E5平台：PCIe3直通效率高，集成SAS不足惧

摘要：除了CPU自身性能的继续提升，至强E5-2600的另一大进步是集成了PCI Express 3.0，有助于改善I/O的效率，使整个系统的发展更加均衡。同样是集成，C600芯片组提供的SAS不尽人意，有点“鸡肋”的味道。

内容：

• CPU集成PCIe 3.0的意义；

• C600集成的SAS令人失望；

• 8个新款SSD飙性能；

• 另类PCIe 3.0扩展卡抢鲜看。

注意：E5集成PCIe 3.0对SSD是一大利好，C600集成的SAS给硬盘用还凑合。

水涨船高，E5集成PCIe 3.0

过去几年间，英特尔至强（Xeon）系列处理器的发展可以说是突飞猛进，生产工艺和微架构交替进步的“钟摆”（Tick-Tock）战略，使得每一代产品都能从内核数量和单内核性能的提升中获益，而公认进步最大的则非2009年初推出基于45nm工艺和Nehalem-EP微架构的至强5500/3500系列莫属。

前英特尔公司资深副总裁兼CTO、现EMC信息基础架构产品事业部总裁兼COO Pat Gelsinger去年在EMC World 2011上主题演讲，专门有一页提及Intel高端至强处理器的性能提升幅度，而主流的至强5000/E5产品线也不遑多让

三年时间转眼过去，“钟摆”也摆动了一个完整的周期——工艺从45nm提高到32nm，微架构亦从Nehalem演进至Sandy Bridge（SNB）。与代号Westmere的至强5600相比，同样采用32nm工艺的至强E5-2600系列内核数量、内存带宽（通道和频率）到用于处理器间互连的QPI有33%到100%的提升，无论CPU本地的处理能力，还是双路CPU之间的通信互联，都得到了巨大的改善。

与至强5600系列相比，至强E5-2600（Romley EP）平台每CPU的DDR3内存通道从3个增至4个，频率也从1333MHz提升到1600MHz，更重要的是CPU直接提供PCIe 3.0的连接能力，而2个QPI全部用于CPU之间的互连

但是，仅仅CPU-内存子系统的性能飙升是不够的，如果外联的通道不畅，就像“茶壶里倒饺子”，再强劲的性能也要大打折扣。特别是在格外注重横向扩展（Scale-out）能力的云时代，整个计算平台对外连接的带宽和响应速度需要提升到一个新的水平。

Intel 5520 IOH的使用场景之一：2个QPI分别连接到2个至强5600处理器上，提供36个PCIe 2.0线路

至强5600处理器通过1个QPI连接5520 IOH，提供36或72个PCI Express（PCIe）2.0线路（lane）。至强E5-2600则是每处理器提供40个PCIe 3.0线路，双处理器配置可达80个。虽然与PCIe 2.0相比，PCIe 3.0的传输率只是从5GT/s提高到了8GT/s，但由于采用了更为高效的编码方式，实际带宽接近倍增的效果，所以至强E5-2600的PCIe带宽比至强5600提高了一倍有余。并且，因为PCIe 3.0直接挂接在处理器上，省去了QPI和IOH的中间环节，I/O通路缩短的结果是响应时间的下降，有利于改善传输的延迟。

Intel 5520 IOH的使用场景之二：2个至强5600处理器各自用1个QPI接到1个5520，2个5520之间也通过1个QPI互连，共提供72个PCIe 2.0线路

不难看出，如果说Nehalem-EP微架构将内存控制器（MCH）集成到了CPU中，那么Romley-EP则进一步在CPU中集成了I/O控制器（IOH）的功能，英特尔称之为IIO（Integrated I/O），辅之以Intel DDIO（Data Direct I/O），可以进一步缩短传输的延迟。

40个PCIe 3.0线路可以4个或8个为单位自由组合成不同的端口，其中端口3a（x4或x8）可配置为NTB（非透明桥）

高速的设备如PCIe闪存卡、千兆/万兆网卡、存储HBA等直接连接到至强E5-2600处理器上，而像USB、SATA、PCI等相对低速的设备，则通过代号为Patsburg的C600平台控制集线器（PCH）连接，如本页第一张图的左下角所示。从这一点来说，C600与连接到5520 IOH上的ICH9/10颇有相似之处，但有一处看起来很强悍的升级——集成8端口的SAS（Serial Attached SCSI）及软RAID 5选项。

