谈ibmsystemx服务器使用双核intel处理器的运算优势

双核处理器如何能节省您的时间和资金IBM System x服务器使用双核Intel 处理器的运算优势作者：Mark T. Chapman、Cristian Rojas,和 Maurice BlandIBM 系统和技术部文档由本人精心搜集和整理，喜欢大家用得上，非常感谢你的浏览与下载。凡本厂职工应热爱电厂、热爱岗位、热爱本职工作，发扬“团结务实、争创一流，立足岗位，爱厂敬业，尽职尽责，不断提高工作质量和工作效率，圆满完成各项生产和工作任务，为华能的建设和发展作出贡献2019整理的各行业企管，经济，房产，策划，方案等工作范文，希望你用得上，不足之处请指正概述本文详细考查了双核处理器的实际优势，采用IBM System xTM 服务器作为实际示例。我们论述了其对行业标准服务器用户带来的好处，并展示了其针对高性能 HPC 和业务运算应用的可扩展性能和卓越的性能功率比。现在的处理器技术正向 64-位运算方向发展，而先进处理器技术发展的下一步将是引入双核处理器，而随后将是发展出新一代的低功耗双核处理器。在过去，典型的处理器芯片包括一个中央处理单元，或 CPU 内核（处理器的“大脑”），围绕它布满了支持的电路，例如芯片中 L2 缓存。在这种情况下，一个“双路”服务器应拥有两个处理器插槽，各包含一个单核芯片。与之对照，双核处理器则在单个芯片中包含了两个完整的处理器内核，同时还包含了 L1 和 L2 缓存及其他支持电路。这就为提高性能和减少延迟提供了潜在的优势，而相对两个物理处理器1，其功耗和发热也更低。本文还以 IBM System x 为平台，详细阐述了 Intel 双核处理器相对 Intel 单核处理器的潜在优势。我们籍以衡量的两个标准就是整体性能提升和单位功率性能。简而言之，单位功率性能的意思就是每使用一瓦特功率，处理器能作多少“工作”。在业务发展的过程中，这将是一条非常重要的衡量标准，所以要获得更有效的基础结构，它必不可少。我们的测试结果表明，IBM System x3650（双核）和 IBM eServerTM xSeries 346（单核）服务器2 两者相比，双核的性能比单核上升了 30-110%，而单位功率性能则上升了90%-175%。1相同类型和时钟频率的物理处理器。2 虽然基准结果只是专门针对 x3650 服务器的，但其他 x3XXX 系列服务器中采用了与之相同的处理器、内存和 I/O 技术。因此，这些产品与早期的 IBM 产品对比时，其相对性能增强与上述结果类似。简介为何采用双核？自微处理器于 35 年前被发明以来，计算机工程师和架构师们就一直致力于用他们手上的晶体管开发更快和更便宜的设备。第一个商用单片微处理器Intel 4004 具有4位的中央处理单元 (CPU)，其工作频率低于 1 MHz，在 10 微米的处理器上集成了大约 2,300 个晶体管。而现在，一个 64 位微处理器的工作频率高于 2GHz，采用低于 100 纳米的处理器技术构建，并集成了数百万的晶体管。Gordon Moore 成功的预测了过去四十年来处理器技术的飞速发展。他是 Intel 的共同创始人之一，也是公认的摩尔定律的制订者。摩尔定律明确指明了电子集成电路封装技术的发展将导致晶体管的数量每 18 到 24 个月翻一番。摩尔定律的实际效果让技术用户能够减少成本的同时获得更高的运算能力。经过多年的发展，摩尔定律的效果使得制造商能够很容易的提高处理器性能。随着每一代处理器制造技术的发展，晶体管变得更小，封装得更密集，同时也就减少了电路中电容和布线的距离，这也就使得处理器的时钟频率获得飞速提高。今天，任何从事过 IT 行业的人都知道，要扩展处理器的时钟频率正变得越来越困难。摩尔定律的好处也伴有一个“阴暗面”。随着晶体管密度和处理器主频的提升，处理器的耗能和发热也迅速上升。其导致的处理器功率密度也会上升，而使用传统的廉价冷却方式散热就变得越来越困难。这成为限制处理器速度的主要瓶颈。电源密度通常以单位面积的功率或 瓦特/cm2 表示，而如果我们将处理器功率密度按照 IT 业过去 20 年来的速度进行外推，那么，不断缩小的处理器面积上产生的温度最终将超过太阳的表面！而时钟频率越高，其耗能越大。芯片越热，整个系统的运行也会越热，同时也就让制冷面临更多挑战。虽然较小的晶体管工作电压也较低，因而其功耗和发热也会相应减少，但晶体管尺寸的缩小也会导致漏电量的上升。