百變POWER7 驅(qū)動(dòng)智慧地球

在中國(guó)的春節(jié)還沒(méi)有到來(lái)時(shí)，POWER7處理器就已經(jīng)迫不及待地在美國(guó)破殼而出了。日前，POWER7正式登陸中國(guó)。盡管之前智慧地球的理念在IBM帶動(dòng)下已經(jīng)深入人心，但I(xiàn)BM認(rèn)為，POWER7是其為推動(dòng)智慧地球而邁出的巨大一步，并將成為驅(qū)動(dòng)智慧地球理念邁向現(xiàn)實(shí)世界的強(qiáng)大引擎。POWER7各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果向人們展示了其強(qiáng)健的肌肉，它的綜合性能在當(dāng)前的通用處理器領(lǐng)域的確所向無(wú)敵。

為智慧地球而生

IBM系統(tǒng)與科技部Power Systems總經(jīng)理Ross A.Mauri

智慧地球，意味著互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)智能終端設(shè)備的急劇膨脹，信息數(shù)據(jù)量以幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。目前，網(wǎng)絡(luò)終端的概念已經(jīng)超越了PC和手機(jī)，家庭中的各種電器也都正在發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)智能終端，甚至廉價(jià)的媒體播放器都開(kāi)始具備BT下載功能。IBM內(nèi)部分析表明，到2013年，全球?qū)⒂袛?shù)以萬(wàn)億個(gè)設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上。而如此海量的設(shè)備和信息，必然需要極為強(qiáng)大的后臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為引擎。

在POWER7登陸中國(guó)時(shí)，IBM系統(tǒng)與科技部Power Systems總經(jīng)理Ross A.Mauri 為中國(guó)用戶講述了一個(gè)美國(guó)智能化電網(wǎng)使信息處理量急劇增長(zhǎng)的案例，生動(dòng)地說(shuō)明了智慧地球帶來(lái)的變化。美國(guó)一家大型電力公司正在從傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)遷移，這家公司目前要管理1000萬(wàn)個(gè)以上用戶，每月的交易量超過(guò)1.2億次。他們希望電表有智慧的功能，可以提供實(shí)時(shí)的電力使用狀況。過(guò)去，他們每天收集一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量就已經(jīng)很可觀了。通過(guò)智能化的電表可實(shí)時(shí)收集電能使用的狀況，從每天收集一次變成每15分鐘收集一次。如果想實(shí)現(xiàn)這種級(jí)別的智能化數(shù)據(jù)收集，每天的交易量將達(dá)到36.5億次。而未來(lái)要實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的最佳狀態(tài)，每天的交易量可能要達(dá)到3500億次。

智能電網(wǎng)只是邁向智慧地球的一小步，智慧地球的發(fā)展必然使全社會(huì)信息量以幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。正是基于這種對(duì)市場(chǎng)需求的判斷，IBM對(duì)POWER7的發(fā)展路徑進(jìn)行了重大調(diào)整，從POWER6的雙核高主頻(5GHz)轉(zhuǎn)向了8核設(shè)計(jì)，主頻維持在3GHz～4GHz，每核心的線程數(shù)從2個(gè)固定的SMT增加到最多4個(gè)SMT。依托POWER7設(shè)計(jì)的服務(wù)器，將從雙路4核產(chǎn)品一直延伸到32路256內(nèi)核1024個(gè)線程的巨無(wú)霸式高端服務(wù)器。很顯然，POWER7具備了驅(qū)動(dòng)智慧地球的海量信息處理能力。

POWER7互聯(lián)網(wǎng)

技術(shù)創(chuàng)新成就POWER7

1.工作負(fù)載動(dòng)態(tài)優(yōu)化

回顧POWER處理器發(fā)展的歷史，我們知道POWER7今天的輝煌不是一日鑄就的。POWER系列第一個(gè)偉大的設(shè)計(jì)誕生于2001年的POWER4，它是世界上第一款雙核通用處理器，集成了內(nèi)存控制器，并支持動(dòng)態(tài)邏輯分區(qū)技術(shù)，成為未來(lái)處理器向多核和虛擬化方向發(fā)展的先驅(qū)。

