IBM UNIX服务器的技术优势

IBMUNIX服务器的技术优势业务支持中心(BSC)编辑整理IBMUNIX服务器的技术优势上海天玑科技有限责任公司2008-04-08内部资料，未经许可不得扩散第1页共7页最近传来一个喜讯：IBMp690服务器（32路CPU）打破了HPSuperdome服务器（64路CPU）新近创造的单机TPC/C记录，再一次创造了业界单机最高的TPC/C记录值680613tpmC。从S80服务器开始，IBM的UNIX服务器（p系列服务器）一直不断的创造业界新的TPC/C记录（当然也同时保持着一些其它的基准测试记录）。为什么IBM的p系列服务器能以少胜多─IBM32路CPU服务器的处理能力超过其它厂家64路CPU服务器的处理能力！这是因为IBM在技术的研发上有高人一筹的地方：既注重CPU半导体技术的研发和CPU技术的设计，也注重服务器体系结构的设计。本文主要讨论IBMp系列服务器体系结构与其它厂商的高端服务器所采用的MBB体系结构的区别。从中我们可以了解到为什么其它厂商的UNIX服务器虽然有更多的CPU却达不到所期望的更高性能。1.什么是MBB结构2.MBB结构的优点3.MBB结构的缺陷4.以POWER4为芯片的IBMUNIX服务器的设计5.关于IBMUNIX服务器上的一些限制6.结束语1.什么是MBB结构MBB的全称是ModularBuildingBlock，每个BB（BuildingBlock）可包含4路CPU，若干内存和I/O卡。在Sun服务器上称BB为board；在HP服务器上称BB为cell；在原先的Compaq服务器上称BB为quad。不同BB内的CPU可以有不同的时钟频率。所有的BB通过一种称为crossbarswitch的交换机制连接在一起。crossbarswitch可以提供BB之间的点对点的高速连接。采用MBB技术可以比较容易的设计出拥有更多数量CPU的服务器。在这种服务业务支持中心(BSC)编辑整理IBMUNIX服务器的技术优势上海天玑科技有限责任公司2008-04-08内部资料，未经许可不得扩散第2页共7页器上既可以运行一个操作系统，也可以在一个或多个BB上运行多个操作系统。这就是所谓的服务器（基于物理分区）的逻辑分区。MBB技术从出现到现在已经超过十年了，最早是由Sequent(NumaQ)公司在八十年代末到九十年代初时发明并采用的。Cray公司在九十年代初时在它的Cray6400上采用了MBB技术，该机型是SunE10000的前身；Compaq公司在2000年一季度发布了它的基于MBB技术的机型Wildfire(GS320)；HP公司发布了业界最后一款基于MBB技术的机型Superdome，那是在2000年三季度。Sun公司在2001年三季度发布的Starfire(F15K)在体系结构上并无变化，只是将原来E10000上的CPU换成了SPARC3而已。2.MBB结构的优点基于MBB技术的服务器是由多个BB构成的，所以它天生具有物理分区（PhysicalPartition）的特性。前面提到在MBB服务器上存在一个连接BB的互连机制（crossbarswitch），它工作在一个固定的时钟频率上。例如，在Sunfire服务器上的Uniboard机制就是完成这种互连功能的。其总线时钟是150MHz，不管CPU的主频是多少（600，750，900，1050MHz），它是固定不变的。所带来的问题是数据／指令被传送出去的等待时间过长。这是典型的高CPU时钟频率和低总线速度的矛盾。所有的MBB结构的服务器都具有一个显著的优势：可以热插拔CPU板和内存板。这是因为每一个BB是物理分开的，每个4路CPU板可以单独从系统中隔离出来并将其下电。但有一点需要注意：在一个运行的系统中，从一个BB中拔出CPU、内存或I/O板是有限制的，这基于每个机型的设计不同而不同。例如，Sun6800服务器就有一个警告标签，其注明每个Uniboard槽在系统运行时空槽位的时间不能超过60秒（而且电源、温度等环境因素必须控制在一定的范围内）。