芯片世界觀 | 拆解式分析AMD新的Zen架構(gòu)EPYC服務(wù)器

AMD 推出了第一代 Epyc 服務(wù)器，這個(gè)全新的服務(wù)器級(jí)處理器系列是基于 Zen 架構(gòu)構(gòu)建。處理器范圍從 8 核 16 線程 120W 芯片 Epyc 7251（運(yùn)行功率 2.1-2.9Hz），到 32 核 64 線程 180W 怪獸級(jí)芯片 Epyc 7601（運(yùn)行功率 2.2-3.2Hz）。

今年早些時(shí)候，AMD 最初透露其服務(wù)器芯片代號(hào)為“那不勒斯”。隨著消息的更新，我們了解到一些新芯片的基礎(chǔ)信息：它將擁有 128 個(gè) PCIe 通道和 8 個(gè) DDR4 內(nèi)存控制器，并支持一個(gè)或兩個(gè)插槽配置?，F(xiàn)在 AMD 正式發(fā)布，產(chǎn)品介紹中包含處理器如何組合在一起，以及它們將提供哪些功能。

所有 AMD 的 Zen 處理器的基本構(gòu)建塊，包括臺(tái)式機(jī)中的 Ryzen 和服務(wù)器中的 Epyc，都是 8 核 16 線程芯片。 Ryzen 處理器中用了一個(gè)；Threadripper 高端臺(tái)式機(jī)桌面處理器用了兩個(gè)；而 Epyc 處理器用了四個(gè)。每個(gè)芯片包括兩個(gè)內(nèi)存控制器、電源管理和一堆 PCIe 通道，最重要的是無(wú)限連接 Infinity Fabric，AMD 的高速互連源自一致的 HyperTransport 技術(shù)。

從我們對(duì) Ryzen 的研究來(lái)看，無(wú)限連接(IF)是用來(lái)連接每個(gè)八核芯片中的兩個(gè)核塊(稱(chēng)為“核心復(fù)合體”，即 CCXes)。IF 同時(shí)也用于連接多芯片模塊(MCM)中的芯片，并在兩個(gè)處理器配置中連接兩個(gè)插槽。

在處理器內(nèi)，每個(gè)芯片有三個(gè) IF 鏈路，一個(gè)到另外三個(gè)芯片。每個(gè)鏈路在每個(gè)方向上運(yùn)行速度高達(dá) 42GB / s。這些鏈接的速度與每個(gè)芯片獨(dú)立支持的 2667MHz DDR4 內(nèi)存的兩個(gè)通道提供的 42GB / s 內(nèi)存帶寬相匹配，這意味著在 Epyc MCM 內(nèi)的任何一個(gè)芯片都可以使用整個(gè)處理器的完整內(nèi)存帶寬而不受制約。訪問(wèn)連接到不同芯片的存儲(chǔ)器將比訪問(wèn)直接連接的存儲(chǔ)器具有更高的延遲，但不會(huì)造成帶寬損失。

在雙插槽配置中，插槽之間有四個(gè) IF 鏈路。一個(gè)插槽中的每個(gè)芯片與另一個(gè)插槽中的芯片配對(duì)，總共四對(duì)，每對(duì)之間有一個(gè) IF 鏈路。這種設(shè)計(jì)意味著訪問(wèn)遠(yuǎn)程存儲(chǔ)器最多具有兩跳帶寬損耗，并且存在數(shù)據(jù)可以從一個(gè)插槽上的芯片移動(dòng)到另一個(gè)芯片的多個(gè)路由。交叉插槽 IF 連接比內(nèi)部連接稍慢，以 38GB / s 的速度進(jìn)行雙向操作。主要是由于這些鏈路具有更高的錯(cuò)誤檢查開(kāi)銷(xiāo)，這占用了一些帶寬。

內(nèi)部和外部 IF 連接均由電源管理。如果鏈路上沒(méi)有太多的帶寬流量，處理器將會(huì)削減其性能，從而減少能耗。不用于連接上的電源就可以用于內(nèi)核的工作，AMD 表示這種電源管理可以提高每瓦 8 個(gè)百分點(diǎn)的性能提升。

