双核带给客户的好处 - 双核处理器如何能节省您的时间和资金

双核处理器如何能节省您的时间和资金IBMSystemx服务器使用双核Intel处理器的运算优势作者：MarkT.Chapman、CristianRojas,和MauriceBlandIBM系统和技术部IBMSystemx服务器使用双核Intel处理器的运算优势页数2概述本文详细考查了双核处理器的实际优势，采用IBM®SystemxTM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IBMSystemx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，IBMSystemx3650（双核）和IBMeServerTMxSeries®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。IBMSystemx服务器使用双核Intel处理器的运算优势页数3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－Intel4004具有4位的中央处理单元(CPU)，其工作频率低于1MHz，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。GordonMoore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、IBMSystemx服务器使用双核Intel处理器的运算优势页数4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。IBMSystemx服务器使用双核Intel处理器的运算优势页数5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IntelXeon®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•MicrosoftInternetInformation•MicrosoftTerminalServer（32-位•EDA服务器版本）•地球物理•生命科学IBMSystemx服务器使用双核Intel处理器的运算优势页数6显著优势一般优势微小优势DCC服务器•PixarRenderMan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•LotusNotes•MicrosoftExchange•SendmailDatabase•IBMDB2UniversalDatabase™•MicrosoftSQLServer•Oracle终端Servers•Citrix(64-位版)•MicrosoftTerminalServer（64-位版)ERP/CRM•PeopleSoft•SAP•SiebelJava服务器•BEAWebLogic•IBMWebSphere虚拟机服务器•MicrosoftVirtualServer•VMwareESXServer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