Intel Sierra Forest: núcleos Xeon-E para cargas de trabalho paralelas em servidores

Sierra Forest na família Xeon

Intel Sierra Forest é um nome de código para os processadores de servidor Xeon 6 com Núcleos eficientes (E-Cores). A lista de produtos analisada inclui modelos com 64 a 144 núcleos, entre os quais se encontram os processadores da série 6700E. A Intel destina esta versão, nomeadamente, a aplicações na nuvem e de expansão horizontal, nas quais é possível processar muitas tarefas em paralelo.

Para a escolha de um processador de servidor, o nome de código é, por isso, um ponto de partida, mas não uma especificação completa. Os modelos dentro da gama diferem, entre outros aspetos, no número de núcleos, na frequência de clock e na conceção térmica. A combinação mais adequada depende da quantidade de trabalho utilizável em simultâneo que uma aplicação proporciona e dos limites impostos pelo respetivo sistema de servidor.

Por outro lado, Granite Rapids designa outra linha de produtos Xeon 6 com núcleos de desempenho (P-Cores). Constitui uma opção a considerar quando o desempenho de núcleos individuais ou determinadas extensões do conjunto de instruções são particularmente importantes. No entanto, a classificação como P-Core ou E-Core, por si só, não determina ainda o resultado para uma aplicação concreta.

A Clearwater Forest deve ser considerada como a próxima geração de E-Cores e Xeon 6+, distinta da Sierra Forest. A indicação de que a família Xeon pode ter até 288 E-Cores não constitui uma especificação geral para o Sierra Forest. Quem comparar ofertas deve, por isso, verificar a designação concreta do modelo e as suas características, em vez de assumir um valor máximo de outra geração.

Muitos núcleos eletrónicos para trabalho em paralelo

O Sierra Forest utiliza uma arquitetura modular com vários chips: os módulos de computação e de E/S estão reunidos no mesmo pacote do processador. Os blocos de computação fornecem os núcleos para o processamento; a parte de E/S estabelece as ligações à plataforma. Para a aplicação, o que importa não é tanto o número de blocos, mas sim se o seu trabalho pode ser distribuído pelos núcleos disponíveis.

Muitos núcleos podem processar, por exemplo, várias solicitações Web independentes ou tarefas em segundo plano em simultâneo. O Rendimento descreve, neste contexto, a quantidade de trabalho concluído por unidade de tempo, por exemplo, o número de pedidos respondidos com sucesso por segundo. Se este valor aumentar, isso não significa automaticamente que cada pedido seja respondido mais rapidamente.

Para isso, a latência é determinante: refere-se ao tempo necessário para uma única consulta ou operação. Se vários serviços estiverem à espera da mesma base de dados ou de uma memória sobrecarregada, os núcleos de CPU adicionais podem, embora, assumir mais trabalho, mas não conseguem, por si só, eliminar o tempo de espera. Por isso, especialmente em picos de carga, é necessário ter em conta não só a taxa de transferência, mas também o tempo de resposta.

Em Expansão horizontal O trabalho é distribuído por várias instâncias ou servidores. Desta forma, várias instâncias de serviço de pequena dimensão podem funcionar em paralelo, desde que sejam suficientemente independentes e que os recursos partilhados não se tornem um estrangulamento. Por outro lado, uma única tarefa serial não se torna automaticamente mais rápida com núcleos adicionais não utilizados; as suas etapas sucessivas continuam a depender umas das outras.

A distribuição entre limites de processos ou servidores não é comparável à estrutura de uma CPU. O artigo complementar sobre Computação em enxame e colaboração descentralizada aborda outro conceito de sistemas distribuídos. Para a Sierra Forest, o que é decisivo é saber se o software em questão gera tarefas que possam ser executadas em paralelo em número suficiente para os núcleos disponíveis.

Núcleos E, núcleos P e compatibilidade de software

O Sierra Forest e a versão P-Core do Xeon 6 fazem parte do mundo x86. Isso simplifica a classificação básica do software existente, mas não significa que ambos os tipos de processador suportem todas as extensões da mesma forma ou atinjam o mesmo desempenho na mesma aplicação. Para uma migração, é, por isso, necessário verificar tanto os programas executáveis como os seus requisitos reais.

A Intel refere, entre outros, para os núcleos Xeon 6-E: AVX2 e VNNI. Estas extensões do conjunto de instruções podem suportar determinados cálculos; o facto de uma aplicação as utilizar e tirar partido delas depende do seu código e das suas bibliotecas. A sua mera existência não permite, portanto, fazer qualquer afirmação sobre o débito que um serviço pode atingir.