C600芯片和它支持的2个6Gb/s SATA接口、8个SAS接口（2个x4的SFF-8087内部连接器）

本文接下来的部分，就将通过测试，为您呈现IIO在延迟上的一些优势，和C600集成SAS的真实性能。

C600集成SAS，可堪大用？

去年英特尔表示将在Romley平台上通过Patsburg PCH（也就是现在的C600）集成8端口SAS的时候，没有人想到速率的问题——6Gb/s当时就已成为SAS的主流，一年后的今天还用怀疑吗？可造化就是这么弄人，C600集成的偏偏是上一代的3Gb/s SAS。当笔者问到这一问题时，英特尔方面表示，C600在集成6Gb/s SAS时确实遇到了一些困难，为了不影响至强E5平台上市的步伐，就换成了比较稳妥的3Gb/s SAS（毕竟英特尔有Sunrise Lake的经验）。看来，SAS确实不是这家芯片巨人之所长……

无论8个3Gb/s SAS，还是x8 PCIe 2.0，C600的上行带宽（相当于x4 PCIe 2.0）都是瓶颈，重点在于连接的数量

不过，看了C600芯片的架构图，便会发现支持6Gb/s SAS其实没有太大的意义：C600与至强E5-2600处理器连接的上行通道是DMI 2.0，带宽相当于x4的PCIe 2.0，单向为20Gbps，而8端口的3Gb/s SAS为24Gbps，已经不敷使用。如果倍增为6Gb/s SAS，把端口数减至4个也不够。

编号为BD82027的C600芯片特写

尽管如此，通过测试，考察一下C600集成的8端口SAS，能在多大程度上接近2GB/s（合20Gbps——于PCIe 2.0而言）的理论带宽上限，对至强E5的用户选择什么样的SAS/RAID解决方案，还是有一定参考价值的。同时，我们还可以对比直接连接到E5-2600处理器上的PCIe SAS HBA，与C600集成SAS在延迟上的差异，对IIO的优异性有一个大致的感受。

Intel Server Board S2600GZ有2个PCIe 3.0 x24的“超级插槽”，测试的系统中插上的是具有2个x16插槽（配置为x8）和1个x8插槽的转接卡

LSI SAS 9211-8i HBA，基于LSISAS2008控制芯片，8个6Gb/s SAS端口，PCIe 2.0 x8主机接口

现在市面上还很难找到支持PCIe 3.0的扩展卡（E5平台的批量上市会很快改变这一局面），好在我们的目的也不是检验PCIe 3.0的带宽效率，PCIe 2.0 x8的SAS HBA就够了。也不需要RAID，因为RAID层会增加延迟。重要的是在8个端口直连的情况下，用最多8个驱动器提供不低于2GB/s的带宽——目前而言，只有SSD（固态盘）才能满足要求。

连接8个SSD（4个520，4个710）的LSI SAS 9211-8i HBA启动画面 

为此，在我们相对有限的条件下，还是凑齐了4个240GB的Intel SSD 520，和4个200GB的Intel SSD 710。即使在C600的3Gb/s SAS条件下，每个SSD也能贡献最高超过250MB/s（以1024计算）的持续传输率，理论带宽总和突破2GB/s。 

测试平台：8 SSD蓄势待发

本次测试在英特尔公司送测的Intel Server System R2000系统（2U机架式服务器）上进行，相关主要软硬件配置如下：

打开上盖的Intel Server System R2000，可以看到中部作为系统盘的710 SSD，连接在C600的6Gb/s SATA接口上。远处是安装LSI SAS 9211-8i HBA的槽位，8个SSD（4×520 + 4×710）置于前面板左侧的驱动器仓内

240GB的Intel SSD 520，6Gb/s SATA接口，实测持续读速率超过500MB/s（若以10进制计算，可达约540MB/s）

8个SSD全家福（左为4个Intel SSD 520，右为4个Intel SSD 710）

本次测试的存储配置，包括板载的C600 SAS、Intel集成SAS RAID模块RMS25CB080、LSI SAS 9211-8i SAS HBA，Intel SSD 520和710各4个，还有1个连在6Gb/s SATA接口上的SSD 710作为系统盘

Iometer并发访问8个SSD的设置画面，只用了1个worker（相当于1个物理内核的1个线程，双路8核打开超线程，所以一共有32个worker）。目前Iometer还没有支持64位Windows的稳定版，所以测试使用的是1.1.0-rc1开发版 