由此推断，F12K／F15K可能时间会更短。业务支持中心(BSC)编辑整理IBMUNIX服务器的技术优势上海天玑科技有限责任公司2008-04-08内部资料，未经许可不得扩散第3页共7页3.MBB结构的缺陷HP公司当初发布Superdome服务器时，曾公布了它与HP其它UNIX服务器的相对性能值。64路CPU的Superdome（MBB结构）的相对性能值是20，8路N4000（共享结构）的相对性能值是6.3。我们可以看到，8倍数量的CPU换来的只是3倍性能的提升。造成这种现象的根本原因就在MBB结构上。Superdome上的每个cell（BB）里的CPU、内存或I/O卡可能需要访问其它cell里的数据。crossbarswitch在cell之间建立点对点的连接，但同时带来延迟（latency）。即如果一个连接请求建立不成功时，则会再试一次直到建立连接成功，而此时其它的连接请求将会等待。在实际环境中，很多客户通过建立物理分区（每个分区中最多12到16个CPU）的方法来尽量减少这种延迟的影响。这种做法将原来CPU个数较多的机器分成了若干个有较少CPU个数的机器，当然也就不是原来宣称的服务器的扩展性了（例如具有64路CPU的服务器）。Sun和Compaq公司的具有MBB结构的服务器里都有类似的crossbarswitch结构，当然都存在相同的数据访问延迟的缺陷：点对点的连接必须建立，同时这种连接的建立是竞争的。Sun公司宣称其服务器的扩展性是线性的，即服务器的性能随着CPU个数的增加呈线性增长。它是用SPECintRate和SPECjbb2000这两个基准测试值来证明的。我们需要指出的是：这两种测试方法只是基于CPU本身，并没有共享数据的访问和网络及硬盘I/O的发生。很显然，这与实际情况是不相符的。我们谈服务器的性能是整体的去看。有很多可以整体评价服务器性能的基准测试，例如：TPC/C、OracleASB11i、Peoplesoft、SAP、Baan、JDEdwards等。这些测试方法都具有数据库访问、模拟客户的实际应用和很大的I/O访问量等特点。4.以POWER4为芯片的IBMUNIX服务器的设计IBMUNIX（p系列）服务器的设计思想是共享式的，即所有CPU可以同等的看到所有的内存和I/O的连接方式：一种全新的为数据／指令流提供足够的高速通路的体系业务支持中心(BSC)编辑整理IBMUNIX服务器的技术优势上海天玑科技有限责任公司2008-04-08内部资料，未经许可不得扩散第4页共7页结构。p系列服务器CPU数量的增加是一个成比例渐进的过程。目前p690上的最大CPU个数是32路。从p690以少胜多的实例来看，服务器CPU数量的多少并不真正代表其处理能力的高低。P690（32路CPU）胜过Superdome（64路CPU）就是一个有力的证明。POWER4和以POWER4为芯片的服务器在设计上有两个重要点：·消除对数据传送的约束·数据传送能力是随着CPU性能的增长而增长下面将比较详细的做一介绍：(1)在POWER4芯片上设计了较大的缓冲区。一个POWER4芯片（chip）上有两个核心处理器，每个核心处理器有一个L1缓冲器（32KB数据和64KB指令），并且每个芯片上有一个共享的L2缓冲器（1.5MB）。这个L2缓冲器的时钟频率是核心处理器的一半。每个L2缓冲器有三个32字节宽的总线与两个核心处理器相连，用于向两个核心处理器传送指令和数据。另外还有三条8字节宽的总线用于从两个核心处理器回传数据给L2缓冲器。POWER4创造了第一个消除了控制信号和数据传送冲突的CPU结构。POWER4处理器有一个L3缓冲器控制器，它是与32MB大小的L3缓冲器的接口。在业界有一种说法：任何I/O都是不好的，即CPU运行时所需的数据不在内存里，需要从外设中读入。最理想的状态是处理器运行时所需要的指令/数据全都满足，其次是指令/数据在L1缓冲器中，再其次是在L2缓冲器中，再其次是在L3缓冲器中，最差的情况是在内存里。