Мы внимательно следим за судьбой и развитием архитектуры POWER, которая наряду с ARM представляет определённую угрозу для x86 в сфере серверов и суперкомпьютеров — недаром одна из самых мощных в мире HPC систем, суперкомпьютер Ок-Риджской национальной лаборатории Summit, использует процессоры POWER9.

Ранее ожидалось что по ряду причин выход следующей в семействе архитектуры, POWER10, откладывается до 2021 года, хотя IBM и продвигала активно новые решения вроде универсального стандарта оперативной памяти OMI. Однако официальный анонс IBM POWER10 состоялся сегодня, а немецкий портал Hardwareluxx выложил слайды презентации компании.

Как компания уже отмечала ранее, она делает упор на большие системы и гибридные облака. С учётом этих тенденций и были разработаны новые процессоры. Поскольку в крупных облачных ЦОД упаковка вычислительных плотностей достигает уже невиданного ранее уровня, всё острее встаёт вопрос с энергоэффективностью и отводом тепла. Но именно здесь, как считает IBM, POWER10 и должен показать себя с наилучшей стороны — новые процессоры производятся с использованием 7-нм техпроцесса и могут демонстрировать трёхкратное преимущество в энергоэффективности в сравнении с POWER9.

POWER10 — первый коммерческий процессор IBM, использующий нормы производства 7 нм; любопытно, что теперь Intel отстаёт не только от AMD, которая стала пионером в использовании столь тонкого техпроцесса в «крупных» серверных процессорах, но и от IBM. В отличие от AMD EPYC, производимых на мощностях TSMC, новинки IBM «куются» в полупроводниковых кузнях Samsung. Площадь кристалла, состоящего из 18 миллиардов транзисторов, у новых процессоров достигает 602 мм2, что меньше, чем у новейших графических ядер, но всё равно цифра довольно солидная.

Техпроцесс POWER10 является совместной разработкой Samsung и IBM. В нём реализованы некие особенности, которые, предположительно, должны позитивно сказаться на характеристиках отдельных транзисторов. Не забыта и мода на установку нескольких кристаллов в один корпус: POWER10 доступны как в классическом варианте (SCM), так и в виде сборки из двух кристаллов (DCM), так что для каждого сценария использования можно выбрать подходящий вариант. В варианте SCM тактовая частота ядер составляет 4 ГГц, количество процессорных разъёмов в системе может достигать 16. В версии DCM частота снижена до 3,5 ГГц.

Базовый кристалл POWER10 имеет 16 вычислительных ядер, хотя используется из них только 15, каждое ядро дополнено 2 Мбайт кеша L2, а общий объём кеша L3 может достигать внушительных 120 Мбайт. Степень параллелизма была увеличена с SMT4 до SMT8, так что процессор может исполнять одновременно до 120 потоков, хотя, естественно, не в любой задаче такое распараллеливание ресурсов ядер будет эффективным. Производительность блоков SIMD была существенно увеличена, они вдвое быстрее аналогичных блоков POWER9, а на матричных операциях — быстрее в четыре раза.

За общение процессора с «внешним миром» отвечают интерфейсы PowerAXON 2.0 и PCI Express 5.0, в первом случае поддерживается открытый стандарт OpenCAPI, во втором реализовано 64 линии со скоростью 32 ГТ/с на линию, как и предписано стандартом. Компоновка связей у DCM и SCM разная. В первом случае сокетов может быть только 4, зато используется топология «каждый с каждым», а вот в 16-сокетном варианте SCM «по диагонали» между собой процессоры напрямую не общаются.

Интерфейс PowerAXON универсален, он использовался, в числе прочего, для реализации протокола NVLink для подключения ускорителей на базе графических процессоров NVIDIA. Проблем с пропускной способностью быть не должно, у каждого процессора в системе PowerAXON обеспечивает до 1 Тбайт/с. Кроме подключения ускорителей и общения процессоров между собой, у PowerAXON есть и ещё одно интересное и важное применение, о котором ниже.

О преимуществах унифицированного интерфейса OMI, позволяющего «малой кровью» модернизировать подсистему памяти, мы уже рассказывали читателям ранее. В новом процессоре эти возможности задействованы полностью. Каждый базовый кристалл POWER10 имеет 16 линков OMI x8, общая пропускная способность достигает 1 Тбайт/с. Латентность, разумеется, возросла, поскольку контроллер DDR у OMI, по сути, внешний, но прирост небольшой и составляет менее 10 наносекунд.

