談IBMSystemx服務器使用雙核Intel處理器的運算優(yōu)勢

1、和 Maurice Bland現(xiàn)在的處理器技術正向 64-位運算方向發(fā)展，而先進處理器技術發(fā)展的下一步將是引入雙核處理器，而隨后將是發(fā)展出新一代的低功耗雙核處理器“雙路”服務器應擁有兩個處理器插槽，各包含一個單核芯片。與之對照，雙核處理器則在單個芯片中包含了兩個完整的處理器內核，同時還包含了 L1和 L2緩存及其他支持電路。這就為提高性能和減少延遲提供了潛在的優(yōu)勢，而相對兩個物理處理器，其功耗和發(fā)熱也更低。單位功率性能單位功率性能我們的測試結果表明，雙核的性能比單核上升了30-110%，而單位功率性能則上升了90%-175%。1相同類型和時鐘頻率的物理處理器。2 雖然基準結果只是專門針對x36

2、50服務器的，但其他x3XXX系列服務器中采用了與之相同的處理器、內存和 I/O技術。因此，這些產品與早期的 IBM產品對比時，其相對性能增強與上述結果類似。自微處理器于 35年前被發(fā)明以來，計算機工程師和架構師們就一直致力于用他們手上的晶體管開發(fā)更快和更便宜的設備。第一個商用單片微處理器2,300 個晶體管。而現(xiàn)在，一個 64位微處理器的工作頻率高于2GHz，采用低于 100納米的處理器技術構建，并集成了數(shù)百萬的晶體管。Gordon Moore成功的預測了過去四十年來處理器技術的飛速發(fā)展。他是 Intel的共同創(chuàng)始人之一，也是公認的摩爾定律的制訂者。摩爾定律明確指明了電子集成電路封裝技術的發(fā)

3、展將導致晶體管的數(shù)量每 18到 24個月翻一番。摩爾定律的實際效果讓技術用戶能夠減少成本的同時獲得更高的運算能力。經過多年的發(fā)展，摩爾定律的效果使得制造商能夠很容易的提高處理器性能。隨著每一代處理器制造技術的發(fā)展，晶體管變得更小，封裝得更密集，同時也就減少了電路中電容和布線的距離，這也就使得處理器的時鐘頻率獲得飛速提高今天，任何從事過 IT 行業(yè)的人都知道，要擴展處理器的時鐘頻率正變得越來越困難。摩爾定律的好處也伴有一個“陰暗面”。隨著晶體管密度和處理器主頻的提升，處理器的耗能和發(fā)熱也迅速上升。其導致的處理器功率密度也會上升，而使用傳統(tǒng)的廉價冷卻方式散熱就變得越來越困難。這成為限制處理器速度的

4、主要瓶頸。電源密度通常以單位面積的功率或表示，而如果我們將處理器功率密度按照 IT業(yè)過去 20年來的速度進行外推，那么，不斷縮小的處理器面積上產生的溫度最終將超過太陽的表面！而時鐘頻率越高，其耗能越大。芯片越熱，整個系統(tǒng)的運行也會越熱，同時也就讓制冷面臨更多挑戰(zhàn)但最終，還是要提高單位面積的晶體管數(shù)量以進行更復雜的處理器實施，但工作頻率也必須下降，以將處理器功率限制在一個可管理的水平內。（這也就是 Intel和其他經銷商至今也沒有推出4GHz 處理器的原因）現(xiàn)在要做的就是將制造和設計方式集中放在處理器性能功率比上。微處理器的設計人員正在尋求各個層面的功率限制手段。處理器架構師、電路設計人員和處理

5、工程師正致力于減少泄漏并正在制訂功率效率解決方案。這可以通過制造處理技術解決，包括創(chuàng)新電路設計和微架構、在操作系統(tǒng)中進行電源管理、技術用戶將處理器頻率擴展歷史性瓶頸歸結為摩爾定律邊緣效應的理論已經站不住腳了。盲目將GHz 作為關鍵性能指標現(xiàn)在正受到物理上的限制，處理器的功耗和電源密度正呈指數(shù)級上升。而通過將單核處理器技術轉換為雙核，制造商們就能大幅降低時鐘頻率，同時還可以提升性能。再向前發(fā)展，預計隨著未來制造處理技術的進步，處理器頻率每年能提升10%。但摩爾定律還沒有過時，處理器芯片制造處理器技術的發(fā)展還將能提供更高的晶體管密度。而為了提升性能，處理器經銷商們將放棄拼命提高時鐘頻率的做法，轉而