每個(gè)處理器提供 128 個(gè) I / O 通道。 在雙插槽配置中，來(lái)自每個(gè)處理器的 64 個(gè)通道用于 IF 連接，總共有 128 個(gè) I / O 通道仍然可用。 因此，單插槽和雙插槽配置都提供幾乎相同的 I / O 選項(xiàng)。 用戶(hù)使用 I / O 通道的主要功能是 PCIe 連接，每個(gè)系統(tǒng)最多可以有八個(gè) PCIe 3.0x16 連接。

雙插槽配置可以細(xì)分為 128 個(gè) PCIe 3.0 x1 鏈接，并且 PCIe 連接的配置具有很高的靈活性。每個(gè)芯片都可以使用八個(gè)鏈接作為 SATA 連接。這是雙插槽系統(tǒng)為您提供更多 I / O 功能的少數(shù)幾個(gè)領(lǐng)域之一;有兩個(gè)插槽，芯片將支持總共 16 個(gè) SATA 連接。

Epyc 被設(shè)計(jì)為系統(tǒng)芯片。通常在主板上需要額外組件的許多功能已經(jīng)集成到 AMD 稱(chēng)為 Epyc 處理器本身的服務(wù)器控制器中心（SCH）中。這包括四個(gè) USB 3.0 控制器、串行端口控制器、時(shí)鐘生成和低速接口，如 I2C。有一個(gè) I / O 組件不在處理器內(nèi)部，那就是以太網(wǎng)。為此，在使用的時(shí)候您還將需要一個(gè) PCIe 卡或主板集成接口。

Epyc 是大號(hào)的 Ryzen 嗎？
在很多方面，Epyc 與擴(kuò)大的 Ryzen 并沒(méi)有很大的不同 ，鑒于共同的架構(gòu)，這一點(diǎn)也令人驚訝。例如，在 Epyc 中就發(fā)現(xiàn)了 Ryzen 以每個(gè)單核為單位單獨(dú)調(diào)整電壓的功能。

當(dāng)然，有一些功能在 Epyc 上得到了提升。像 Ryzen 一樣，Epyc 可以根據(jù)使用水平提升時(shí)鐘速度。例如，最高端的 7601 部分的基本速度為 2.2GHz，全核提升為 2.7GHz，最大提升為 3.2GHz。在 Ryzen 中最大提升是非常有限的，只能達(dá)到 1-2 個(gè)內(nèi)核，Epyc 在 3.2GHz 時(shí)可以達(dá)到 12 個(gè)內(nèi)核。

Epyc 芯片還提供兩種模式，在啟動(dòng)時(shí)設(shè)置，讓您在一致的性能和一致的電源使用之間選擇。在性能模式下，芯片將提供可重復(fù)的、一致的時(shí)鐘速度和提升，根據(jù)需要提高功率。在電源模式下，芯片運(yùn)行將緊緊地貼在電源使用的上限上，如果有必要的話，將會(huì)降低芯片性能。這在臺(tái)式機(jī)芯片上是不可用的，因?yàn)樵谀抢?，功率限制相?duì)較為寬松，并且受到冷卻系統(tǒng)的限制。但是它在密集的服務(wù)器機(jī)架中是有價(jià)值的，在機(jī)房里，機(jī)架的總體功耗通常受到限制。

芯片電源管理還將努力檢測(cè)某些工作負(fù)載模式，并相應(yīng)地降低時(shí)鐘速度。在工作負(fù)載中，對(duì)于一些導(dǎo)致后續(xù)空閑時(shí)間的工作活動(dòng)，Epyc 將在這些活動(dòng)突發(fā)期間降低時(shí)鐘速度。這將使活動(dòng)完成花更長(zhǎng)的時(shí)間，減少空閑時(shí)間。AMD 認(rèn)為這種行為可以達(dá)到電力使用的凈減少，他們認(rèn)為在最大速度下，在空閑期間保存的任何功率都被活動(dòng)突發(fā)期間使用的額外功率所抵消。因此，削減峰值功率消耗將導(dǎo)致電力使用的總體下降，即使核心空閑時(shí)間較短。