IBM在研發(fā)POWER6時(shí)提出了工作負(fù)載動(dòng)態(tài)優(yōu)化(Workload Optimization)的概念。在這一思想的指導(dǎo)下，POWER6選擇了高主頻的發(fā)展方向，創(chuàng)造了性能高達(dá)5GHz的雙核處理器，并首創(chuàng)了10進(jìn)制浮點(diǎn)運(yùn)算單元。IBM當(dāng)時(shí)沒(méi)有發(fā)展更多內(nèi)核的處理器，主要考慮的是工作負(fù)載還不能很好地適應(yīng)多核多線程的環(huán)境，高主頻更能讓傳統(tǒng)應(yīng)用在性能提升方面受益。隨著云計(jì)算和虛擬化技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的應(yīng)用針對(duì)多核多線程做了優(yōu)化，同時(shí)半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步也為10億個(gè)以上晶體管的芯片產(chǎn)品打開(kāi)了大門(mén)，這使得POWER7走向了8核時(shí)代。

現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用負(fù)載仍然是多樣和復(fù)雜的，既有高度并行的大規(guī)模海量應(yīng)用，也有傳統(tǒng)的只能利用少量線程的應(yīng)用軟件。作為通用處理器，必須具有百變的功能，才能在應(yīng)付各種工作負(fù)載時(shí)得心應(yīng)手。POWER7為面向多種應(yīng)用負(fù)載，內(nèi)置了多種可以動(dòng)態(tài)改變的功能特性。

首先，POWER7具有TurboCore和MaxCore兩種內(nèi)核運(yùn)行模式，既可以讓8個(gè)內(nèi)核均衡地運(yùn)行提高并行性，也可以關(guān)閉其中部分內(nèi)核而讓其他內(nèi)核像5GHz的POWER6那樣瘋狂工作。事實(shí)上，新的POWER7在4GHz時(shí)單核性能就可以大幅超過(guò)5GHz的POWER6了。

IBM軟件集團(tuán)競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)副總裁John J.Shedletsky博士

TurboCore模式可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)或其他以事務(wù)處理為導(dǎo)向的工作負(fù)載進(jìn)行高度優(yōu)化，同時(shí)采用4個(gè)內(nèi)核運(yùn)行，并把芯片中所有8個(gè)內(nèi)核大部分資源放到4個(gè)運(yùn)行的內(nèi)核中，以提供更大的緩存和內(nèi)存帶寬，大幅提升時(shí)鐘頻率，顯著提高單核性能。TurboCore模式可使那些按核進(jìn)行許可計(jì)費(fèi)的應(yīng)用將潛在的軟件成本減半，同時(shí)利用軟件提升單核性能，以此通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)最大限度的投資回報(bào)。

當(dāng)不采用TurboCore模式時(shí)，所有POWER7處理器在MaxCore模式下，擁有多達(dá)每插槽8內(nèi)核共32線程，通過(guò)提高并發(fā)線程的數(shù)量來(lái)提升并行處理能力。MaxCore模式下的POWER7能夠很好地適用基于互聯(lián)網(wǎng)的大任務(wù)量并行工作負(fù)載。

第二，POWER7具有智能線程(Intelligent Threads)技術(shù)，能根據(jù)工作負(fù)載需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。在擁有更多線程的情況下，POWER7可以并行處理更多任務(wù)，提供更大的處理量，如運(yùn)用智慧電網(wǎng)以分鐘實(shí)時(shí)監(jiān)控千家萬(wàn)戶的能源用量。而在線程較少的情況下，如那些實(shí)施分析或數(shù)據(jù)庫(kù)交易處理等需要高速獨(dú)立處理的工作負(fù)載，也可以獲得其需要的性能，并確保最優(yōu)化收益。智能線程在所有POWER7處理器上可以運(yùn)行，并有效提升處理量和總體性能。

IBM POWER7模塊

第三，POWER7的三級(jí)緩存是共享式的，但是在緩存管理方面，三級(jí)緩存可以按很小的單位進(jìn)行劃分，動(dòng)態(tài)指定給各個(gè)內(nèi)核專用或共享，并稱之為智能緩存技術(shù)(Intelligent Cache)。這樣，不僅可以動(dòng)態(tài)適應(yīng)TurboCore和MaxCore兩種內(nèi)核運(yùn)行模式，也可以為運(yùn)行內(nèi)存密集型應(yīng)用的內(nèi)核分配更多專用的三級(jí)緩存空間，提高緩存利用率和命中率。