No Xeon 6, é AVX-512 segundo a Intel, reservada aos processadores P-Core. Se um programa exigir obrigatoriamente esta extensão, isso constitui um critério de compatibilidade imediato contra a execução inalterada no Sierra Forest. Se utilizar o AVX-512 apenas de forma opcional, poderá eventualmente funcionar com outro caminho de código; no entanto, o seu desempenho terá de ser avaliado separadamente.

Por isso, antes de mudar de plataforma, verifica não só a aplicação principal, mas também o seu ambiente de execução e as bibliotecas que exigem grande capacidade de processamento, para avaliar os seus requisitos de CPU. A documentação do fabricante e as versões de software efetivamente utilizadas são, para este efeito, mais importantes do que a suposição de que qualquer pacote x86 oferece o mesmo conjunto de funcionalidades em qualquer variante do Xeon.

Além disso, o teste de compatibilidade apenas indica se o software pode ser executado. Só uma comparação com a aplicação real e com o equipamento de servidor adequado permite determinar se uma configuração E-Core consegue realizar o trabalho necessário, tendo em conta o objetivo de latência definido. Para tarefas fortemente seriais ou que exigem um uso intensivo de AVX-512, um sistema P-Core constitui, por isso, uma base de comparação importante, mas não é automaticamente a melhor opção.

Comparar modelos, memórias e ligações

Na Sierra Forest, o número do modelo é mais revelador do que apenas o número de núcleos. Para uma pré-seleção, podem ser considerados, por exemplo, os modelos 6710E, 6756E, 6766E e 6780E. Além dos núcleos e dos threads, compare também a frequência de base e a frequência turbo, bem como o respetivo perfil de desempenho: o mesmo número de núcleos não indica, por si só, quanta margem térmica um servidor tem de disponibilizar.

O Xeon 6780E possui 144 núcleos e 144 threads. A Intel indica para este processador uma frequência base de 2,2 GHz e até 3,0 GHz em modo Turbo; o TDP de 330 W refere-se ao perfil de servidor especificado. A frequência máxima do Turbo não é um valor contínuo garantido para todos os núcleos e em todas as situações de funcionamento. No caso do 6766E, bem como do 6710E e do 6756E, deve verificar separadamente os dados relativos à frequência e ao perfil na comparação de produtos antes de fazer a sua escolha.

A diferença entre os dois modelos de 144 núcleos diz, portanto, respeito também à conceção do sistema de refrigeração e da alimentação elétrica. No entanto, a partir apenas dos valores de TDP, não é possível determinar nem o consumo medido nem o desempenho de uma aplicação. O que é decisivo é saber qual dos modelos realiza o trabalho necessário dentro dos limites de desempenho previstos e com a carga real.

No caso do 6780E, a Intel menciona oito Canais de armazenamento, no máximo DDR5-6400, até 88 pistas PCIe 5.0 e compatibilidade com sistemas de dois soquetes. Para saber qual a velocidade de memória efetivamente suportada com a configuração de DIMMs prevista, deve verificar as especificações do sistema de servidor em questão e dos módulos de memória selecionados.

Dimensionar o alojamento e as máquinas virtuais

Muitas instâncias web independentes podem tirar partido do elevado número de núcleos, desde que sejam efetivamente processadas um número suficiente de pedidos em simultâneo. No entanto, para efeitos de planeamento, o que conta não é apenas o número de instâncias instaladas, mas sim o número de serviços ativos em simultâneo, tendo em conta um objetivo de tempo de resposta definido. Um servidor pode apresentar capacidade de CPU disponível e, mesmo assim, não atingir a meta se as solicitações estiverem em espera na memória ou no armazenamento.

Por isso, comece por estimar a memória de trabalho por instância, incluindo a aplicação, a cache e a parte do sistema operativo. Em seguida, tenha em conta os picos de carga e as reservas para manutenção ou para o caso de falha de um anfitrião. Se a capacidade da memória de trabalho deixar de ser suficiente antes do poder de processamento, um maior número de núcleos, por si só, não ajudará na consolidação pretendida.

A E/S de armazenamento também influencia a densidade alcançável: quando muitas instâncias lêem, escrevem ou geram registos em simultâneo, podem surgir filas de espera. Por isso, em condições realistas de simultaneidade, verifica não só a taxa de transferência média, mas também as consultas mais lentas. Uma meta p99 descreve, por exemplo, o tempo de resposta que pelo menos 99 por cento das consultas em análise devem respeitar.