在 Epyc 上，AMD 還推出了一些似乎也可以在 Ryzen 中使用的功能（至少有固件選項(xiàng)來(lái)控制它們），在服務(wù)器配置中會(huì)有很大的意義。例如，Epyc 支持加密的系統(tǒng)內(nèi)存。每個(gè)內(nèi)存控制器都有一個(gè)加密引擎，它可以透明地解密和加密從 RAM 讀取和寫(xiě)入的所有內(nèi)容。這可以在兩種模式下運(yùn)行，一種全局模式，其中所有的內(nèi)存都使用由處理器生成的密鑰進(jìn)行加密;另一種是一種軟件控制模式，該模式允許不同虛擬機(jī)的內(nèi)存使用不同的加密密鑰。

Epyc 還支持?jǐn)?shù)據(jù)中毒。通常，當(dāng) ECC 內(nèi)存發(fā)現(xiàn)不可糾正的錯(cuò)誤時(shí)，默認(rèn)的操作系統(tǒng)行為是關(guān)閉整個(gè)機(jī)器。數(shù)據(jù)中毒時(shí)，操作系統(tǒng)可以選擇僅停止包含錯(cuò)誤的進(jìn)程或虛擬機(jī)，從而使機(jī)器的其余部分不受影響。

與目前市場(chǎng)上的 Broadwell Xeons 相比，Epyc 看起來(lái)很有吸引力。它比英特爾的芯片（僅提供 40 個(gè) PCIe 通道）提供了更多的 I / O，并且每個(gè)插槽提供了更多的內(nèi)核。 AMD 的產(chǎn)品線也更加一致，同一組功能在整個(gè)范圍內(nèi)均可用（只有少數(shù)例外，該公司將有三個(gè)單插槽芯片，型號(hào)以 P 結(jié)尾）。

在 AMD 所展示的非常有限的性能測(cè)試中，Epyc 7601 輕松擊敗了一對(duì) Xeon E5-2699A v4 處理器，這是英特爾最快的雙插槽 Xeons 處理器。

但英特爾新一代基于 Skylake SP 核心打造的 Xeons 即將到來(lái)。 AMD 表示，它構(gòu)建 Epyc 不僅僅是為了擊敗 Broadwell，還有 Skylake。這個(gè)比較看起來(lái)有點(diǎn)復(fù)雜。 AMD 肯定會(huì)提供更多的內(nèi)存帶寬， Skylake-SP 只有 6 個(gè)內(nèi)存通道，而 Epyc 有 8 個(gè)，AMD 可能會(huì)提供比 Intel 更多的內(nèi)核和線程。但是，Skylake-SP 的單線程性能優(yōu)于 Zen，英特爾使用單片模塊而不是多芯片模塊，應(yīng)該能讓英特爾的芯片降低對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)時(shí)間。 Skylake-SP 還包括新功能，如 AVX512，可以有效提高數(shù)字處理應(yīng)用程序的工作效率。

這一切將會(huì)如何呈現(xiàn)還有待觀察？直到 Skylake-SP 進(jìn)入市場(chǎng)，我們也沒(méi)有比較兩者的基準(zhǔn)，我們可能會(huì)看到在不同的工作負(fù)載模式下有不同的獲勝者。

不管怎樣，有一件事是明確的：英特爾會(huì)遇到前所未有的競(jìng)爭(zhēng)。 Epyc 可能不是每個(gè)工作負(fù)載的最佳選擇，但它肯定是許多人的正確選擇。雖然定價(jià)尚未公布，但我們預(yù)計(jì) AMD 將繼續(xù)價(jià)格低于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的趨勢(shì)。正如桌面級(jí) Ryzen 處理器所做的那樣，Epyc 正成為服務(wù)器機(jī)房中的一個(gè)選項(xiàng)。

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