Универсальность и возможность модернизации этот недостаток искупают с лихвой. В текущем варианте пиковая пропускная способность достигает 410 Гбайт/с на разъём, объём — 4 Тбайт на разъём, однако с внедрением более быстрых типов памяти (DDR5, GDDR или даже HBM) может быть достигнута цифра 800 Гбайт/с на разъём. Отдельно упоминается возможность работы с SCM, но без конкретики. На данный момент такая память массово представлена только 3D XPoint в виде Intel Optane DCPMM.

Любопытна технология Memory Clustering. С помощью PowerAXON система может обращаться к оперативной памяти в другой системе, как к собственной. Латентность при этом составляет 50 ‒ 100 нс, для систем типа NUMA совсем немного. Общий объем на одну систему POWER10 может достигать 2 Пбайт; с учётом применения систем IBM для запуска таких «пожирателей памяти», как SAP HANA такие объемы очень к месту.

Следуя текущей моде на машинное обучение, разработчики реализовали в POWER10 развитую поддержку форматов вычислений, отличных от традиционных FP32/64. Блок плавающих вычислений в новом процессоре носит название Matrix Math Accelerator. В сравнении с POWER9 он быстрее в 10, 15 и 20 раз в режимах FP32, BFloat16 и INT8 соответственно. Иными словами, именно для инференс-систем POWER10 станет хорошим выбором.

Поскольку одним из применений POWER10 компания видит облачные комплексы, серьёзное внимание уделено обеспечению безопасности. Новые процессоры поддерживают полное шифрование содержимого оперативной памяти, а для ускорения криптографических процедур в их составе есть соответствующие аппаратные блоки, причём не только для широко распространённого стандарта AES. Они достаточно гибки, чтобы поддерживать и шифрование будущего класса quantum safe. Также поддерживается защита и изоляция контейнеров на аппаратном уровне. Успешная атака на один контейнер в пределах машины не означает и успеха с другими контейнерами.

В качестве программной основы IBM предлагает Red Hat OpenShift, и архитектура POWER10 была соответствующим образом оптимизирована, чтобы показывать наилучшие результаты именно с этой средой. В целом, можно уверенно сказать: новые процессоры Голубого Гиганта получились интересными и весьма достойно выглядящими решениями даже на фоне успеха AMD EPYC.

Официальный анонс состоялся сегодня, но развёртывание массового производства должно занять определённое время, так что появления первых серверов на базе IBM POWER10 стоит ожидать не ранее начала следующего, 2021 года. А планы компании говорят о том, что POWER11 уже находится в разработке.

Практически у всех современных процессоров контроллер памяти давно и прочно является частью самого ЦП, будь то монолитный кристалл или чиплетная сборка. Но не всегда подобная монолитность является плюсом — к примеру, она усложняет задачу увеличения количества каналов доступа к памяти.

Таких каналов уже 8 и существуют проекты процессоров с 10 каналами памяти. Но это усложняет как сами ЦП, так и системные платы, ведь только на подсистему памяти, без учёта интерфейса PCI Express, может уйти 300 и более контактов, которые ещё требуется корректно развести и подключить.

Организация подсистемы памяти у POWER8

У IBM есть ответ, и заключается он в переносе части функций контроллера памяти на сторону модулей DIMM. Сам интерфейс между ЦП и модулями памяти становится последовательным и предельно унифицированным. Похожая схема использовалась в стандарте FB-DIMM, аналогичную компоновку применила и сама IBM в процессорах POWER8 и POWER9 в варианте Scale-Up.

Роль и возможности буфера Centaur у POWER8

Контроллер памяти у этих процессоров упрощён, в нём отсутствует контроллер физического уровня (PHY). Его задачи возложены на чип-буфер Centaur, который посредством одноимённого последовательного интерфейса и связывается с процессором на скорости 28,8 Гбайт/с.

Контроллеров интерфейса Centaur в процессорах IBM целых восемь, что дает ПСП в районе 230 Гбайт/с. За счёт выноса ряда функций в чипы-буфера удалось сократить площадь кристалла, и без того немалую (свыше 700 мм2), но за это пришлось заплатить увеличением задержек в среднем на 10 нс. Частично это сглажено за счёт наличия в составе Centaur кеша L4.