6、增加處理器的核數(shù)。在一個設計有多處理器插槽的系統(tǒng)中，可以增加第二處理器。這通?？梢蕴岣咝阅艿⒎翘嵘?100%因為處理器間還存在資源爭搶和延遲問題。處理器插槽越多，比如從兩個到四個，從四個到八個以此類推，爭搶和延遲問題越嚴重。而最新的性能增強技術則是在一個物理芯片上安裝第二個處理器和相關的 L2緩存，也就是“雙核”處理器。將兩個內核緊密的放置在單個插槽中消除了雙插槽 SMP系統(tǒng)中常見的處理器延遲問題。就本質而言，雙核處理器就是單個芯片上的“雙路 SMP”。這種設計允許雙核處理器的性能指標不僅僅是時鐘頻率、總線速度和緩存大小。另一個重要方面是處理器處理程序線程的效率（和程序堆放“線程”的方式）。

7、例如，單核雙線程處理器中，每個線程均指派有自己的寄存器，這樣就相當于兩個（邏輯）處理器。理論上，它可以處理兩個線程。而實際上這種情況是很難發(fā)生的，因為這些邏輯處理器仍是單個物理處理器的一部分，這就使線程需要共享公共資源，例如整型單元、浮點單元和緩存。而這也會帶來線程間的處理器資源爭搶問題。結果就是，有效輸出少于理論值，因而其中一個線程必須等待另一個線程釋放處理器資源。此外，如果軟件是大型單線程，那么第二邏輯處理器則必須閑置很長時間，進行毫無意義的等待。雙核的另一個優(yōu)勢就是減少了功耗和發(fā)熱。一個雙核。IBM早在 2002年就開始采用雙核處理器設計，而最近Sun、AMD和 Intel也紛紛采用雙核

8、。2006年以后，我們將不大可能看到任何新的單核服務器處理器上市?，F(xiàn)在的問題不是你是否會移植到雙核處理器，而僅僅是時間問題。那軟件許可的問題呢？移植到雙核處理器是否意味著更高的軟件成本？答案是否定的。注：雖然多數(shù)性能方面都有增強，而某些客戶和某些任務的獲益則更大，但需要注意的是，就像增加內存只在使用應用程序時才有效果一樣，雙核處理器對使用多線程、運算密集應用用戶的幫助，要大于使用單線程或I/O-密集應用的用戶客戶獲得的優(yōu)勢1對代表性應用就轉換為雙核獲得的優(yōu)勢進行了分類，包括顯著優(yōu)勢、一般優(yōu)勢或微小優(yōu)勢。（列表中的分類為各列應用的以性能改善排序，各分類中的應用例如 HPC 服務器以字母順序排序)

9、Web 服務器終端服務器服務器版本）表 1. 服務器應用雙核優(yōu)勢分類本文中用以對比 Intel單核處理器和雙核處理器的IBM 系統(tǒng)為 x346 和 x3650的系統(tǒng)架構）。除了從單核移植為雙核，Xeon 處理器 51xx 系列還引入了Intel的最新Core微架構3。因為Woodcrest 是新型雙核處理器，其緩存結構不同于早期的單核除了不同的處理器內核之外，其他的變化也使x3650相對x346具有顯著的優(yōu)勢。通過將處理器內核數(shù)從兩個增加到四個，其他系統(tǒng)組件，例如FSB 帶寬、內存帶寬和 I/O帶寬都得以擴展，從而增加了整體處理能力。為了增加處理流量同時減少阻塞，x3650 的帶寬超出x346

10、達2.6倍，此外，內存帶寬擴展了 3.3倍以支持更多的內存 DIMM，而且x3650 的 I/O帶寬也增加了 2.5倍。所有這些變化都是為了支持未來的四核系統(tǒng)。雙核Woodcrest 單核Irwindale L2 緩存共享L2 緩存Core2Core1CoreRiser21.3 GB/s四通道FBDIMMsRiserMCHIntel5000PBridgeESB2MIntelSouthBridgeMCHIntelE7525BridgeICH5IntelSouthBridge6.4GB/s雙通道DDR2 D4MMs4.4.8 GB/sI/O 插槽 BW圖1.346 對比3650 本文論述的實驗和結

11、構均以以上兩種系統(tǒng)為基礎，實驗中的時鐘頻率可能有所不同，但其本質原理類似。為了幫助了解應用單核 (SC)和雙核 (DC)處理器性能和單位功率性能的差別，IBM 進行了一系列的行業(yè)基準測試，來比較采用單核 (SC) Xeon處理器的346 和采用雙核 (DC)Xeon處理器的3650。這些基準測試對于比較不同工作負載下的處理器非常有用。為了比較346 和3650 的整體性能，我們采用了兩個性能基準：Microsoft Exchange Server MMB3 和 SPECweb2005。Exchange Server MMB3 是一種用于測試處理器運行基于電子郵件操作能力的基準。SPECweb2

