreitet, wird zu Chips führen, die deutlich weniger Strom verbrauchen. Das sind gute Nachrichten für jeden, der einen Laptop oder andere tragbare elektronische Geräte verwendet. Aber im Grunde hat Transmeta einen Weg gefunden, die Fähigkeit von Chipdesignern, Änderungen an ihren Produkten vorzunehmen, radikal zu verbessern, ohne die riesigen Softwarebibliotheken zu entfremden, die für die Ausführung auf einer bestimmten Hardware geschrieben wurden. Sie haben gewissermaßen den lästigen Gouverneur aus dem Motor des Fortschritts in der Chipherstellung entfernt.

Architektur der Befreiung

Obwohl in der Presse viel über Transmeta als neues Unternehmen berichtet wurde, geht oft die Technologie selbst verloren. Crusoe ist ein hybrider Software-/Hardware-Chip, dessen einziger Zweck darin besteht, Software auszuführen, die für andere Mikroprozessoren entwickelt wurde. Vieles von dem, was Intel und andere mit Silizium erreichen, hat Transmeta auf Software verlagert. Die Vorteile? Erstens benötigen die Chips selbst weniger Silizium, wodurch sie billiger zu bauen sind. Zweitens verbraucht ein einfacherer Chip weniger Strom – ein Hauptanliegen bei tragbaren Computern. Die vielleicht weitreichendste Auswirkung ist jedoch, dass Transmeta bei der Herstellung von Crusoe einen innovativen Ansatz entwickelt hat, der viele der Probleme beseitigt, die das Chipdesign in den letzten zwei Jahrzehnten geplagt haben.

Vor Crusoe war jeder Mikroprozessor, der jemals gebaut wurde, mit einem eigenen veröffentlichten Befehlssatz ausgestattet – einem ausdrücklichen Vertrag, der festlegt, wie der Chip mit Software zusammenarbeitet. Ein Befehlssatz verspricht, dass, wenn Entwickler Software schreiben, die X tut, die resultierende Aktion des Chips Y-jetzt und für immer sein wird.

Das Problem ist, dass, sobald ein neuer Chip entworfen wurde, dieser zeitlich gesperrt ist. Mit zunehmendem Softwareinventar für den Chip wird es nahezu unmöglich, den Befehlssatz zu verbessern. Auch die Softwareentwicklung wird behindert, da jedes neue Programm den Gesetzen des Befehlssatzes des Chips gehorchen muss, um zu funktionieren. Mikroprozessor-Designer möchten, dass Chips schneller laufen, aber sie müssen sie auch auf vorhandener Software ausführen lassen. So quetschen sie Geschwindigkeitsstufen mit Tricks wie der Neusequenzierung von Anweisungen an den Prozessor heraus. Aber die Umsetzung größerer Veränderungen ist so gut wie unmöglich. Es ist wie ein sehr schlimmes dreibeiniges Rennen, bei dem Software- und Hardware-Ingenieure an der Hüfte gebunden sind - nie in der Lage sind, schnell auf die Einführung modernster Produkte zu reagieren, so abhängig sind sie von den Designentscheidungen des anderen und den Entscheidungen der vorherigen Generationen.

Ditzel selbst hat Erfahrungen aus erster Hand mit der Schwierigkeit, das ursprüngliche Design eines Chips grundlegend zu verbessern. Bei Sun Microsystems, wo er vor der Gründung von Transmeta im Jahr 1995 tätig war, war er für die Änderung des Befehlssatzes für die Mikroprozessormarke SPARC des Unternehmens verantwortlich. Obwohl er 1990 mit dem Projekt begann, war der neue Befehlssatz erst im letzten Jahr einsatzbereit. Sie brauchen Zeit für die Industrie, um aufzuholen, Software auf den Markt zu bringen und Anwendungen zu konvertieren, sagte Ditzel gegenüber TR vor dem Börsengang des Unternehmens. Es ist eine wirklich große Sache.