第四，動(dòng)態(tài)功耗優(yōu)化技術(shù)(Intelligent Energy Optimization)，使得POWER7可以在熱功耗條件允許的情況下提升主頻，發(fā)揮最大性能，具體是否允許超頻則由熱功耗管理卡TPMD監(jiān)控并做出判斷。在發(fā)熱量較高和系統(tǒng)利用率較低的情況下，系統(tǒng)也可以自動(dòng)降低處理器的時(shí)鐘速率。

第五，主動(dòng)內(nèi)存擴(kuò)展技術(shù)(Active Memory Expansion)，對(duì)需要大量?jī)?nèi)存的工作負(fù)載，或在虛擬環(huán)境中大量?jī)?nèi)存是非常有益的情況下，客戶可以使用這項(xiàng)POWER7的創(chuàng)新技術(shù)。該技術(shù)的獨(dú)特之處在于能夠運(yùn)用內(nèi)存壓縮技術(shù)，使系統(tǒng)的物理內(nèi)存針對(duì)應(yīng)用程序時(shí)顯示出最多兩倍于實(shí)際的大小。主動(dòng)內(nèi)存擴(kuò)展技術(shù)可根據(jù)工作負(fù)載的內(nèi)存需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整壓縮內(nèi)存量，透明壓縮更多的數(shù)據(jù)放入內(nèi)存，從而擴(kuò)大POWER7系統(tǒng)的內(nèi)存容量。例如，在沒(méi)有安裝任何更多物理內(nèi)存的情況下使用主動(dòng)內(nèi)存擴(kuò)展技術(shù)，系統(tǒng)配置能使SAP應(yīng)用認(rèn)為系統(tǒng)中的物理內(nèi)存量比實(shí)際多出50%。據(jù)IBM估計(jì)，該技術(shù)較之前受到內(nèi)存容量限制的同樣的服務(wù)器能多處理65%的交易或用戶量。

除了以上特點(diǎn)，POWER7還有三種封裝形式，以適應(yīng)不同規(guī)模服務(wù)器平臺(tái)的特點(diǎn)，其入門(mén)機(jī)型號(hào)面向1至4路處理器的刀片和機(jī)架式產(chǎn)品設(shè)計(jì)，只集成一個(gè)內(nèi)存控制器;高端型號(hào)支持最多32個(gè)插槽的中高端服務(wù)器設(shè)計(jì)，集成兩個(gè)內(nèi)存控制器;還有4芯片封裝模塊MCM(在單一模塊中封裝4個(gè)8核POWER7)，可以構(gòu)建需要大規(guī)模擴(kuò)展或集群的超級(jí)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)超過(guò)萬(wàn)億次計(jì)算能力。

2.多核的“瓶頸突圍”

處理器如果僅僅在芯片上增加內(nèi)核的數(shù)量，那么，獲得的性能肯定和內(nèi)核數(shù)量的增加不成比例，因?yàn)樘幚砥鲀?nèi)核越多，所需要的內(nèi)存和I/O帶寬需求越將呈現(xiàn)同比例增長(zhǎng)趨勢(shì)，而且處理器內(nèi)核之間的通信開(kāi)銷(xiāo)也越來(lái)越大。更何況，內(nèi)核越強(qiáng)大，這種多內(nèi)核設(shè)計(jì)也就越困難。POWER7集成了8個(gè)高主頻的通用內(nèi)核，在突破外圍瓶頸方面做了很多創(chuàng)新。

高速大容量的處理器緩存對(duì)于減少處理器的內(nèi)存訪問(wèn)延遲至關(guān)重要。POWER7在片上集成了32MB三級(jí)緩存。在POWER7之前，通用處理器的緩存都是SRAM，SRAM每位需要6個(gè)晶體管，32MB有ECC功能的緩存就超過(guò)了17億個(gè)晶體管，這對(duì)半導(dǎo)體制造成本和良品率都是巨大的挑戰(zhàn)。8核POWER7總共只有12億個(gè)晶體管，那么該如何實(shí)現(xiàn)呢?IBM從2000年以來(lái)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?yàn)閷?shí)現(xiàn)同樣容量需要的晶體管數(shù)量和空間都是SRAM的幾分之一，32MB eDRAM只需要不到3億個(gè)晶體管。因此，從POWER4開(kāi)始，IBM就一直使用片外的eDRAM作為三級(jí)緩存，而POWER7把三級(jí)緩存集成到片上，進(jìn)一步提高了緩存的速度。再加上前面提到的智能緩存技術(shù)，使8核POWER7的內(nèi)存訪問(wèn)延遲問(wèn)題得到改善。