p系列服务器上的缓冲区总数量是Sun服务器的四倍，是HP服务器的十五倍。(2)在POWER4的设计中存在一个称作分布式交换器（distributedswitch）的连接机制。它提供在一个MCM（Multi-ChipModule）上的处理器之间的点对点的连接，也用于在不同的MCM上的处理器之间的点对点的连接。这个分布式交换器的时钟频率是CPU的时钟频率的一半。例如，如果是1.3GHzPOWER4的处理器，则分布式交换器提供16字节宽、时钟是650MHz的点对点总线连接。IBM目前提供给UNIX市场的服务器，真正实现了CPU处理能力和服务器处理能力的线性增长。业务支持中心(BSC)编辑整理IBMUNIX服务器的技术优势上海天玑科技有限责任公司2008-04-08内部资料，未经许可不得扩散第5页共7页5.关于IBMUNIX服务器上的一些限制IBM在其UNIX服务器（p系列）的设计上没有采用MBB的设计结构，所以在p系列机器上不支持物理分区。IBM沿用了大主机S390上的逻辑分区（LPAR）设计思想，即设计一个hypervisor（系统管理程序），它能看到所有的真实资源（CPU、内存和I/O卡），并且通过一个控制台（HMC）来管理逻辑分区。通过HMC将上述提到的资源定义到不同的逻辑分区中去，每个逻辑分区所需的最小资源是一个CPU、1GB内存和一个PCI插槽。IBM没用象其它厂商那样采用crossbarswitch技术做CPU之间的连接。在p系列服务器上所有的CPU能够看到所有的内存和I/O资源，它不允许不同主频的CPU共存在同一台机器内。而MBB结构的服务器则允许这样做，其代价就是crossbarswitch工作在相同的带宽上（MBB之间的连接带宽恒定），所以高主频CPU带来的服务器整体性能提升是有限的。在p系列服务器上，如果升级CPU则必须更换整个CPU板，其优点是CPU主频和系统总线带宽同时得到提升，保证更高主频的CPU带来更高的服务器性能。由于没有采用MBB的设计结构，所以在p系列服务器上不支持热插拔CPU板和内存板。热插拔这个设计思想的目的是为了方便系统维护，即更换服务器失效部件时不需停机，以减少计划内停机时间、提高系统的可用性（availability）。关于系统可用性方面，IBM的设计思想是：在关键性部件（如CPU，内存等）出现硬件故障时，系统能自动隔离失效部件并且继续运行。主要包括如下三个方面的内容：·选用高质量的材料，制造高质量的部件，提供更高的可靠性。·IBM发明的自诊断技术FFDC（FirstFailureDataCapture）能够做到早发现故障（例如在p690上就设计有5600多个观察点），并能自动隔离失效部件。目前在p系列服务器上能做到自动隔离失效的CPU、L2/L3缓冲器、PCI总线、PCI卡和LPAR（逻辑分区）等，使系统能够继续运行。·客户在计划内的停机维护时间里，可以很快的修复失效部件。据研究表明计划内的停机是有代价的（对客户来讲有些损失），但非计划内停机所带来的损失则是几何级数量业务支持中心(BSC)编辑整理IBMUNIX服务器的技术优势上海天玑科技有限责任公司2008-04-08内部资料，未经许可不得扩散第6页共7页的。采用MBB结构服务器的厂商声称热插拔CPU/内存的功能可减少计划内的停机时间，但其服务器有限的自诊断和自隔离功能将增加非计划内的停机时间。6.结束语IBM是唯一一家在高端服务器行业有能力自己设计、研发和制造的厂家。IBM设计和制造CPU的成就是非凡的。从我们目前所熟知的铜芯片、绝缘硅技术，到后继的low-Kdielectric和siliconstrainin等新技术已一一被发明出来。IBM在服务器的设计、软件的设计和存储器方面的成就也是令人瞩目的。从大型主机上继承下来的丰富的多机系统设计、中央数据处理、高可靠（RAS）设计等经验已经迁移到UNIX服务器的设计和实践中。IBM