透过高性能计算发展趋势看AMD四核技术

    ZDNetChina服务器站 9月9日高性能计算/集群分析 根据全球TOP500高性能计算机（HPC）排行榜，基于工业标准服务器构建的LINUX集群无疑已经成为高端HPC领域的主流产品。如在最新的TOP500中，体系架构方面，集群占到了74.6%；而在产品形态上，刀片服务器由于实现了从早期的高密度计算向更科学的高效能计算的转变，也得到了越来越多的采用——预计到2009年，刀片服务器将在全球服务器市场占到1/4左右的份额。而四核多路刀片服务器将是未来百万亿次高性能计算机的主要载体，因此，四核乃至多核处理器的推出对未来高性能计算的发展将起很大的影响，尤其是代号为巴塞罗那的AMD四核皓龙处理器，具有出色的浮点计算性能和直连架构、内存带宽优势，顺应了高性能计算发展的趋势。

高性能计算的新趋势

    当前，高性能计算出现一些新的发展趋势，主要体现在以下几个方面 。首先就是刀片服务器的进入泛应用期。从IDC最新的数据看，到2009年，刀片服务器的市场份额将突破25%，出货量将高达280万台，收入也将超过90亿美金。而这就要求服务器具备更为灵活有效的远程监控，如KVM over IP、远程部件监控管理；更智能的系统管理，如动态功率管理、智能冷却管理；更简单易用的维护手段，如集成共享的USB设备、虚拟USB设备的远程连接、远程系统部署；更高程度的部件耦合，如存储、交换、KVM部件都能融合在刀片服务器内；更灵活的扩展度，如支持I/O扩展和网络扩展。

    第二个趋势是服务器节能技术趋于成熟。现在越来越多的企业发现这样一个事实：到下一个十年，数据中心和存储中心花在能源消耗上的代价会超过购买硬件的成本。所以用户需要更加关注节能技术。幸运的是，服务器节能技术目前也趋于成熟。例如在芯片级的节能技术就有AMD 的PowerNow!、Intel 的 EIST和IBM的高热传导界面芯片冷却技术等。

    第三个趋势是效用服务器浮出水面。所谓效用计算（Utility Computing）是借用了水、电等生活基础设施的供给模式的一种新型信息资源应用模式，效用服务器的理念就是对服务器及其附属资源集中管理、虚拟化供给，按照用户的需求动态地提供服务。虚拟化技术就是效用服务器的核心技术之一 ，基于计算能力、存储能力、I/O能力，以及其他全局物理资源的虚拟化，效用服务器可望满足未来信息服务的扁平化趋势，为用户提供按需服务。

    第四个趋势是可重构计算技术。所谓可重构计算是指使硬件可“编译”，在可编程的硬件介质中提供更大的计算能力和密度，大幅度提高芯片/系统的总体性能，实现超级计算，以较低的硬件复杂度实现指令、数据及线程级的并行，并且可以按需而变。可重构计算在计算密集型应用中具有较大的性能/功耗、性能/价格优势。随着FPGA（可编程门阵列）硅晶体尺寸和速度的不断提升、编译技术的不断改进以及AMD Torrenza 开放协作平台的推动，可重构计算技术有了宽广的应用领域。比如，据报道典型的可重构产品，Cray 采用AMD皓龙处理器的XD1最近已由美国橡树岭国家实验室（ORNL）将原来的每秒54万亿次处理速度提升到每秒119万亿次。

    最后一个趋势是，个人HPC产品未来将成为当前服务器领域的新宠儿。根据IDC市场调查报告，中小规模集群是整个服务器市场中增长最快的，综合考虑各种用户的需求，个人高性能计算机可以满足10%以上的市场需求。2005年，比尔·盖茨在SC2005大会上预言的1万美元搭建1万亿次的个人HPC，将很快地变为现实，出现在许多用户的桌面。

四核巴塞罗那契合高性能计算发展趋势

    高性能计算 （HPC）新的发展趋势对计算机硬件也提出了更高的要求。AMD即将发布的四核皓龙处理器巴塞罗那在节能和浮点计算能力、以及内存带宽和系统I/O、虚拟化、可重构计算等方面的优异特性，比较好地契合了HPC的发展趋势和应用需求。

    以刀片服务器发展趋势为例，具体到四核处理器技术上，就要求处理器具备更高的每瓦性能，或者说在功耗不变的前提下大幅提升性能，最好还能降低远程监控的资源开销——可以看到，四核巴塞罗那通过增强的PowerNow！、CoolCore和双重动态电源管理等技术实现了极为精确的功耗控制，从而实现了CPU核心从两颗增加为四颗，但功耗不增加，并且性能大幅提升。此外，巴塞罗那还通过LWP（Light-weight Profiling）规范来降低了远程监控的CPU资源消耗，满足了这一大趋势。

    巴塞罗那在节能降耗、虚拟化以及智能缓存方面的特色，也符合绿色计算和可重构计算的趋势。由于巴塞罗那集成了内存控制器，支持功耗较低的DDR2内存，因此在那些需要大容量内存的应用中，采用AMD皓龙和DDR2的服务器节能效果较好。例如，在进行SPECfp_2000_rates测试时，1GB DDR2内存功耗是4.62W，而1GB FB-DIMM内存功耗是12.65W，更重要的是，在服务器处于空闲阶段，前者的功耗只有1.79W，而后者的功耗却是10.42W，而且这一优势还将随着内存规模的扩大而呈线性增加。

    除了刀片服务器，在中端市场上，巴塞罗那也为大SMP服务器的实现提供了技术支撑。例如，曙光早在2005年就通过交叉互连架构实现了支持8颗双核皓龙CPU的天阔A950服务器，而现在通过采用巴塞罗那处理器，能够做到32核的无缝扩展，从而能够帮助国内厂商在那些被国外品牌小型机占据的领域如金融电信获得一定的竞争力。需要知道的是，在中国市场，2007年非x86架构服务器以4.2%的销量份额却占据了49.9%销售收入份额，而这块利润丰厚的市场基本被HP、IBM、Sun等国际厂商把持。

    在虚拟化方面，AMD的快速虚拟化索引技术（Rapid Virtualization Indexing）能够让虚拟机和CPU直接通信，而无须通过传统的Hypervisor层，从而进一步提升虚拟化的性能；而DEV技术和Tagged TLB技术则让虚拟机在物理内存中的寻址和切换效率大幅提升，从而提高虚拟机效率；在缓存方面，巴塞罗那采用共享2MB的三级缓存，可以让多线程调度更加灵活。共享的三级缓存不仅提供了更大缓存的功能，而且也为多个内核之间提供了数据交换的通道，使得核与核之间的带宽更大。

    此外，巴塞罗那具备每瓦性能、128位浮点计算等方面的领先特性，加上AMD大力推广的Torrenza加速计划，使得个人桌面HPC成为可能。基于Torrenza计划对FPGA的深层次发展意义深远，巴塞罗那将会推动芯片级虚拟化技术的进一步发展。

    尤其值得关注的是，通过采用3125颗四核64位2.0GHz 巴塞罗那CPU，就能够构建出Linpack性能达到每秒百万亿次的超级计算机，而且凭借出色的每瓦特GFLOPS性能以及每平方英尺GFLOPS性能等特点，AMD四核技术也为构建千万亿次机提供了基础。据了解，当前包括Cray、IBM、Sun等巨头在内的厂商都有采用四核皓龙巴塞罗那构建千万亿次机的计划。

    AMD巴塞罗那的上述技术特点比较好地契合了高性能计算的发展趋势，我们期待其能够推动国内高性能计算产业的发展。