Software-Tarnung

Die meiste Materie im Universum ist dunkle Materie

Um ihre Chips von veralteten Anweisungen zu befreien, werfen Mikroprozessor-Designer in regelmäßigen Abständen alles weg und beginnen mit einem völlig neuen Chip, komplett mit einem brandneuen Befehlssatz. Es ist ein Prozess, durch den Intel mit seinem stark verzögerten Itanium-Mikroprozessor kämpft, der der erste Chip des Unternehmens sein wird, der Daten in digitalen Schwaden von 64 Bit weiterleitet – das heißt auf einem 64 Bit breiten Bus. Die Befreiung von Designern vom 32-Bit-Bus der aktuellen Generation wird zu einem großen Leistungssprung führen. Aber auch ein Neustart führt zu einem Chip, auf dem zunächst keine Software läuft, kaum ein Idealzustand. Auch wenn Softwareentwickler kooperieren und anfangen, Code für den neuen Befehlssatz zu schreiben, funktioniert dieser Ansatz nur einmal: Dann sind Sie wieder da, wo Sie angefangen haben, mit Legacy-Software und einem jahrelangen Zyklus, um grundlegende Änderungen vorzunehmen.

Ditzel hat in seiner Karriere mehr als einmal den Start-Over-Ansatz beim Chipdesign ausprobiert. Vor zwei Jahrzehnten war er als Doktorand an der University of California in Berkeley Co-Autor einer Arbeit mit dem Titel The Case for Reduced Instruction Set Computing. Diese bahnbrechende Arbeit inspirierte eine ganze Schule des Mikroprozessordesigns; heute sind sogenannte RISC-Chips allgegenwärtig.

Nach seiner Abschlussarbeit im RISC-Design in Berkeley entwarf er bei Bell Labs eine RISC-Chip-Variante namens CRISP; CRISP erhielt jedoch nie breite Unterstützung von Softwareentwicklern. Ditzel unternahm dann einen dritten Versuch, einen neuen Mikroprozessor zu entwickeln, als er bei Sun an einem Galliumarsenid-Chip arbeitete, der nie produziert wurde. Es war, als würde ich den Leuten sagen: Schau! Sie können diesen großartigen neuen Mikroprozessor verwenden – alles, was Sie tun müssen, ist Ihre gesamte Software wegzuwerfen und von vorne zu beginnen!“, sagte Ditzel. Ich habe diesen Kampf 20 Jahre lang gekämpft und aufgegeben.

Aber er gab nicht wirklich auf. Stattdessen fand er einen Ausweg.

Während seiner Zeit bei Sun in den frühen 90er Jahren wurde Ditzel von der Arbeit des russischen Supercomputer-Experten Boris Babayan beeinflusst, mit dem er informell zusammengearbeitet hatte und den er als einen wichtigen Mentor in seiner Entwicklung zum Chipdesign bezeichnet. Zu dieser Zeit experimentierten Babayan und seine Firma Elbrus mit einer Technik, die als dynamische binäre Übersetzung und Kompilierung bekannt ist (welche Transmeta den viel marktfreundlicheren Namen Code-Morphing gegeben hat, ein Begriff, den sie seither als Markenzeichen haben).

Code zu schreiben, damit eine Art von Software auf einer anderen Art von Hardware ausgeführt werden kann, ist eine alte Idee: IBM zum Beispiel hat dies bereits in den 1960er Jahren getan. Die Ergebnisse dieser Versuche waren jedoch immer hoffnungslos träge. Aber die Chips wurden immer schneller. In den frühen 1990er Jahren postulierten Designer, dass es eine Möglichkeit geben könnte, so schnell von einem Befehlssatz in einen anderen zu übersetzen, dass die Leistung kaum darunter leiden würde. Anstatt eine statische Eins-zu-Eins-Übersetzung jeder Anweisung zu sein, könnte die Technik dynamisch sein, die Anwendung in Echtzeit auf Ineffizienzen untersuchen, diese korrigieren und sich die Korrekturen merken.