本次测试在英特尔公司送测的Intel Server System R2000系统（2U机架式服务器）上进行，相关主要软硬件配置如下：

集成PCIe给力，SAS失意

测试开始时，我们先在Intel C600芯片集成的3Gb/s SAS端口和LSI SAS 9211-8i HBA集成的6Gb/s SAS端口下，对单个SSD 710和SSD 520的持续读传输能力进行了测试，并据此估算出8个SSD并发读取时的理论值：

最新推出的Intel SSD 520采用支持压缩算法的SandForce（现属于LSI公司）主控，6Gb/s SATA接口，持续读传输指标为550MB/s，在我们的测试中，接到LSI 6Gb/s SAS HBA上可达514MB/s（1024进制，若1000进制的话为539MB/s），考虑到HBA的接口效率，这一数值已是相当不错。SSD 710是3Gb/s SATA接口，300MB/s就别想了，在6Gb/s SAS HBA上有266MB/s，转移到C600的3Gb/s SAS上刚过250MB/s，SSD 520也是这个水平，可见已是单端口的能力极限。尽管如此，8个250MB/s也能有2GB/s，而PCIe 2.0 x4在实际情况下是不可能达到这个传输率的。

8个SSD并发读取，LSI 6Gb/s SAS HBA的性能（棕色三角线）逼近3GB/s，与理论测算值相去不远，表现非常优异；C600集成的3Gb/s SAS则令人大跌眼镜——与1GB/s尚有很大一段距离（浅蓝菱形块线）

最终的测试结果大出笔者之前的预料：原本估算PCIe 2.0 x4的实际带宽上限在1.7-1.8GB/s之间，如果C600集成的3Gb/s SAS能带着8个SSD接近这一水平，就是非常优异的表现了，就是1.5GB/s也非常不错。没想到实际的表现连预估的一半（850-900MB/s）都没有，哪怕换成8个15K RPM的SAS硬盘驱动器，也会成为瓶颈，可见设计还是不够完善。

倒是6Gb/s SAS HBA的表现令人欣慰，而“半个”CPU内核（每个worker对应1个线程）就可以轻松驱动8个SSD贡献2.8GB/s的持续带宽，也从一个侧面印证了以E5-2690为代表的新一代x86 CPU的I/O能力之强。

单个520 SSD 4KB随机读访问，响应时间随队列深度变化的情况

我们还测试了两种情况下，单个520 SSD进行随机读访问测试的响应时间。在队列深度低于64的时候，C600集成的3Gb/s SAS的响应时间是LSI 6Gb/s SAS HBA的1.5至2倍，随后上升至约3倍到5倍。这可以部分反映出PCIe直连CPU在缩短延迟上的优越性，虽然还是ms级的水平，但对于高性能的SSD而言，差别还是较明显的。当然，如果主要配合硬盘驱动器使用，那C600集成SAS相对较长的延迟，也就不显什么了。

PCIe 3.0 + 6Gb SAS的小惊喜

C600集成的SAS不给力，不代表集成的就没好货；前面说到现在市面上很难找到PCIe 3.0的扩展卡，但英特尔公司送测的Intel Server System R2000系统就带了一个。

Intel Server Board S2600GZ主板上，比PCIe 3.0 x24的“超级插槽”离CPU更近的，是这个不起眼的PCIe 3.0 x8 SAS扩展模块专用插槽

这款型号为Intel RMS25CB080的集成RAID模块，核心是一颗LSISAS2208芯片——最早支持PCIe 3.0标准的6Gb/s SAS RoC（RAID on Chip，片上RAID），SAS端口数量也是x8，因此带有2个SFF-8087内部x4连接器。

Intel RMS25CB080集成RAID模块，黑色散热片上方是连接缓存备份设备（如BBU，也可是闪存/电容组合）的连接器

背面的PCIe 3.0 x8 SAS扩展模块连接器和RoC闪存

除去散热片后的LSISAS2208和1GB DDR3 1033MHz嵌入式内存 

支持PCIe 3.0的芯片——LSISAS2208双核RoC特写

虽然支持PCIe 3.0 x8，但是我们手头的设备实在挑战不了8GB/s的存储I/O，而且Intel的资料也显示LSISAS2208能支持到3000MB/s。在用2个520 SSD组成RAID 0的简单测试中，RMS25CB080集成RAID模块顺序读写都能达到差不多两倍于单个520 SSD的水平，相当令人满意。

顺序读在数据块尺寸为128KB至512KB时较失水准，写入则很稳定，高度接近1000MB/s