12、005 則用于模擬通過寬帶互聯(lián)網(wǎng)連接向 web服務器發(fā)送請求。雖然雙核處理器是性能改善的主因，但服務器配置上的變化也對性能結果有所影響。SAS 驅動器也是 IBM雙核系統(tǒng)遠勝過前一代單核系統(tǒng)的關鍵因素。24GB PC2-5300 DDR2 全緩沖表2. Exchange 和 SPECweb2005 基準測試的系統(tǒng)配置x346 得分的百分比表示。）Exchange 顯示。這些顯著的性能提高都于前文提及的組件改善直接相關：處理器、內存和 I/O帶寬的改善以及兩種服務器的其他差別。MS Exchange MMB3 SPECweb2005標準化得分性能（標準化）MS Exchange MMB3 SPE

13、Cweb2005標準化得分性能（標準化）b2005/results/2GB 內存，使用雙核處理器時則應該考慮將內存加倍。（建議在任何情況下執(zhí)行內部專用測試來確定實際需求。）在過去，隨著工作負載的增加，基礎結構要根據(jù)需求作出改變。而基礎結構的增長也會相應導致功耗的增加。而采用雙核的服務器后，這些都不是問題。從前面的論述可以看出，以性能為尺度來說，雙核的服務器明顯減少了整體基礎結構的大小。本節(jié)中，您將發(fā)現(xiàn)，相對單核服務器，雙核服務器功耗更低，而性能卻更高。運行基礎測試服務器配置的單位功率性能得分見SAS 磁盤驅動器。這兩項技術均對性能改善有益。處理器 / 內核2 x 3.6GHz SC Xeon

14、(Irwindale) / 2個內核2 x 2.33GHz DC Xeon (Woodcrest) / 4個內核內存4 x 1GB (PC2-3200 DDR2 寄存器 DIMM)4 x 1GB (PC2-5300 DDR2 全緩沖 DIMM)硬盤驅動器6 x 73GB 15K RPM 3.5-英寸 SCSI8 x 73GB 10K RPM 2.5-英寸 SAS磁盤配置6-驅動器 RAID-58-驅動器 RAID-5NIC2 x 1Gb (平面)2 x 1Gb (平面)RAID 控制器ServeRAID-7k (SCSI)ServeRAID-8k (SAS)表3. 文件服務器和 web服務器基

15、準測試系統(tǒng)配置單位性能功耗標準用于測量服務器功耗的效率。為了進行評分，性能得分根據(jù)服務器最大輸出時測得的峰值功率進行劃分。其數(shù)字代表單位性能測量值，結果也采用標準化方式表示，和前文一樣圖 3 顯示了x346 和 x3650在文件服務器和 web服務器基準下的性能功耗比。文件服務器基準用于評估文件服務器處理I/O 請求的能力，而web 服務器基準則用于評估服務器處理x3650的性能比x346要超出175%。這種顯著的單位功能性能的改善不能規(guī)因于任何一個專門的配置差別。文件服務器 Web 服務器標準化得分性能功耗比（標準化）文件服務器 Web 服務器標準化得分性能功耗比（標準化）Microsoft

16、 Exchange基準測試34%，而根據(jù)SPECweb2005基準測試，則超出111%。除了性能方面的提升，雙核系統(tǒng)真正的優(yōu)勢在功耗方面。因此，175%。圖 4 和圖5分別總結。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，11臺。針對業(yè)務增長的新容量服務器數(shù)量少 48%。性能相當!節(jié)約功耗達 62%!今天11 x3650 服務器昨天21 x346 服務器圖 4. IBM x346 對比 IBM x3650：針對業(yè)務增長的新容量服務器數(shù)量少 48%。性能相當!節(jié)約功耗達 62%!今天11 x3650 服務器昨天21 x346 服務器x346的兩倍，而同時減少性能超出 90%!耗電省 28%!昨天21 x346 服務器今天

17、11 x3650 服務器圖 2. x346 對比 x36性能超出 90%!耗電省 28%!昨天21 x346 服務器今天11 x3650 服務器雙核運算的時代已經來臨，IBM 已經做好準備，將發(fā)布完整系列的服務器解決方案（3U 的x3950 和x3850，2U的 x3650和 1U x3550，以及 x3800 和 x3500 高端塔式服務器，還有x3400 入門級服務器）來滿足當今市場的需求。相比以往，這些IBM 服務器提供了更好的性能和更佳的電源管理。如果您正在尋求針對新業(yè)務增長的更大容量、更高的單位功率性能以及更小的基礎結構，那么 IBM的系統(tǒng)正是您所需要的。和 Sylvester Ca

18、sh，以及所有在審查過程中作出貢獻的同仁。IBM 機柜配置器Legal InformationJDJA/B203. IBM makes no representation or warranty regarding third-party products or services including those designated as ServerProven or ClusterProven. Telephone System x, xSeries and Xtended Design Architecture are trademarks of IBM Corporation in t

19、he United States and/or see al/copytrade.shtml.Intel, Intel Xeon, Intel Inside, and the Intel Inside logo are subsidiaries in the United States and other countries.trademarks or service marks of others.IBM reserves the right to change specifications or other product information without notice. Refer

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