談IBMSystemx服務(wù)器使用雙核Intel處理器的運(yùn)算優(yōu)勢(shì)

1、和 Maurice Bland現(xiàn)在的處理器技術(shù)正向 64-位運(yùn)算方向發(fā)展，而先進(jìn)處理器技術(shù)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(wù)器應(yīng)擁有兩個(gè)處理器插槽，各包含一個(gè)單核芯片。與之對(duì)照，雙核處理器則在單個(gè)芯片中包含了兩個(gè)完整的處理器內(nèi)核，同時(shí)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(shì)，而相對(duì)兩個(gè)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(cè)試結(jié)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(shí)鐘頻率的物理處理器。2 雖然基準(zhǔn)結(jié)果只是專門針對(duì)x36

2、50服務(wù)器的，但其他x3XXX系列服務(wù)器中采用了與之相同的處理器、內(nèi)存和 I/O技術(shù)。因此，這些產(chǎn)品與早期的 IBM產(chǎn)品對(duì)比時(shí)，其相對(duì)性能增強(qiáng)與上述結(jié)果類似。自微處理器于 35年前被發(fā)明以來(lái)，計(jì)算機(jī)工程師和架構(gòu)師們就一直致力于用他們手上的晶體管開(kāi)發(fā)更快和更便宜的設(shè)備。第一個(gè)商用單片微處理器2,300 個(gè)晶體管。而現(xiàn)在，一個(gè) 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(shù)構(gòu)建，并集成了數(shù)百萬(wàn)的晶體管。Gordon Moore成功的預(yù)測(cè)了過(guò)去四十年來(lái)處理器技術(shù)的飛速發(fā)展。他是 Intel的共同創(chuàng)始人之一，也是公認(rèn)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(shù)的發(fā)

3、展將導(dǎo)致晶體管的數(shù)量每 18到 24個(gè)月翻一番。摩爾定律的實(shí)際效果讓技術(shù)用戶能夠減少成本的同時(shí)獲得更高的運(yùn)算能力。經(jīng)過(guò)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(shù)的發(fā)展，晶體管變得更小，封裝得更密集，同時(shí)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(shí)鐘頻率獲得飛速提高今天，任何從事過(guò) IT 行業(yè)的人都知道，要擴(kuò)展處理器的時(shí)鐘頻率正變得越來(lái)越困難。摩爾定律的好處也伴有一個(gè)“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(dǎo)致的處理器功率密度也會(huì)上升，而使用傳統(tǒng)的廉價(jià)冷卻方式散熱就變得越來(lái)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(guò)去 20年來(lái)的速度進(jìn)行外推，那么，不斷縮小的處理器面積上產(chǎn)生的溫度最終將超過(guò)太陽(yáng)的表面！而時(shí)鐘頻率越高，其耗能越大。芯片越熱，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行也會(huì)越熱，同時(shí)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(jìn)行更復(fù)雜的處理器實(shí)施，但工作頻率也必須下降，以將處理器功率限制在一個(gè)可管理的水平內(nèi)。（這也就是 Intel和其他經(jīng)銷商至今也沒(méi)有推出4GHz 處理器的原因）現(xiàn)在要做的就是將制造和設(shè)計(jì)方式集中放在處理器性能功率比上。微處理器的設(shè)計(jì)人員正在尋求各個(gè)層面的功率限制手段。處理器架構(gòu)師、電路設(shè)計(jì)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(guò)制造處理技術(shù)解決，包括創(chuàng)新電路設(shè)計(jì)和微架構(gòu)、在操作系統(tǒng)中進(jìn)行電源管理、技術(shù)用戶將處理器頻率擴(kuò)展歷史性瓶頸歸結(jié)為摩爾定律邊緣效應(yīng)的理論已經(jīng)站不住腳了。盲目將GHz 作為關(guān)鍵性能指標(biāo)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(jí)上升。而通過(guò)將單核處理器技術(shù)轉(zhuǎn)換為雙核，制造商們就能大幅降低時(shí)鐘頻率，同時(shí)還可以提升性能。再向前發(fā)展，預(yù)計(jì)隨著未來(lái)制造處理技術(shù)的進(jìn)步，處理器頻率每年能提升10%。但摩爾定律還沒(méi)有過(guò)時(shí)，處理器芯片制造處理器技術(shù)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(jīng)銷商們將放棄拼命提高時(shí)鐘頻率的做法，轉(zhuǎn)而