电流泄漏大约占整个设备功耗的 40%，包括门极漏电和断路漏电即使在晶体管关闭时，电子也会持续流经晶体管绝缘“壁”。利用晶体管电压限制 (Vt) 是减少漏电的设计技术之一。低 Vt 的晶体管速度快但漏电高，而高 Vt 的晶体管漏电低但速度也慢。在少数关键性能位置采用低 Vt 晶体管，而在其他位置主要采用中高 Vt 的晶体管来减少泄漏能够平衡性能和功耗要求。但最终，还是要提高单位面积的晶体管数量以进行更复杂的处理器实施，但工作频率也必须下降，以将处理器功率限制在一个可管理的水平内。（这也就是 Intel 和其他经销商至今也没有推出 4GHz 处理器的原因）现在要做的就是将制造和设计方式集中放在处理器性能功率比上。微处理器的设计人员正在寻求各个层面的功率限制手段。处理器架构师、电路设计人员和处理工程师正致力于减少泄漏并正在制订功率效率解决方案。这可以通过制造处理技术解决，包括创新电路设计和微架构、在操作系统中进行电源管理、 改善系统电源分派来提高供电效率等方面。技术用户将处理器频率扩展历史性瓶颈归结为摩尔定律边缘效应的理论已经站不住脚了。盲目将 GHz 作为关键性能指标现在正受到物理上的限制，处理器的功耗和电源密度正呈指数级上升。而通过将单核处理器技术转换为双核，制造商们就能大幅降低时钟频率，同时还可以提升性能。再向前发展，预计随着未来制造处理技术的进步，处理器频率每年能提升 10%。但摩尔定律还没有过时，处理器芯片制造处理器技术的发展还将能提供更高的晶体管密度。而为了提升性能，处理器经销商们将放弃拼命提高时钟频率的做法，转而增加处理器的核数。现在已经出现了双核处理器，而到 2007 年预计将出现四核处理器。八核及更多核处理器的设计也已经提上日程。随着晶体管尺寸的缩小和单位芯片核数的增加，板载缓存也会相应出现。这也同样有益于性能的提升。在下面的章节中将详细论述这些技术进步。双核的优势从单核转换为双核获得的两个最主要的优势在于更好的整体性能和更高的性能功率比。在以往，最简单的替代方法是增加内部 L2 缓存的大小，甚至可能添加外部 L3 缓存。这样，处理器附近能驻留更多的程序代码，同时也就减少了相对较慢的主存 (RAM) 读取量。处理器经销商多年来一直采取这种方式。而另外一个方式则是增加处理器寄存器的数量，以便能同步提供更多的处理器指令。但是，这些技术都无法维持处理器输出的持续增长。在一个设计有多处理器插槽的系统中，可以增加第二处理器。这通常可以提高性能但并非提升 100%因为处理器间还存在资源争抢和延迟问题。处理器插槽越多，比如从两个到四个，从四个到八个以此类推，争抢和延迟问题越严重。而最新的性能增强技术则是在一个物理芯片上安装第二个处理器和相关的 L2 缓存，也就是“双核”处理器。将两个内核紧密的放置在单个插槽中消除了双插槽 SMP 系统中常见的处理器延迟问题。就本质而言，双核处理器就是单个芯片上的“双路 SMP”。这种设计允许双核以较低的时钟频率运行，而性能则远远超过了（对于多数应用）以更高时钟频率运行的单核芯片。处理器的性能指标不仅仅是时钟频率、总线速度和缓存大小。另一个重要方面是处理器处理程序线程的效率（和程序堆放“线程”的方式）。例如，单核双线程处理器中，每个线程均指派有自己的寄存器，这样就相当于两个（逻辑）处理器。理论上，它可以处理两个线程。而实际上这种情况是很难发生的，因为这些逻辑处理器仍是单个物理处理器的一部分，这就使线程需要共享公共资源，例如整型单元、浮点单元和缓存。而这也会带来线程间的处理器资源争抢问题。结果就是，有效输出少于理论值，因而其中一个线程必须等待另一个线程释放处理器资源。此外，如果软件是大型单线程，那么第二逻辑处理器则必须闲置很长时间，进行毫无意义的等待。与之对照，采用双核双线程的处理器，两个物理处理器就能封装在一个芯片中。而每个内核均有自己的缓存、寄存器和其他资源，这样，资源争抢的情况就少于简单的双线程单核处理器。两个分离的单线程或多线程程序可以同步运行，最大输出可达相同速度单核处理器的两倍。对于多数服务器应用，尽管2.33GHz 双核 Intel Xeon 处理器运行的时钟频率较低，但总输出明显大于 3.6GHz 单核处理器。双核的另一个优势就是减少了功耗和发热。一个双核芯片的功耗和发热是两个同频率单核处理器的一半。长远看来，这就能节省大量资金。在当今的数据中心环境中，服务器的性能功耗比正日益成为 IT 经理关注的问题。双核处理器可以在很大程度上解决这一问题。通过小幅减少双核处理器的频率，工程师们就能想办法改善性能的同时延缓处理器瓶颈的到来。