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从 CPU、内存和 I/O 深度理解 IA 架构
服务器
从性能角度来看,处理器、内存和 I/O 这三个子系统在服务器中是最重要的,
它们也是最容易出现性能瓶颈的地方。目前市场上主流的服务器大多使用英特
尔 Nehalem、Westmere 微内核架构的三个家族处理器:Nehalem-
EP,Nehalem-EX 和 Westmere-EP。下表总结了这些处理器的主要特性:
Nehale
m-EP
Westmer
e-EP
Nehale
m-EX
Nehale
m-EX
商业名称 至强 5500 至强 5600 至强 6500 至强 7500
支持的最插座数
2 2 2 8
每插座最大核心
数
4 6 8 8
每插座最大线程
数
8 12 16 16
MB 缓存 (3 级)
8 12 18 24
最大内存
DIMM
数
18 18 32 128
在本文中,我们将分别从处理器、内存、I/O 三大子系统出发,带你一起
来梳理和了解最新英特尔架构服务器的变化和关键技术。
一、处理器的演变
现代处理器都采用了最新的硅技术,但一个单 die(构成处理器的半导体材
料块)上有数百万个晶体管和数兆存储器。多个 die 组织到一起就形成了一个硅
晶片,每个 die 都是独立切块,测试和用陶瓷封装的,下图显示了封装好的英
特尔至强 5500 处理器外观。
图 1 英特尔至强 5500 处理器
插座
处理器是通过插座安装到主板上的,下图显示了一个英特尔处理器插座,
用户可根据自己的需要,选择不同时钟频率和功耗的处理器安装到主板上。
图 2 英特尔处理器插座
主板上插座的数量决定了最多可支持的处理器数量,最初,服务器都只有
一个处理器插座,但为了提高服务器的性能,市场上已经出现了包含 2,4 和 8
个插座的主板。
在处理器体系结构的演变过程中,很长一段时间,性能的改善都与提高时
钟频率紧密相关,时钟频率越高,完成一次计算需要的时间越短,因此性能就
越好。随着时钟频率接近 4GHz,处理器材料物理性质方面的原因限制了时钟
频率的进一步提高,因此必须找出提高性能的替代方法。
核心
晶体管尺寸不断缩小(Nehalem 使用 45nm 技术,Westmere 使用
32nm 技术),允许在单块 die 上集成更多晶体管,利用这个优势,可在一块
die 上多次复制最基本的 CPU(核心),因此就诞生了多核处理器。
现在市场上多核处理器已经随处可见,每颗处理器包含多个 CPU
核心(通
常是 2,4,6,8 个 ),每个核心都有一级缓存(L1),通常所有的核心会共享
二级(L2)、三级缓存(L3)、总线接口和外部连接,下图显示了一个双核心的
CPU
架构。
图 3 双核心 CPU
架构示意图
现代服务器通常提供了多个处理器插座,例如,基于英特尔至强 5500 系
列(Nehalem-EP)的服务器通常包含两个插座,每个插座四个核心,总共可容
纳八个核心,而基于英特尔至强 7500 系列(Nehalem-EX)的服务器通常包含
八个插座,每个插座八个核心,总共可容纳 64 个核心。
下图显示了更详细的双核处理器架构示意图,CPU
的主要组件(提取指令,
解码和执行)都被复制,但系统总线是公用的。
图 5 进程和线程的关系
进程可以是单线程也可以是多线程的,单线程进程同一时间只能在一个核
心上执行,其性能取决于核心本身,而多线程进程同一时间可在多个核心上执
行,因此它的性能就超越了单一核心上的性能表现。
因为许多应用程序都是单线程的,在多进程环境中,多插座、多核心的架
构通常会带来方便,在虚拟化环境中,这个道理一样正确,Hypervisor 允许
在一台物理服务器上整合多个逻辑服务器,创建一个多进程和多线程的环境。
英特尔超线程技术
虽然单线程不能再拆分到两个核心上运行,但有些现代处理器允许同一时
间在同一核心上运行两个线程,每个核心有多个并行工作能力的执行单元,很
难看到单个线程会让所有资源繁忙起来。
下图展示了英特尔超线程技术是如何工作的,同一时间在同一核心上有两
个线程执行,它们使用不同的资源,因此提高了吞吐量。
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weichushun
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