6、增加處理器的核數(shù)。在一個(gè)設(shè)計(jì)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?yàn)樘幚砥鏖g還存在資源爭(zhēng)搶和延遲問(wèn)題。處理器插槽越多，比如從兩個(gè)到四個(gè)，從四個(gè)到八個(gè)以此類推，爭(zhēng)搶和延遲問(wèn)題越嚴(yán)重。而最新的性能增強(qiáng)技術(shù)則是在一個(gè)物理芯片上安裝第二個(gè)處理器和相關(guān)的 L2緩存，也就是“雙核”處理器。將兩個(gè)內(nèi)核緊密的放置在單個(gè)插槽中消除了雙插槽 SMP系統(tǒng)中常見(jiàn)的處理器延遲問(wèn)題。就本質(zhì)而言，雙核處理器就是單個(gè)芯片上的“雙路 SMP”。這種設(shè)計(jì)允許雙核處理器的性能指標(biāo)不僅僅是時(shí)鐘頻率、總線速度和緩存大小。另一個(gè)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(gè)線程均指派有自己的寄存器，這樣就相當(dāng)于兩個(gè)（邏輯）處理器。理論上，它可以處理兩個(gè)線程。而實(shí)際上這種情況是很難發(fā)生的，因?yàn)檫@些邏輯處理器仍是單個(gè)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(diǎn)單元和緩存。而這也會(huì)帶來(lái)線程間的處理器資源爭(zhēng)搶問(wèn)題。結(jié)果就是，有效輸出少于理論值，因而其中一個(gè)線程必須等待另一個(gè)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(zhǎng)時(shí)間，進(jìn)行毫無(wú)意義的等待。雙核的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是減少了功耗和發(fā)熱。一個(gè)雙核。IBM早在 2002年就開(kāi)始采用雙核處理器設(shè)計(jì)，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(wù)器處理器上市。現(xiàn)在的問(wèn)題不是你是否會(huì)移植到雙核處理器，而僅僅是時(shí)間問(wèn)題。那軟件許可的問(wèn)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(qiáng)，而某些客戶和某些任務(wù)的獲益則更大，但需要注意的是，就像增加內(nèi)存只在使用應(yīng)用程序時(shí)才有效果一樣，雙核處理器對(duì)使用多線程、運(yùn)算密集應(yīng)用用戶的幫助，要大于使用單線程或I/O-密集應(yīng)用的用戶客戶獲得的優(yōu)勢(shì)1對(duì)代表性應(yīng)用就轉(zhuǎn)換為雙核獲得的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分類，包括顯著優(yōu)勢(shì)、一般優(yōu)勢(shì)或微小優(yōu)勢(shì)。（列表中的分類為各列應(yīng)用的以性能改善排序，各分類中的應(yīng)用例如 HPC 服務(wù)器以字母順序排序)

9、Web 服務(wù)器終端服務(wù)器服務(wù)器版本）表 1. 服務(wù)器應(yīng)用雙核優(yōu)勢(shì)分類本文中用以對(duì)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(gòu)）。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(gòu)3。因?yàn)閃oodcrest 是新型雙核處理器，其緩存結(jié)構(gòu)不同于早期的單核除了不同的處理器內(nèi)核之外，其他的變化也使x3650相對(duì)x346具有顯著的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)將處理器內(nèi)核數(shù)從兩個(gè)增加到四個(gè)，其他系統(tǒng)組件，例如FSB 帶寬、內(nèi)存帶寬和 I/O帶寬都得以擴(kuò)展，從而增加了整體處理能力。為了增加處理流量同時(shí)減少阻塞，x3650 的帶寬超出x346

10、達(dá)2.6倍，此外，內(nèi)存帶寬擴(kuò)展了 3.3倍以支持更多的內(nèi)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(lái)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(duì)比3650 本文論述的實(shí)驗(yàn)和結(jié)

11、構(gòu)均以以上兩種系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)中的時(shí)鐘頻率可能有所不同，但其本質(zhì)原理類似。為了幫助了解應(yīng)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(jìn)行了一系列的行業(yè)基準(zhǔn)測(cè)試，來(lái)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(zhǔn)測(cè)試對(duì)于比較不同工作負(fù)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(gè)性能基準(zhǔn)：Microsoft Exchange Server MMB3 和 SPECweb2005。Exchange Server MMB3 是一種用于測(cè)試處理器運(yùn)行基于電子郵件操作能力的基準(zhǔn)。SPECweb2

12、005 則用于模擬通過(guò)寬帶互聯(lián)網(wǎng)連接向 web服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求。雖然雙核處理器是性能改善的主因，但服務(wù)器配置上的變化也對(duì)性能結(jié)果有所影響。SAS 驅(qū)動(dòng)器也是 IBM雙核系統(tǒng)遠(yuǎn)勝過(guò)前一代單核系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。24GB PC2-5300 DDR2 全緩沖表2. Exchange 和 SPECweb2005 基準(zhǔn)測(cè)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(guān)：處理器、內(nèi)存和 I/O帶寬的改善以及兩種服務(wù)器的其他差別。MS Exchange MMB3 SPECweb2005標(biāo)準(zhǔn)化得分性能（標(biāo)準(zhǔn)化）MS Exchange MMB3 SPE

