百变POWER7 驱动智慧地球

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  在中国的春节还没有到来时,POWER7处理器就已经迫不及待地在美国破壳而出了。日前,POWER7正式登陆中国。尽管之前智慧地球的理念在IBM带动下已经深入人心,但IBM认为,POWER7是其为推动智慧地球而迈出的巨大一步,并将成为驱动智慧地球理念迈向现实世界的强大引擎。POWER7各项技术指标的测试结果向人们展示了其强健的肌肉,它的综合性能在当前的通用处理器领域的确所向无敌。
  
  为智慧地球而生
  
  IBM系统与科技部Power Systems总经理Ross A.Mauri
  智慧地球,意味着互联网和物联网智能终端设备的急剧膨胀,信息数据量以几何级数增长。目前,网络终端的概念已经超越了PC和手机,家庭中的各种电器也都正在发展为网络智能终端,甚至廉价的媒体播放器都开始具备BT下载功能。IBM内部分析表明,到2013年,全球将有数以万亿个设备连接到互联网上。而如此海量的设备和信息,必然需要极为强大的后台计算机系统作为引擎。
  在POWER7登陆中国时,IBM系统与科技部Power Systems总经理Ross A.Mauri 为中国用户讲述了一个美国智能化电网使信息处理量急剧增长的案例,生动地说明了智慧地球带来的变化。美国一家大型电力公司正在从传统电网向智能电网迁移,这家公司目前要管理1000万个以上用户,每月的交易量超过1.2亿次。他们希望电表有智慧的功能,可以提供实时的电力使用状况。过去,他们每天收集一次数据,数据量就已经很可观了。通过智能化的电表可实时收集电能使用的状况,从每天收集一次变成每15分钟收集一次。如果想实现这种级别的智能化数据收集,每天的交易量将达到36.5亿次。而未来要实现智能电网的最佳状态,每天的交易量可能要达到3500亿次。
  智能电网只是迈向智慧地球的一小步,智慧地球的发展必然使全社会信息量以几何级数增长。正是基于这种对市场需求的判断,IBM对POWER7的发展路径进行了重大调整,从POWER6的双核高主频(5GHz)转向了8核设计,主频维持在3GHz~4GHz,每核心的线程数从2个固定的SMT增加到最多4个SMT。依托POWER7设计的服务器,将从双路4核产品一直延伸到32路256内核1024个线程的巨无霸式高端服务器。很显然,POWER7具备了驱动智慧地球的海量信息处理能力。
  
  POWER7互联网
  
  技术创新成就POWER7
  1.工作负载动态优化
  回顾POWER处理器发展的历史,我们知道POWER7今天的辉煌不是一日铸就的。POWER系列第一个伟大的设计诞生于2001年的POWER4,它是世界上第一款双核通用处理器,集成了内存控制器,并支持动态逻辑分区技术,成为未来处理器向多核和虚拟化方向发展的先驱。
  IBM在研发POWER6时提出了工作负载动态优化(Workload Optimization)的概念。在这一思想的指导下,POWER6选择了高主频的发展方向,创造了性能高达5GHz的双核处理器,并首创了10进制浮点运算单元。IBM当时没有发展更多内核的处理器,主要考虑的是工作负载还不能很好地适应多核多线程的环境,高主频更能让传统应用在性能提升方面受益。随着云计算和虚拟化技术的发展,越来越多的应用针对多核多线程做了优化,同时半导体技术的进步也为10亿个以上晶体管的芯片产品打开了大门,这使得POWER7走向了8核时代。
  现实世界的应用负载仍然是多样和复杂的,既有高度并行的大规模海量应用,也有传统的只能利用少量线程的应用软件。作为通用处理器,必须具有百变的功能,才能在应付各种工作负载时得心应手。POWER7为面向多种应用负载,内置了多种可以动态改变的功能特性。
  首先,POWER7具有TurboCore和MaxCore两种内核运行模式,既可以让8个内核均衡地运行提高并行性,也可以关闭其中部分内核而让其他内核像5GHz的POWER6那样疯狂工作。事实上,新的POWER7在4GHz时单核性能就可以大幅超过5GHz的POWER6了。
  