IBM早在 2002 年就开始采用双核处理器设计，而最近 Sun、AMD 和 Intel 也纷纷采用双核。2006 年以后，我们将不大可能看到任何新的单核服务器处理器上市。现在的问题不是你是否会移植到双核处理器，而仅仅是时间问题。那软件许可的问题呢？移植到双核处理器是否意味着更高的软件成本？答案是否定的。Microsoft 和许多其他软件经销商都宣布他们计划根据物理处理器的插槽数来设软件许可，而不是根据内核数，这样，对多数用户而言，从单核移植为双核在软件许可费用方面带来的负面影响将很小甚至没有。而实际上，双核服务器需要第二颗处理器的时间，要大大晚于采用两个单核处理器的服务器。注：虽然多数性能方面都有增强，而某些客户和某些任务的获益则更大，但需要注意的是，就像增加内存只在使用应用程序时才有效果一样，双核处理器对使用多线程、运算密集应用用户的帮助，要大于使用单线程或 I/O-密集应用的用户。客户获得的优势某些应用类别和中间件能从双核处理器获益。为了帮助客户确定新的处理器是否有效，表 1 对代表性应用就转换为双核获得的优势进行了分类，包括显著优势、一般优势或微小优势。（列表中的分类为各列应用的以性能改善排序，各分类中的应用例如 HPC 服务器以字母顺序排序)显著优势一般优势微小优势HPC 服务器Web 服务器终端服务器 汽车 Apache Citrix 航空 Microsoft Internet Information Microsoft Terminal Server（32-位 EDA服务器版本）地球物理生命科学显著优势一般优势微小优势DCC 服务器 Pixar RenderMan文件服务器 CFIS NFS Samba传统非线程服务器应用数据挖掘 MicroStrategy SAS电子邮件服务器 Lotus Notes Microsoft Exchange SendmailDatabase IBM DB2 Universal Database Microsoft SQL Server Oracle终端Servers Citrix (64-位版) Microsoft Terminal Server（64-位版)ERP / CRM PeopleSoft SAP SiebelJava 服务器 BEA WebLogic IBM WebSphere虚拟机服务器 Microsoft Virtual Server VMware ESX Server表 1. 服务器应用双核优势分类系统概述本文中用以对比 Intel 单核处理器和双核处理器的 IBM 系统为 x346 和新型的 x3650（图 1 并排列示了 x346 和 x3650 的系统架构）。除了从单核移植为双核，Xeon 处理器 51xx 系列还引入了 Intel 的最新 Core 微架构3。因为 Woodcrest 是新型双核处理器，其缓存结构不同于早期的单核 Xeon 处理器（代码 Irwindale）。Woodcrest 有两个 L1 缓存（每核一个），两个核共享 L2 缓存。除了不同的处理器内核之外，其他的变化也使 x3650 相对 x346 具有显著的优势。通过将处理器内核数从两个增加到四个，其他系统组件，例如 FSB 带宽、内存带宽和 I/O 带宽都得以扩展，从而增加了整体处理能力。为了增加处理流量同时减少阻塞，x3650 的带宽超出 x346 达 2.6 倍，此外，内存带宽扩展了 3.3 倍以支持更多的内存 DIMM，而且 x3650 的 I/O 带宽也增加了 2.5 倍。所有这些变化都是为了支持未来的四核系统。X3650 带宽 vs. x346 2.6x 处理器 BW 3.3x 内存 BW 2.5x I/O插槽BW双核Woodcrest 单核Irwindale L2 缓存共享L2 缓存Core2Core1CoreSAS存储器Riser21.3 GB/s四通道FBDIMMsRiserPCIBridgew/IOPSCSI存储器MCHIntel5000PBridgeESB2MIntelSouthBridgeMCHIntelE7525BridgeICH5IntelSouthBridge6.4GB/s双通道DDR2 D4MMs4.8 GB/sI/O 插槽 BW图 1.346 对比 3650 本文论述的实验和结构均以以上两种系统为基础，实验中的时钟频率可能有所不同，但其本质原理类似。