Блог

Развитие двухпроцессорных серверных платформ. Часть 1 - многопоточность и многоядерность


Целью сегодняшнего материала является обзор истории развития двухпроцессорных платформ в северном сегменте на примере продукции Intel, выбор которой обусловлен по ряду причин:
- серверы на базе процессоров Intel имеют значительно большую долю рынка, чем конкурирующие решения;
- двухпроцессорные решения компании Intel появились раньше, чем у AMD (имеют более длинную историю);
- процессоры компании Intel могут выполнять одновременно два потока на одном ядре (что весьма важно с точки зрения истории развития многопоточности).

Также следует отметить, что выбор х86-процессоров и двухпроцессорных платформ не случаен - это наиболее распространенное сочетание в серверном сегменте (в том числе и в списке TOP500).
Как известно, долгое время (до 2002 года) серверные процессоры были однопоточными, но использование двух- и четырех- процессорных материнских плат позволяло серверу выполнять одновременно несколько потоков. Так например, еще в 1995 году компания Intel предлагала двух- и четырех- процессорные серверные платформы на базе Pentium Pro. И до 2002 года ситуация кардинально не менялась (с точки зрения многопоточности).
В 2002 году компания Intel анонсировала технологию Hyper-Threading, что позволило на двухпроцессорных системах выполнять четыре потока (каждое ядро способно было выполнять одновременно два потока). Следующим шагом в развитии многопоточности был анонс процессоров Intel Xeon с двумя ядрами и технологией Hyper-Threading в 2005 году, что позволило выполнять одновременно восемь потоков на двухпроцессорных системах, а в 2009 уже 16... затем количество потоков постоянно росло и достигло 72 в 2014 году.
Рассмотрим детальнее эволюцию двухпроцессорных платформ, начиная с 2001 года - как последнего года однопоточных процессоров (для удобства все таблицы продублированы в отдельном материале).
Таблица 1 - 2001-2003

Год 2001 2002 2003
Ядро Foster Prestonia Gallatin
Микроархитектура NetBurst NetBurst NetBurst
Модель Xeon 2,0 Xeon 2,8 Xeon 3,2
Тех.процесс, нм 180 130 130
Количество ядер/потоков, шт 1/1 1/2 1/2
Тактовая частота/Turbo Boost, ГГц 2,0/- 2,8/- 3,2/-
Кэш L1d/L1i, КБ 8/12 (Kµops) 8/12 (Kµops) 8/12 (Kµops)
Кэш L2, КБ 256 512 512
Кэш L3, КБ - - 1024
ПСП, ГБ/с 4,2 (2x DDR-266) 4,2 (2x DDR-266) 4,2 (2x DDR-266)
ПС между процессорами, ГБ/с 3,2 (FSB) 4,3 (FSB) 4,3 (FSB)
TDP, Вт 77,5 74 92

Как можно заметить, первые процессоры Xeon Foster с архитектурой NetBurst являлись однопоточными, но через год после их анонса (в 2002 году) компания Intel внедряет HT, что позволяет исполнять одновременно два потока на процессоре. Поскольку в рамках HT происходит разделение исполнительных устройств между потоками, то, несмотря на удвоение количества потоков, реальная производительность во многих приложениях поднимается на 5-30% (а в некоторых даже падает). Тем не менее первый шаг к увеличению количества потоков сделан. В 2003 году ничего не меняется с точки зрения многопоточности, хотя остальные характеристики процессора подросли.
Таблица 2 - 2004-2006

Год 2004 2005 2006
Ядро Nocona Paxville DP Clovertown
Микроархитектура NetBurst NetBurst Core
Модель Xeon 3,6 Xeon 2,8 Xeon X5355
Тех.процесс, нм 90 90 65
Количество ядер/потоков, шт 1/2 2/4 4/4
Тактовая частота/Turbo Boost, ГГц 3,6/- 2,8/- 2,67/-
Кэш L1d/L1i, КБ 16/12 (Kµops) 2х 16/2х 12 (Kµops) 4x 32/4x 32
Кэш L2, КБ 1024 2x 2048 2x 4096
Кэш L3, КБ - - -
ПСП, ГБ/с 6,4 (2x DDR2-400) 6,4 (2x DDR2-400) 21,3 (4x FB-DIMM DDR2-667)
ПС между процессорами, ГБ/с 6,4 (FSB) 6,4 (FSB) 10,6 (FSB)
TDP, Вт 103 135 120

После появления НТ в 2002 году и до 2005 года количество потоков не менялось - процессоры могли одновременно выполнять два потока, а двухпроцессорная платформа - четыре. Увеличение производительности обеспечивалось за счет увеличения тактовой частоты, кэша, FSB, ПСП и др. параметров.
В 2005 году компания Интел представила 2-ядерные модели, что увеличило количество потоков вдвое - с четырех до восьми для двухпроцессорной платформы. Стоит заметить, что это последний год для архитектуры NetBurst - в 2006 году двухпроцессорные платформы будут базироваться на процессорах с архитектурой Core.
В 2006 году количество потоков осталось неизменным, но... если в 2005 процессоры были 2-ядерными, но 4-поточными (благодаря НТ), то в 2006 - от НТ компания Intel отказалась, но сохранить прежнее количество потоков удалось благодаря увеличению количества ядер с двух до четырех. Поскольку и сама архитектура Core была более производительной, и количество ядер удвоилось, 8-поточная платформа на базе процессоров Clovertown показывала значительно большую производительность, чем 8-поточная платформа на базе процессоров Paxville DP. То есть несмотря на сохранение количества потоков, производительность удалось значительно поднять. Стоит заметить, что такое количество потоков останется неизменным до 2008 года, а увеличение производительности будет происходить за счет наращивания частоты, кэша, FSB, ПСП и др. параметров.
Что касается НТ, то после отказа от NetBurst, начиная с 2006 и заканчивая 2008 годом включительно, процессорные ядра компании Интел являлись однопоточными.
Таблица 3 - 2007-2009