No caso das máquinas virtuais, uma vCPU Em primeiro lugar, trata-se de uma unidade de execução virtual, não de uma reserva automática de um núcleo físico. Se várias máquinas virtuais partilharem os mesmos recursos, o tempo de computação disponível e os tempos de resposta dependem também da sua atividade simultânea e das configurações do hipervisor. Por isso, planeie as reservas e o sobrelotamento com base nos requisitos de cada serviço.

Para um servidor de dois soquetes com o 6780E, deves também considerar a Topologia NUMA Verificar: os acessos à memória podem depender do soquete ao qual a memória está ligada e do local onde a VM está a ser executada. Verifique a configuração e a localização da memória no hipervisor e compare os acessos locais com os remotos sob carga. O suporte a dois soquetes da Intel não substitui a aprovação do servidor e do hipervisor específicos para a CPU selecionada.

Comparar perfis de carga de forma prática

O planeamento de medições começa com uma decisão concreta: quantos «workers» em fila de espera ou pedidos de rede processa a nova configuração, mantendo a mesma qualidade de serviço, em comparação com o servidor existente ou com um sistema P-Core? Para tal, defina a mesma aplicação, o mesmo volume de dados e a mesma simultaneidade para ambos os candidatos. O procedimento que se segue é uma recomendação metodológica própria, não sendo um procedimento de teste documentado pela Intel nem uma descrição de um teste realizado.

No caso dos «Workers», o teste deve incluir tarefas independentes suficientes para que os núcleos adicionais possam, de facto, ser utilizados. Registe as tarefas concluídas por período de tempo e o tempo até à conclusão; observe também se a base de dados, o armazenamento ou as interfaces externas limitam o processo. Uma única tarefa em série não é adequada como base exclusiva para a avaliação de uma plataforma concebida para o paralelismo.

Para uma comparação própria dos serviços de rede, registe também o tamanho dos pacotes, a encriptação, as placas de rede e os controladores. Caso a aplicação deva utilizar aceleradores, verifique a sua disponibilidade para a configuração específica da CPU e do servidor, bem como a compatibilidade com o software utilizado. Em seguida, compare, sob a mesma carga, se a sua utilização traz alguma vantagem, em vez de deduzir isso apenas a partir das especificações técnicas.

Defina antecipadamente um Meta de latência p95 ou p99 Aplique uma carga constante e aumente-a em etapas graduais e compreensíveis. Registe, ao mesmo tempo, o débito e a taxa de erros, juntamente com a latência: um maior número de pedidos por segundo não constitui um resultado equivalente se, ao fazê-lo, for excedido o tempo de resposta acordado ou se os erros aumentarem. Repita esta análise também para os picos de carga previstos.

Mede a potência elétrica do Sistema global em modo de inatividade, bem como em carga parcial e de pico. Registe a configuração do hardware, o firmware, o perfil de desempenho, as versões de software e a duração da medição, para que as diferenças não sejam atribuídas inadvertidamente apenas à CPU. A partir do trabalho realizado e da energia necessária para o mesmo, é possível comparar posteriormente o trabalho por unidade de energia, desde que a qualidade do serviço se mantenha igual.

Classificar as necessidades energéticas e os custos

A indicada TDP trata-se de um valor nominal do processador, não de uma medição do servidor na sua totalidade. No caso do Xeon 6780E, a Intel indica um TDP de 330 watts para o perfil de servidor especificado. A partir disso, não é possível determinar diretamente nem o consumo energético real para uma determinada carga, nem os custos de eletricidade.

Para uma comparação fiável, o que conta é o consumo de energia elétrica de todo o sistema, incluindo a memória, as unidades de disco e as placas de rede. Este valor varia consoante a carga. Por isso, efetue a medição durante um período de tempo representativo e registe tanto o estado de inatividade como as condições de carga típica e elevada; um único valor de pico descreve o funcionamento de forma incompleta.

O Trabalho por unidade de energia pode ser expresso, por exemplo, como o número de pedidos concluídos com sucesso dividido pela necessidade energética medida. Nesse contexto, compare apenas trabalhos que cumpram os mesmos requisitos: um maior rendimento tem pouco valor se a taxa de erros ou os tempos de resposta excederem a meta acordada. Também o volume de dados e a evolução da carga devem ser comparáveis.

Para que seja rentável, nem mesmo esta proporção é suficiente. É necessário calcular os custos de eletricidade e refrigeração juntamente com o espaço de rack, a aquisição de hardware, a manutenção e as licenças de software. Especialmente no caso de modelos de licença baseados no número de núcleos, um número elevado de núcleos pode alterar o cálculo; o que é determinante são as condições contratuais concretas, e não uma regra de licenciamento hipotética.