  IBM软件集团竞争技术副总裁John J.Shedletsky博士
  
  TurboCore模式可以对数据库或其他以事务处理为导向的工作负载进行高度优化,同时采用4个内核运行,并把芯片中所有8个内核大部分资源放到4个运行的内核中,以提供更大的缓存和内存带宽,大幅提升时钟频率,显著提高单核性能。TurboCore模式可使那些按核进行许可计费的应用将潜在的软件成本减半,同时利用软件提升单核性能,以此通过软件实现最大限度的投资回报。
  当不采用TurboCore模式时,所有POWER7处理器在MaxCore模式下,拥有多达每插槽8内核共32线程,通过提高并发线程的数量来提升并行处理能力。MaxCore模式下的POWER7能够很好地适用基于互联网的大任务量并行工作负载。
  第二,POWER7具有智能线程(Intelligent Threads)技术,能根据工作负载需求进行动态调整。在拥有更多线程的情况下,POWER7可以并行处理更多任务,提供更大的处理量,如运用智慧电网以分钟实时监控千家万户的能源用量。而在线程较少的情况下,如那些实施分析或数据库交易处理等需要高速独立处理的工作负载,也可以获得其需要的性能,并确保最优化收益。智能线程在所有POWER7处理器上可以运行,并有效提升处理量和总体性能。
  
  IBM POWER7模块
  第三,POWER7的三级缓存是共享式的,但是在缓存管理方面,三级缓存可以按很小的单位进行划分,动态指定给各个内核专用或共享,并称之为智能缓存技术(Intelligent Cache)。这样,不仅可以动态适应TurboCore和MaxCore两种内核运行模式,也可以为运行内存密集型应用的内核分配更多专用的三级缓存空间,提高缓存利用率和命中率。
  第四,动态功耗优化技术(Intelligent Energy Optimization),使得POWER7可以在热功耗条件允许的情况下提升主频,发挥最大性能,具体是否允许超频则由热功耗管理卡TPMD监控并做出判断。在发热量较高和系统利用率较低的情况下,系统也可以自动降低处理器的时钟速率。
  第五,主动内存扩展技术(Active Memory Expansion),对需要大量内存的工作负载,或在虚拟环境中大量内存是非常有益的情况下,客户可以使用这项POWER7的创新技术。该技术的独特之处在于能够运用内存压缩技术,使系统的物理内存针对应用程序时显示出最多两倍于实际的大小。主动内存扩展技术可根据工作负载的内存需求,动态调整压缩内存量,透明压缩更多的数据放入内存,从而扩大POWER7系统的内存容量。例如,在没有安装任何更多物理内存的情况下使用主动内存扩展技术,系统配置能使SAP应用认为系统中的物理内存量比实际多出50%。据IBM估计,该技术较之前受到内存容量限制的同样的服务器能多处理65%的交易或用户量。
  除了以上特点,POWER7还有三种封装形式,以适应不同规模服务器平台的特点,其入门机型号面向1至4路处理器的刀片和机架式产品设计,只集成一个内存控制器;高端型号支持最多32个插槽的中高端服务器设计,集成两个内存控制器;还有4芯片封装模块MCM(在单一模块中封装4个8核POWER7),可以构建需要大规模扩展或集群的超级计算机,实现超过万亿次计算能力。
  
  2.多核的“瓶颈突围”
  处理器如果仅仅在芯片上增加内核的数量,那么,获得的性能肯定和内核数量的增加不成比例,因为处理器内核越多,所需要的内存和I/O带宽需求越将呈现同比例增长趋势,而且处理器内核之间的通信开销也越来越大。更何况,内核越强大,这种多内核设计也就越困难。POWER7集成了8个高主频的通用内核,在突破外围瓶颈方面做了很多创新。
  高速大容量的处理器缓存对于减少处理器的内存访问延迟至关重要。POWER7在片上集成了32MB三级缓存。在POWER7之前,通用处理器的缓存都是SRAM,SRAM每位需要6个晶体管,32MB有ECC功能的缓存就超过了17亿个晶体管,这对半导体制造成本和良品率都是巨大的挑战。8核POWER7总共只有12亿个晶体管,那么该如何实现呢?IBM从2000年以来一直致力于eDRAM的研究,eDRAM速度比SRAM要慢一些,但是功耗也低于SRAM,因为实现同样容量需要的晶体管数量和空间都是SRAM的几分之一,32MB eDRAM只需要不到3亿个晶体管。因此,从POWER4开始,IBM就一直使用片外的eDRAM作为三级缓存,而POWER7把三级缓存集成到片上,进一步提高了缓存的速度。再加上前面提到的智能缓存技术,使8核POWER7的内存访问延迟问题得到改善。
  内存带宽问题是另一大需要突破的瓶颈。每个内核都需要配备8GB~32GB的内存容量,也需要10GB/s以上的并发访问内存带宽。8核的POWER7如何增加内存带宽呢?在高端产品上,POWER7至少集成两个内存控制器,每个内存控制器拥有4条6.4GHz的内存通道,每个内存通道都使用缓冲芯片并发访问6组DDR3内存插槽。经过如此多层次的强大内存带宽设计,使每个POWER7插槽的可用内存带宽高达180GB/s。
  8核不仅面临内存带宽的瓶颈问题,对I/O和处理器之间的互联也带来巨大挑战。POWER7每个处理器设计提供50GB/s的I/O带宽和360GB/s的处理器互联带宽。其实,外围带宽的强大设计一直就是POWER处理器性能强大的秘诀,这一次POWER7把带宽提升到了590GB/s。
  对于一个32路的8核平台而言,256个内核的内存一致性以及互相通信的问题,必然是解决系统整体效率的关键环节。而这一问题恰恰是IBM多年研发大型系统的经验所在。新的POWER7系统以4颗POWER7为一个节点,在节点内实现全互联。32路平台共8个节点,节点间也实现全互联。这种无瓶颈、高可靠的内部扩展方式,也是由POWER7强大的两个互联控制器共360GB/s带宽所保证的。
  