Es ist widersinnig zu glauben, dass das Einfügen einer zusätzlichen Softwareschicht zwischen einer Anwendung und einer CPU die Dinge nicht verlangsamen würde – es ist so, als würde man sagen, dass eine gekrümmte Linie zwischen zwei Punkten kürzer ist als eine gerade Linie. Aber die Beziehung zwischen Software und Hardware ist nicht mehr geradlinig: Aufgrund der Ineffizienzen, die durch die jahrelange Entwicklung um den gleichen Befehlssatz verursacht wurden, könnte dynamische Übersetzung theoretisch die Leistung verbessern. Auf der Hardwareseite kann der Prozess, immer mehr Schaltkreise auf einen Chip zu klemmen, um die letzten Leistungssteigerungen herauszuholen, tatsächlich nach hinten losgehen und die Dinge verlangsamen. Auch Software ist selten so effizient, wie sie out-of-the-box sein könnte: Anwendungsentwickler, die ein Auslieferungsdatum im Blick haben, frieren Code ein, wenn er funktioniert, nicht wenn er perfekt ist. Die dynamische Übersetzung könnte theoretisch die Lücke finden und sie straffen.

Bevor Ditzel Transmeta gründete, wurden Übersetzungstechniken nur verwendet, um vorhandene, nicht kompatible Soft- und Hardware miteinander ins Gespräch zu bringen. Ditzel und seine Mitgründer machten einen intellektuellen Sprung: Wenn eine zusätzliche Softwareschicht Anwendungen auf nicht kompatibler Hardware ausführen könnte, was hinderte sie dann daran, radikale Änderungen an der zugrunde liegenden Hardware selbst vorzunehmen und die neuesten Fähigkeiten zu nutzen?

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Im Jahr 1994 kamen Ditzel und Mitbegründer Doug Laird beide aus einem Projekt bei Sun, das darauf abzielte, Windows auf Sun-Workstations mithilfe dynamischer binärer Übersetzungstechniken besser laufen zu lassen. Uns wurde klar, dass wir die Sache ziemlich schnell machen könnten, wenn wir der Hardware nur einige Funktionen hinzufügen könnten, sagt Laird. Es war eine coole Idee, fügt er hinzu und erinnert sich daran, dass Sun nicht daran interessiert war, sein Prozessordesign zu ändern, um es besser zu machen, Anwendungen auszuführen, die für die Ausführung auf Standard-Intel-Chips geschrieben wurden. Ditzel und Laird machten sich selbstständig. Ditzel rekrutierte Colin Hunter, einen angesehenen Experten für Emulationstechniken, und Robert Cmelik, der bei Sun in der Code-Optimierung gearbeitet hatte.

Wie so oft bei Technologieinnovationen erwies sich die Praxis als schwieriger als die Theorie: Das erste Chip-Design von Transmeta lief so langsam, dass der Chip allein zum Booten des Betriebssystems eine halbe Stunde brauchte. Aber mit jeder der vier Chip-Revisionen lernte das Team mehr über die Binärübersetzung. Fünf Jahre akribischer Arbeit – geleistet von einer Brigade von 200 Ingenieuren, die von mehreren hundert Millionen Dollar Risikokapital unterstützt wurden – brachte einen Chip hervor, der schnell genug lief, um mit Intel-Prozessoren vergleichbar zu sein. Im Januar dieses Jahres kündigte Transmeta die ersten beiden Hybrid-Silizium-/Software-Chips der Crusoe-Reihe an. Der erste, TM5400 genannt, ist ein 700-Megahertz-Chip für die ultradünnen, ultraleichten Windows-Notebook-PCs. Es führt Software, die für Intel-Chips geschrieben wurde, mit einem Bruchteil der Energie aus, die ein Pentium verbraucht. Der zweite, der TM3120, ist ein 400-MHz-Chip, der entwickelt wurde, um Internet-Appliances mit einer Linux-Version zu betreiben, die Torvalds für mobile Geräte entwickelt hat.

Beide Chips präsentieren Softwareentwicklern ein Gesicht, das mit dem Befehlssatz der Intel-Prozessoren vollständig kompatibel ist. Darunter befinden sich VLIW-Chips, für sehr lange Befehlsworte, eine Architektur mit einem 128 Bit breiten Bus, der Intel-Chip-Befehle zu längeren Strings zusammenfassen und damit schneller ausführen kann. Zwischen dem nach außen gerichteten Befehlssatz und der zugrunde liegenden Hardware befindet sich die Code-Morphing-Software von Transmeta, die die Befehle im Intel-Stil in eine Form übersetzt, die Crusoe verarbeiten kann, ihre Ausführung optimiert und die optimierten Ausführungen im Speicher speichert. Wenn der Chip das nächste Mal auf dieselbe Operation trifft, ist keine Übersetzung mehr erforderlich. Die Code-Morphing-Software (die sich in einem Nur-Lese-Speicherchip befindet) ist das erste Programm, das beim Booten des Prozessors gestartet wird.