性能比较为了帮助了解应用单核 (SC) 和双核 (DC) 处理器性能和单位功率性能的差别，IBM 进行了一系列的行业基准测试，来比较采用单核 (SC) Xeon 处理器的 346 和采用双核 (DC) Xeon 处理器的 3650。这些基准测试对于比较不同工作负载下的处理器非常有用。整体性能改善为了比较 346 和 3650 的整体性能，我们采用了两个性能基准：Microsoft Exchange Server MMB3 和 SPECweb2005。Exchange Server MMB3 是一种用于测试处理器运行基于电子邮件操作能力的基准。SPECweb2005 则用于模拟通过宽带互联网连接向 web 服务器发送请求。虽然双核处理器是性能改善的主因，但服务器配置上的变化也对性能结果有所影响。此实验中两个服务器的主要差别列示于表 24。为了提高性能，x3650 大幅增加了总内存量和磁盘驱动器容量。这有助于适应双核处理器增强工作负载处理能力。技术的发展导致了服务器组件的改良。而新一代的内存技术和 SAS 驱动器也是 IBM 双核系统远胜过前一代单核系统的关键因素。x346x3650处理器 / 内核2 x 3.8GHz SC Xeon (Irwindale) / 2个内核2 x 3.0GHz DC Xeon (Woodcrest) / 4个内核内存4GB PC2-3200 DDR2 寄存器 DIMM (Exchange)；16GB PC2-3200 DDR2 寄存器 DIMMs (SPECweb2005)8GB PC2-5300 DDR2 全缓冲 DIMM (Exchange)； 24GB PC2-5300 DDR2 全缓冲 DIMMs (SPECweb2005)硬盘驱动器73GB 15K RPM Ultra320 SCSI,9,180GB 15K RPM 光纤通道(Exchange);3,296GB 15K RPM Ultra320 SCSI(SPECweb2005)876GB 15K RPM SAS, 12,348GB 15KRPM 光纤通道 (Exchange)；146GB 15K RPM SAS, 1,260GB 15K RPM 光纤通道 (SPECweb2005)Web服务器软件 （仅指 SPECweb2005）Zeus Web Server v4.2r4 (x86-64)Accoria Rock Web Server v1.3.3 (x86-64)表 2. Exchange 和 SPECweb2005 基准测试的系统配置为了显示 x3650 的优势，图 2 以 x346 的得分为标准。（换言之，所有结果均以 x346 得分的百分比表示。）Exchange 显示 x3650 的性能比x346超出34%，而 SPECweb2005 显示增长了111% 。这些显著的性能提高都于前文提及的组件改善直接相关：处理器、内存和 I/O 带宽的改善以及两种服务器的其他差别。MS Exchange MMB3 SPECweb2005标准化得分性能（标准化）图 2. x346 和 x3650 性能比较4 要获得全部资料，请访问/exchange/evaluation/performance/default.mspx 和/web2005/results/最终性能注释：为了完整看到双核处理器带来的优势，尤其是采用 64-位软件的优势，有必要为软件应用配备足够的内存。如果以前为每个单核处理器配置 2GB 内存，使用双核处理器时则应该考虑将内存加倍。（建议在任何情况下执行内部专用测试来确定实际需求。）性能功耗比在过去，随着工作负载的增加，基础结构要根据需求作出改变。而基础结构的增长也会相应导致功耗的增加。而采用双核的服务器后，这些都不是问题。从前面的论述可以看出，以性能为尺度来说，双核的服务器明显减少了整体基础结构的大小。本节中，您将发现，相对单核服务器，双核服务器功耗更低，而性能却更高。运行基础测试服务器配置的单位功率性能得分见表 3。还有些要注意的重要差别包括新一代内存技术和 SAS 磁盘驱动器。这两项技术均对性能改善有益。x346x3650处理器 / 内核2 x 3.6GHz SC Xeon (Irwindale) / 2个内核2 x 2.33GHz DC Xeon (Woodcrest) / 4个内核内存4 x 1GB (PC2-3200 DDR2 寄存器 DIMM)4 x 1GB (PC2-5300 DDR2 全缓冲 DIMM)硬盘驱动器6 x 73GB 15K RPM 3.5-英寸 SCSI8 x 73GB 10K RPM 2.5-英寸 SAS磁盘配置6-驱动器 RAID-58-驱动器 RAID-5NIC2 x 1Gb (平面)2 x 1Gb (平面)RAID 控制器ServeRAID-7k (SCSI)ServeRAID-8k (SAS)表 3. 