Além disso, uma consolidação implica esforços de migração: é necessário verificar as aplicações, transferir dados e adaptar os procedimentos operacionais. Compare estes custos pontuais e os possíveis riscos de inatividade com os custos correntes. A continuação da utilização dos servidores existentes continua a ser uma opção a considerar, desde que a sua capacidade útil e os custos operacionais sejam suficientes para o período previsto.

Verificar o funcionamento, o firmware e os pontos de estrangulamento

Se o Latência de cauda, comece por identificar o momento e a cadeia de pedidos em causa. Verifique se, ao mesmo tempo, a taxa de erros, as filas de espera ou o número de pedidos em paralelo estão a aumentar. Uma latência p99 elevada significa que os pedidos mais lentos podem ficar fora do intervalo de tempo desejado; a média, por si só, pode não revelar este problema.

Em seguida, analise a utilização da CPU e a distribuição da carga de trabalho. Uma utilização globalmente baixa não exclui a existência de um gargalo em threads individuais. Por outro lado, se muitos núcleos estiverem ocupados, verifique se existem tarefas independentes suficientes ou se a sincronização e os tempos de espera estão a limitar o rendimento adicional.

Num sistema de dois soquetes, a Local de armazenamento Para a resolução de problemas: Verifique a atribuição NUMA dos processos ou das máquinas virtuais e da respetiva memória. O Xeon 6780E suporta sistemas de dois soquetes; no entanto, o facto de a localização específica ser vantajosa para uma aplicação depende também do servidor e das definições do hipervisor.

Se a causa permanecer desconhecida, analise as E/S de memória e de armazenamento, bem como os percursos de rede e os serviços externos. Respostas atrasadas da base de dados ou ligações de rede sobrecarregadas podem prolongar as consultas, mesmo que a CPU do servidor não esteja permanentemente a funcionar a plena capacidade. Compare os valores medidos ao longo do tempo com as consultas lentas, em vez de assumir precipitadamente que o número de núcleos é a causa.

Antes da aquisição e da implementação, verifique a lista de CPUs compatíveis do fabricante do servidor, o soquete, a versão de BIOS necessária e a compatibilidade com o hipervisor. A Intel indica o LGA4710-2 para a série 6700E e o LGA7529-1 para a série 6900P; no entanto, não se pode deduzir daí uma intercambiabilidade geral entre as séries Xeon.

Consulte também a atualização das especificações relativa à série de processadores utilizada. Verifique as erratas e esclarecimentos relevantes em relação ao stepping específico e à versão do firmware e, se for o caso, tenha em conta as soluções documentadas. Desta forma, a aprovação do sistema global é complementada com as restrições técnicas conhecidas.

Escolher a plataforma de servidor adequada

A escolha começa pela aplicação, e não pelo valor mais elevado indicado na ficha técnica. A Intel posiciona os núcleos Xeon 6-E para uma elevada densidade de núcleos e um débito paralelo em tarefas, enquanto os núcleos P são posicionados para um elevado desempenho por núcleo. No entanto, isso ainda não determina qual a plataforma que satisfaz o teu objetivo de latência e os teus requisitos de capacidade.

Utiliza a tabela como ponto de partida para um Comparação com a mesma qualidade de serviço, e não como uma tabela de classificação de desempenho. A metodologia de seleção que se segue é uma recomendação própria e não um procedimento de teste documentado pela Intel: compare a plataforma existente, uma configuração adequada do Sierra Forest e, se for o caso, um sistema P-Core com os mesmos requisitos em termos de tempo de resposta, taxa de erros e volume de dados. Documente a configuração de cada um e determine o trabalho útil do sistema completo.

Também Servidores baseados em ARM constituem uma possível opção de comparação. Para tal, o sistema operativo, as aplicações e os pacotes de software necessários têm de ser compatíveis com a arquitetura; além disso, a portabilidade e o funcionamento podem exigir alterações. A designação da arquitetura, por si só, não implica necessariamente uma vantagem geral em termos de eficiência, devendo esta ser avaliada nas mesmas condições de carga.

Por fim, escolha a plataforma que forneça a capacidade necessária com reserva suficiente e as condições de funcionamento adequadas, ao custo total mais baixo. Tenha em conta a migração e as licenças e, se for caso disso, avalie os riscos e as necessidades de espaço. Um maior número de núcleos é um critério de seleção, mas não substitui nem os testes de aplicações nem a análise de custos.