Da ein Großteil der Funktionalität von Crusoe von der Hardware auf die Software verlagert wurde, ist der Chip viel einfacher als ein vergleichbarer Pentium-Prozessor und benötigt nur ein Viertel so viele Transistoren. Ein Nebenvorteil von weniger Transistoren ist, dass Crusoe viel weniger Strom verbraucht, um zu laufen, daher die Entscheidung von Transmeta, seine ersten Chips auf den Mobilfunkmarkt auszurichten. Ein weiterer Vorteil des Crusoe-Ansatzes ist die Verkürzung der Zeit, die für die Entwicklung eines neuen Chips benötigt wird. Da ein Großteil des Designs in Software steckt, sagt Ditzel, haben einige Kunden bereits nach Änderungen des Befehlssatzes gefragt und dass die Transmeta-Ingenieure diese innerhalb von 24 Stunden implementieren könnten. Obwohl dies wahrscheinlich keine Zeit für Fehlertests beinhaltet, ist es dennoch klar, dass Transmeta einen Weg gefunden hat, den Entwicklungszyklus drastisch zu verkürzen.

Nick Tredennick, Co-Architekt des ursprünglichen Motorola 68000 (der Prozessor, der die ersten Macintoshs antrieb) und jetzt ein unabhängiger Mikroprozessor-Design-Berater, ist nicht der einzige, der zu dem Schluss kommt, dass Ditzel etwas auf der Spur ist. Als ich zum ersten Mal von Crusoe hörte, dachte ich, es sei nur die neueste Modeerscheinung oder eine Wiederholung der Emulation, die nie funktioniert hat, sagt Tredennick. Aber nachdem er Ditzel sprechen gehört hatte, wurde Tredennick ein Konvertit. Transmeta, sagt er, mache etwas grundlegend anderes als seit der Erfindung des Computers.

Wie baut man einen Quantencomputer?

Die Chips von Transmeta sind von Natur aus einfacher zu entwerfen als herkömmliche, sagt Wharton von Stanford. Sie können an einem Nachmittag eine Softwareänderung vornehmen, in eine Testversion integrieren, ausführen und sehen, ob sie funktioniert. Im Hardwarebereich kann die Durchlaufzeit drei bis neun Monate betragen. Intel kann 500 oder 1.000 Mannjahre in die Entwicklung von Itanium investieren. Der nächste Transmeta-Chip benötigt möglicherweise 10, 20 oder 50. Das sind Mauseier.

Die Entwicklung hin zu Chips, die eher Hybride aus Software und Hardware als reines Silizium sind, hat sich weitgehend durchgesetzt. Aber Transmeta wird wahrscheinlich auf absehbare Zeit die Führung behalten. Denn Ditzel war der Erste, der diese Ideen aus dem Labor holte, 200 Mitarbeiter anstellte, um daran zu arbeiten, und einen Chip baute, der funktionierte. Auf dem Weg dorthin hat er mindestens zwei Straßensperren geschaffen, die seine Konkurrenz verlangsamen werden.

Die erste sind die Testtools des Unternehmens. Tatsächlich sind die Juwelen von Transmeta wahrscheinlich nicht einmal die Chips selbst, sondern die Diagnosesoftware, die das Unternehmen im Entwicklungsprozess erstellen musste. Die handelsüblichen Tools, die es zum Auschecken konventioneller Chips gibt, gehen alle davon aus, dass eine statische Beziehung zwischen Software, einem Chip und einer gegebenen Anweisung besteht. Transmeta musste das Problem lösen, einen Mikroprozessor zu testen, der sich dynamisch als Reaktion auf die ausgeführte Software ändert. Andere Unternehmen müssen bei Null anfangen, um ihre eigenen Testtools zu entwickeln, was leicht ein Jahr oder länger dauern kann.

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