文件服务器和 web 服务器基准测试系统配置单位性能功耗标准用于测量服务器功耗的效率。为了进行评分，性能得分根据服务器最大输出时测得的峰值功率进行划分。其数字代表单位性能测量值，结果也采用标准化方式表示，和前文一样。图 3 显示了 x346 和 x3650 在文件服务器和 web 服务器基准下的性能功耗比。文件服务器基准用于评估文件服务器处理 I/O 请求的能力，而 web 服务器基准则用于评估服务器处理 Java web 请求的能力。文件服务器基准测试显示，x3650 的性能比x346要超出 90%，而作为web 服务器则超出 175%。这种显著的单位功能性能的改善不能规因于任何一个专门的配置差别。特别是对文件服务器基准测试而言，因为仿真的 I/O 流量很大，新型 SAS 磁盘驱动器在评测结果中发挥了重要作用。文件服务器 Web 服务器标准化得分性能功耗比（标准化）表 3. 采用单核和双核 Intel 处理器的 IBM 服务器的性能功耗比比较结论在过去，市场上一直通过减少晶体管大小和增加处理器频率来满足对高性能的需求。而今天，技术的发展峰回路转，开始通过增加处理器内核数来改善性能。根据 Microsoft Exchange 基准测试 x3650 的性能得分超出 x346 34%，而根据 SPECweb2005 基准测试，则超出 111%。除了性能方面的提升，双核系统真正的优势在功耗方面。因此，x3650 的性能功耗比远远超过 x346，按照文件服务基准测试提升 90%，而按 web 服务基准测试，性能提升 175%。图 4 和 图 5 分别总结 x3650 基础结构的潜力和采用 21 台 346 服务器的现有基础结构。通过比较可以发现，11 台 x3650 服务器即可达到 21 台 346 服务器的性能，而功耗减少三分之二。针对业务增长的新容量服务器数量少 48%。性能相当!节约功耗达 62%!今天11 x3650 服务器昨天21 x346 服务器图 4. IBM x346 对比 IBM x3650：更少的服务器，更低的功耗，相同的性能换言之，使用相同数量的 x3650 服务器，其工作负载几乎可以达到 x346 的两倍，而同时减少四分之一强的功耗。性能超出 90%!耗电省 28%!昨天21 x346 服务器今天11 x3650 服务器图 2. x346 对比 x3650：更高的性能，更低的功耗双核运算的时代已经来临，IBM 已经做好准备，将发布完整系列的服务器解决方案（3U 的x3950 和 x3850，2U的 x3650 和 1U x3550，以及 x3800 和 x3500 高端塔式服务器，还有 x3400 入门级服务器）来满足当今市场的需求。相比以往，这些 IBM 服务器提供了更好的性能和更佳的电源管理。如果您正在寻求针对新业务增长的更大容量、更高的单位功率性能以及更小的基础结构，那么 IBM 的系统正是您所需要的。鸣谢特别感谢 IBM System x 性能和分析部，特别是 Matthew Eckl 和 Sylvester Cash，以及所有在审查过程中作出贡献的同仁。要获取更多信息，IBM System x 和 xSeries 服务器IBM 机柜配置器IBM 配置和选项指南/systems//pc/us/eserver/xseries/library//servers/eserver/xseries/cogLegal Information IBM Corporation 2006IBM Systems and Technology GroupDept. U2SA3039 Cornwallis RoadResearch Triangle Park, NC 27709Produced in the USAJune 2006All rights reservedFor a copy of applicable product warranties, write to: Warranty Information, P.O. Box 12195, RTP, NC 27709, Attn: Dept. JDJA/B203. 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