Год 2007 2008 2009
Ядро Harpertown Harpertown Gainestown
Микроархитектура Core Core Nehalem
Модель Xeon X5482 XeonX5492 XeonW5590
Тех.процесс, нм 45 45 45
Количество ядер/потоков, шт 4/4 4/4 4/8
Тактовая частота/Turbo Boost, ГГц 3,2/- 3,4/- 3,33/3,6
Кэш L1d/L1i, КБ 4x 32/4x 32 4x 32/4x 32 4x 32/4x 32
Кэш L2, КБ 2x 6144 2x 6144 4х 256
Кэш L3, КБ - - 8192
ПСП, ГБ/с 25,6 (4x FB-DIMM   DDR2-800) 25,6 (4x FB-DIMM   DDR2-800) 2x 32 (3x   DDR3-1333)
ПС между процессорами, ГБ/с 12,8 (FSB) 12,8 (FSB) 25,6 (QPI)
TDP, Вт 150 150 130

В 2009 году история повторяется (смотрим 2002 год) - количество потоков удалось удвоить благодаря технологии НТ, которую вновь внедрили в процессоры, - с 8 до 16 потоков. Также 2009 год можно считать переломным моментом - именно с этого года пойдет постоянное (ежегодное) увеличение количества потоков (исключения: 2011 год и, видимо, 2015).
Таблица 4 - 2010-2012

Год 2010 2011 2012
Ядро Westmere-EP Westmere-EP SandyBridge-EP
Микроархитектура Nehalem Nehalem Sandy Bridge
Модель Xeon X5680 Xeon X5690 Xeon E5-2687W
Тех.процесс, нм 32 32 32
Количество ядер/потоков, шт 6/12 6/12 8/16
Тактовая частота/Turbo Boost, ГГц 3,33/3,6 3,46/3,73 3,1/3,8
Кэш L1d/L1i, КБ 6x 32/6x 32 6x 32/6x 32 8x 32/8x 32
Кэш L2, КБ 6х 256 6х 256 8х 256
Кэш L3, КБ 12288 12288 20480
ПСП, ГБ/с 2x 32 (3x   DDR3-1333) 2x 32 (3x   DDR3-1333) 2x 51,2 (4x   DDR3-1600)
ПС между процессорами, ГБ/с 25,6 (QPI) 25,6 (QPI) 2х 32 (QPI)
TDP, Вт 130 130 150

Если в 2009 году количество потоков платформы равнялось 16, то в 2010 - 24, в 2012 - 32, в 2013 - 48, а в 2014 - 72. То есть за пять лет компания Intel увеличила количество потоков и ядер в 4,5 раза! А за весь рассматриваемый период (2001-2014) количество ядер увеличилось в 18 раз, а количество потоков в 36 раз! При этом базовая тактовая частота осталась почти неизменной - в 2001 году она составляла 2,0 ГГц, а в 2014 - 2,3 ГГц. То есть увеличение производительность происходило преимущественно путем наращивания количества потоков и ядер (конечно, были и архитектурные изменения, но... это тема для отдельного материала).
Таблица 5 - 2013-2014

Год 2013 2014
Ядро Ivy Bridge-EP Haswell-EP
Микроархитектура Sandy Bridge Haswell
Модель Xeon E5-2697 v2 Xeon E5-2699 v3
Тех.процесс, нм 22 22
Количество ядер/потоков, шт 12/24 18/36
Тактовая частота/Turbo Boost, ГГц 2,7/3,5 2,3/3,6
Кэш L1d/L1i, КБ 12x 32/12x 32 18x 32/18x 32
Кэш L2, КБ 12х 256 18х 256
Кэш L3, КБ 30720 46080
ПСП, ГБ/с 2x 59,7(4x   DDR3-1866) 2x 68 (4x DDR4-2133)
ПС между процессорами, ГБ/с 2х 32 (QPI) 2х 38,4 (QPI)
TDP, Вт 130 145

Забегая вперед, в 2016 году ожидается выход 22-ядерных процессоров, что повысит общее количество потоков до 88 и станет очередным шагом в развитии двухпроцессорных платформ.
В данном материале развитие двухпроцессорных серверных платформ было рассмотрено с точки зрения многопоточности и многоядерности, в следующих частях попытаемся проследить рост объема кэшей, увеличение ПСП и ПС межпроцессорных соединений. Продолжение следует...
Другие материалы по теме

0 logo low

Copyright © by ServersTech.ru, 2015-2020. Копирование запрещено.
Коммерческие предложения, сотрудничество и реклама: cooperation@serverstech.ru
Предложения, вопросы и пожелания читателей: readership@serverstech.ru
Copyright © 2015-2020 ServersTech.ru. Все права сохранены
Copyright © 2015-2020 ServersTech.ru. All rights reserved