  必不可少的软硬兼施
  
  如果没有为POWER7优化的软件系统,POWER7的系统性能也无从发挥。IBM作为一家软硬件整合的公司,预先的软件优化为整个系统的性能发挥起到了极为重要的作用。IBM软件集团竞争技术副总裁John J.Shedletsky博士指出,POWER7在单个32路服务器上能够提供的线程数已经达到1000多个(即32路×8核×4线程=1024),为智慧地球提供了足够大的并行处理能力,同时也对软件提出了巨大的挑战。
  如何让软件在不重写的情况下能最大程度地利用硬件所提供的超强并行处理能力?解决这个问题就需要有强大的中间件。IBM对中间件技术进行了大量优化工作,把这种并行能力在中间件层进行处理并实现,让上层应用软件无需任何调整,直接发挥底层硬件的强大并行处理能力。这样,用户可以很简单地直接应用硬件的科技创新所带来的业务价值。
  基于POWER7平台的强大扩展性,使IBM在数据库技术方面有了重大突破,那就是IBM DB2 pure Scale技术,可以使单一数据库做到超过上百台服务器的扩展能力,相比较,Oracle RAC只扩展到8台服务器。过去用户可能需要考虑在大型机上处理这种模式,现在用POWER7的服务器就可以直接做到如此高的扩展能力。
  另外一个软件和POWER7硬件优化的模式是软件硬件预先打包。IBM Smart Analytic系统就是这样一个例子,它可以非常快速地构建数据仓库,采用数据分析工具来分析业务数据。IBM把这个例子叫做创造新的智能。这种预先配置、预先打包的方式对用户的好处是,用更少的时间运行系统,同时所需要的技能更少。
  在POWER7的应用开发方面,IBM Rational提供了端到端专门针对POWER7的开发体系,这一开发体系首先是提供基于POWER上面的整个开发工具,同样的开发工具可以支持软件开发人员在AIX、i系列和Linux上开发应用。这是IBM第一次提供单一工具来支持这三种POWER体系的应用开发。
  
  链接
  四款全新的Power Systems产品
  随着POWER7的推出,相应的全线产品中有4款随之亮相,而基于POWER7的32路系统旗舰何时亮相,这恐怕要等待AIX升级到7.1版,才能支持256个内核的32路系统,目前的AIX6.1只能支持64个内核,因此,现在问世还为时过早。
  IBM Power 780是一款全新的可扩展高端服务器,它最大的特色是采用了先进的模块化设计,可支持高达64个POWER7“内核”或CPU,并拥有新的TurboCore工作负载优化模式。同基于POWER6处理器的系统相比,TurboCore能够提供高达两倍的单核性能。
  IBM Power 770是一款模块化企业级服务器,可支持高达48个POWER7内核。Power 770每单核性能与POWER6相比有大幅提高。在与IBM Power 570内核数量相同的条件下,新系统的能耗最多可以降低70%。
  IBM Power 755可作为高性能计算集群节点,拥有32个POWER7内核。它的能源效率完全符合Energy Star能效标准,同时为处理最复杂的分析工作负载而进行了优化。
  IBM Power 750是一款符合Energy Star能效标准的商业服务器,它为中型企业客户提供了4倍于上一代服务器的处理能力。
  
  采访后记
  POWER之道
  POWER拥有20年的历史而长盛不衰,在Unix市场中不断成长,并发展成为如此强大的计算平台,确实值得人们赞叹。同时,也有很多人非常不解地问我,POWER不是一个封闭的Unix系统吗?Unix系统都在衰落,而为什么POWER却在发展?
  我想举一个大家都熟悉的例子,那就是苹果的iPhone。iPhone的硬件和操作系统也是封闭而自成一体的,正是因为如此,苹果才能把它设计得如此时尚和强大,不必受合作伙伴的左右。同时,iPhone的应用软件接口是开放的,并造就了庞大的软件生态系统。因此,虽然iPhone价格不菲,却仍然能赢得无数用户的青睐。
  POWER的成功模式和iPhone有异曲同工之妙,只不过它是发生在企业级市场而已。iPhone传承的是苹果电脑的设计理念,POWER传承的是IBM大型机的成功之道,如此而已。(文/丁伟)
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