內(nèi)存帶寬問(wèn)題是另一大需要突破的瓶頸。每個(gè)內(nèi)核都需要配備8GB～32GB的內(nèi)存容量，也需要10GB/s以上的并發(fā)訪問(wèn)內(nèi)存帶寬。8核的POWER7如何增加內(nèi)存帶寬呢?在高端產(chǎn)品上，POWER7至少集成兩個(gè)內(nèi)存控制器，每個(gè)內(nèi)存控制器擁有4條6.4GHz的內(nèi)存通道，每個(gè)內(nèi)存通道都使用緩沖芯片并發(fā)訪問(wèn)6組DDR3內(nèi)存插槽。經(jīng)過(guò)如此多層次的強(qiáng)大內(nèi)存帶寬設(shè)計(jì)，使每個(gè)POWER7插槽的可用內(nèi)存帶寬高達(dá)180GB/s。

8核不僅面臨內(nèi)存帶寬的瓶頸問(wèn)題，對(duì)I/O和處理器之間的互聯(lián)也帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。POWER7每個(gè)處理器設(shè)計(jì)提供50GB/s的I/O帶寬和360GB/s的處理器互聯(lián)帶寬。其實(shí)，外圍帶寬的強(qiáng)大設(shè)計(jì)一直就是POWER處理器性能強(qiáng)大的秘訣，這一次POWER7把帶寬提升到了590GB/s。

對(duì)于一個(gè)32路的8核平臺(tái)而言，256個(gè)內(nèi)核的內(nèi)存一致性以及互相通信的問(wèn)題，必然是解決系統(tǒng)整體效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而這一問(wèn)題恰恰是IBM多年研發(fā)大型系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)所在。新的POWER7系統(tǒng)以4顆POWER7為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)內(nèi)實(shí)現(xiàn)全互聯(lián)。32路平臺(tái)共8個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間也實(shí)現(xiàn)全互聯(lián)。這種無(wú)瓶頸、高可靠的內(nèi)部擴(kuò)展方式，也是由POWER7強(qiáng)大的兩個(gè)互聯(lián)控制器共360GB/s帶寬所保證的。

必不可少的軟硬兼施

如果沒(méi)有為POWER7優(yōu)化的軟件系統(tǒng)，POWER7的系統(tǒng)性能也無(wú)從發(fā)揮。IBM作為一家軟硬件整合的公司，預(yù)先的軟件優(yōu)化為整個(gè)系統(tǒng)的性能發(fā)揮起到了極為重要的作用。IBM軟件集團(tuán)競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)副總裁John J.Shedletsky博士指出，POWER7在單個(gè)32路服務(wù)器上能夠提供的線程數(shù)已經(jīng)達(dá)到1000多個(gè)(即32路×8核×4線程=1024)，為智慧地球提供了足夠大的并行處理能力，同時(shí)也對(duì)軟件提出了巨大的挑戰(zhàn)。

如何讓軟件在不重寫(xiě)的情況下能最大程度地利用硬件所提供的超強(qiáng)并行處理能力?解決這個(gè)問(wèn)題就需要有強(qiáng)大的中間件。IBM對(duì)中間件技術(shù)進(jìn)行了大量?jī)?yōu)化工作，把這種并行能力在中間件層進(jìn)行處理并實(shí)現(xiàn)，讓上層應(yīng)用軟件無(wú)需任何調(diào)整，直接發(fā)揮底層硬件的強(qiáng)大并行處理能力。這樣，用戶可以很簡(jiǎn)單地直接應(yīng)用硬件的科技創(chuàng)新所帶來(lái)的業(yè)務(wù)價(jià)值。

基于POWER7平臺(tái)的強(qiáng)大擴(kuò)展性，使IBM在數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)方面有了重大突破，那就是IBM DB2 pure Scale技術(shù)，可以使單一數(shù)據(jù)庫(kù)做到超過(guò)上百臺(tái)服務(wù)器的擴(kuò)展能力，相比較，Oracle RAC只擴(kuò)展到8臺(tái)服務(wù)器。過(guò)去用戶可能需要考慮在大型機(jī)上處理這種模式，現(xiàn)在用POWER7的服務(wù)器就可以直接做到如此高的擴(kuò)展能力。