13、Cweb2005標(biāo)準(zhǔn)化得分性能（標(biāo)準(zhǔn)化）b2005/results/2GB 內(nèi)存，使用雙核處理器時(shí)則應(yīng)該考慮將內(nèi)存加倍。（建議在任何情況下執(zhí)行內(nèi)部專用測(cè)試來(lái)確定實(shí)際需求。）在過(guò)去，隨著工作負(fù)載的增加，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)要根據(jù)需求作出改變。而基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的增長(zhǎng)也會(huì)相應(yīng)導(dǎo)致功耗的增加。而采用雙核的服務(wù)器后，這些都不是問(wèn)題。從前面的論述可以看出，以性能為尺度來(lái)說(shuō)，雙核的服務(wù)器明顯減少了整體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的大小。本節(jié)中，您將發(fā)現(xiàn)，相對(duì)單核服務(wù)器，雙核服務(wù)器功耗更低，而性能卻更高。運(yùn)行基礎(chǔ)測(cè)試服務(wù)器配置的單位功率性能得分見(jiàn)SAS 磁盤驅(qū)動(dòng)器。這兩項(xiàng)技術(shù)均對(duì)性能改善有益。處理器 / 內(nèi)核2 x 3.6GHz SC Xeon

14、(Irwindale) / 2個(gè)內(nèi)核2 x 2.33GHz DC Xeon (Woodcrest) / 4個(gè)內(nèi)核內(nèi)存4 x 1GB (PC2-3200 DDR2 寄存器 DIMM)4 x 1GB (PC2-5300 DDR2 全緩沖 DIMM)硬盤驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器 RAID-58-驅(qū)動(dòng)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(wù)器和 web服務(wù)器基

15、準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)配置單位性能功耗標(biāo)準(zhǔn)用于測(cè)量服務(wù)器功耗的效率。為了進(jìn)行評(píng)分，性能得分根據(jù)服務(wù)器最大輸出時(shí)測(cè)得的峰值功率進(jìn)行劃分。其數(shù)字代表單位性能測(cè)量值，結(jié)果也采用標(biāo)準(zhǔn)化方式表示，和前文一樣圖 3 顯示了x346 和 x3650在文件服務(wù)器和 web服務(wù)器基準(zhǔn)下的性能功耗比。文件服務(wù)器基準(zhǔn)用于評(píng)估文件服務(wù)器處理I/O 請(qǐng)求的能力，而web 服務(wù)器基準(zhǔn)則用于評(píng)估服務(wù)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(gè)專門的配置差別。文件服務(wù)器 Web 服務(wù)器標(biāo)準(zhǔn)化得分性能功耗比（標(biāo)準(zhǔn)化）文件服務(wù)器 Web 服務(wù)器標(biāo)準(zhǔn)化得分性能功耗比（標(biāo)準(zhǔn)化）Microsoft

16、 Exchange基準(zhǔn)測(cè)試34%，而根據(jù)SPECweb2005基準(zhǔn)測(cè)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(shì)在功耗方面。因此，175%。圖 4 和圖5分別總結(jié)。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，11臺(tái)。針對(duì)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的新容量服務(wù)器數(shù)量少 48%。性能相當(dāng)!節(jié)約功耗達(dá) 62%!今天11 x3650 服務(wù)器昨天21 x346 服務(wù)器圖 4. IBM x346 對(duì)比 IBM x3650：針對(duì)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的新容量服務(wù)器數(shù)量少 48%。性能相當(dāng)!節(jié)約功耗達(dá) 62%!今天11 x3650 服務(wù)器昨天21 x346 服務(wù)器x346的兩倍，而同時(shí)減少性能超出 90%!耗電省 28%!昨天21 x346 服務(wù)器今天

17、11 x3650 服務(wù)器圖 2. x346 對(duì)比 x36性能超出 90%!耗電省 28%!昨天21 x346 服務(wù)器今天11 x3650 服務(wù)器雙核運(yùn)算的時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，IBM 已經(jīng)做好準(zhǔn)備，將發(fā)布完整系列的服務(wù)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(wù)器，還有x3400 入門級(jí)服務(wù)器）來(lái)滿足當(dāng)今市場(chǎng)的需求。相比以往，這些IBM 服務(wù)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(duì)新業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的更大容量、更高的單位功率性能以及更小的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，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(guò)程中作出貢獻(xiàn)的同仁。IBM 機(jī)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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