另外一個(gè)軟件和POWER7硬件優(yōu)化的模式是軟件硬件預(yù)先打包。IBM Smart Analytic系統(tǒng)就是這樣一個(gè)例子，它可以非?？焖俚貥?gòu)建數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，采用數(shù)據(jù)分析工具來(lái)分析業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。IBM把這個(gè)例子叫做創(chuàng)造新的智能。這種預(yù)先配置、預(yù)先打包的方式對(duì)用戶的好處是，用更少的時(shí)間運(yùn)行系統(tǒng)，同時(shí)所需要的技能更少。

在POWER7的應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面，IBM Rational提供了端到端專門(mén)針對(duì)POWER7的開(kāi)發(fā)體系，這一開(kāi)發(fā)體系首先是提供基于POWER上面的整個(gè)開(kāi)發(fā)工具，同樣的開(kāi)發(fā)工具可以支持軟件開(kāi)發(fā)人員在AIX、i系列和Linux上開(kāi)發(fā)應(yīng)用。這是IBM第一次提供單一工具來(lái)支持這三種POWER體系的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

鏈接

四款全新的Power Systems產(chǎn)品

隨著POWER7的推出，相應(yīng)的全線產(chǎn)品中有4款隨之亮相，而基于POWER7的32路系統(tǒng)旗艦何時(shí)亮相，這恐怕要等待AIX升級(jí)到7.1版，才能支持256個(gè)內(nèi)核的32路系統(tǒng)，目前的AIX6.1只能支持64個(gè)內(nèi)核，因此，現(xiàn)在問(wèn)世還為時(shí)過(guò)早。

IBM Power 780是一款全新的可擴(kuò)展高端服務(wù)器，它最大的特色是采用了先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)，可支持高達(dá)64個(gè)POWER7“內(nèi)核”或CPU，并擁有新的TurboCore工作負(fù)載優(yōu)化模式。同基于POWER6處理器的系統(tǒng)相比，TurboCore能夠提供高達(dá)兩倍的單核性能。

IBM Power 770是一款模塊化企業(yè)級(jí)服務(wù)器，可支持高達(dá)48個(gè)POWER7內(nèi)核。Power 770每單核性能與POWER6相比有大幅提高。在與IBM Power 570內(nèi)核數(shù)量相同的條件下，新系統(tǒng)的能耗最多可以降低70%。

IBM Power 755可作為高性能計(jì)算集群節(jié)點(diǎn)，擁有32個(gè)POWER7內(nèi)核。它的能源效率完全符合Energy Star能效標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)為處理最復(fù)雜的分析工作負(fù)載而進(jìn)行了優(yōu)化。

IBM Power 750是一款符合Energy Star能效標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)服務(wù)器，它為中型企業(yè)客戶提供了4倍于上一代服務(wù)器的處理能力。

采訪后記

POWER之道

POWER擁有20年的歷史而長(zhǎng)盛不衰，在Unix市場(chǎng)中不斷成長(zhǎng)，并發(fā)展成為如此強(qiáng)大的計(jì)算平臺(tái)，確實(shí)值得人們贊嘆。同時(shí)，也有很多人非常不解地問(wèn)我，POWER不是一個(gè)封閉的Unix系統(tǒng)嗎?Unix系統(tǒng)都在衰落，而為什么POWER卻在發(fā)展?

我想舉一個(gè)大家都熟悉的例子，那就是蘋(píng)果的iPhone。iPhone的硬件和操作系統(tǒng)也是封閉而自成一體的，正是因?yàn)槿绱?，蘋(píng)果才能把它設(shè)計(jì)得如此時(shí)尚和強(qiáng)大，不必受合作伙伴的左右。同時(shí)，iPhone的應(yīng)用軟件接口是開(kāi)放的，并造就了龐大的軟件生態(tài)系統(tǒng)。因此，雖然iPhone價(jià)格不菲，卻仍然能贏得無(wú)數(shù)用戶的青睞。

POWER的成功模式和iPhone有異曲同工之妙，只不過(guò)它是發(fā)生在企業(yè)級(jí)市場(chǎng)而已。iPhone傳承的是蘋(píng)果電腦的設(shè)計(jì)理念，POWER傳承的是IBM大型機(jī)的成功之道，如此而已。(文/丁偉)