Сравнительные размеры модулей Centaur, RDIMM и OMI DDIMM

Стандарт не является открытым, но IBM предлагает ему на смену полностью открытый вариант под названием Open Memory Interface (OMI). В его основу положена семантика и протоколы, описанные в стандарте OpenCAPI 3.1, а физический уровень представлен шиной BlueLink (25 Гбит/с на линию), которая уже используется для реализации NVLink и OpenCAPI.

Реализация OMI проще Centaur, что позволяет сделать чип-буфер более компактным и выделяющим меньше тепла. Но все преимущества сохраняются: так, число контактов процессора, отвечающих за интерфейс памяти, можно снизить с примерно 300 до 75, поскольку посылаются только простые команды загрузки и сохранения данных. Вся реализация физического интерфейса осуществляется силами чипа-компаньона OMI, и в нём же может находиться дополнительный кеш.

Модули OMI DDIMM станут стандартом JEDEC

Помимо экономии контактов есть и ещё одна выгода: можно реализовать любой тип памяти, будь то DDR, GDDR и даже NVDIMM — вся PHY-часть придётся на различные варианты чипов OMI, но со стороны стандартного разъёма любой модуль OMI будет выглядеть одинаково. Сейчас взят прицел на реализацию модулей с памятью DDR5.

При использовании существующих чипов DDR4 система с интерфейсом OMI может достичь совокупной ПСП порядка 650 Гбайт/с. Дополнительные задержки составят 5 ‒ 10 нс для RDIMM и лишь 4 нс для LRDIMM. Из всех соперников технологии на такое способны только сборки HBM, которые в силу своей природы имеют ограниченную ёмкость, дороги в реализации и не могут быть вынесены с общей с ЦП подложки.

Новый стандарт упростит процессоры и позволит увеличить ёмкость подсистемы памяти

Чипы-буферы OMI можно разместить как на модуле памяти, так и на системной плате. Разумеется, для стандартизации выбран первый вариант. В нём предусмотрено 84 контакта на модуль, сами же модули получили название Dual-Inline Memory Module (DDIMM).

DDIMM вышли существенно компактнее своих традиционных собратьев: ширина модуля сократилась со 133 до 85 мм. Реализация буфера OMI ↔ DDR4 уже существует в кремнии: компания Microsemi продемонстрировала чип SMC 1000 (PM8596), поддерживающего 8 линий OMI со скоростью 25 Гбит/с каждая. Допустима также работа в режиме 4 × 1 с вдвое меньшей общей пропускной способностью.

DDIMM: меньше ширина, проще разъём

Со стороны чипов памяти SMC 1000 имеет стандартный 72-битный интерфейс с ECC и поддержкой различных комбинаций DRAM и NAND-устройств. Тактовая частота DRAM — до 3,2 ГГц, высота модуля зависит от количества и типов устанавливаемых чипов.

В случае одиночной высоты модули могут иметь ёмкость до 128 Гбайт, двойная высота позволит создать DDIMM объёмом свыше 256 Гбайт. Сам чип SMC 1000 невелик, всего 17 × 17 мм, а невысокое тепловыделение гарантирует отсутствие проблем с перегревом, свойственных FB-DIMM.

Процессоры IBM POWER9 AIO дополнили существующую серию

Архитектура подсистем памяти у семейства IBM POWER9

Поставки POWER9 AIO начнутся в этом году, цены неизвестны, но с учётом 8 миллиардов транзисторов и кристалла площадью 728 мм2 они не могут быть низкими. Однако без OMI эти процессоры были бы ещё более дорогими. В комплект поставки входит и чип-буфер OMI, правда, не самая быстрая версия с пропускной способностью на уровне 410 Гбайт/с. Задел для модернизации есть, и для расширения ПСП достаточно будет заменить модули DDIMM на более быстрые варианты.

Сравнительная таблица существующих и будущих версий OpenCAPI

Следующее поколение процессоров IBM, POWER10, появится только в 2021 году. К этому времени ожидается принятие стандарта OMI на рынке высокопроизводительных многопроцессорных систем. Попутно IBM готовит новые версии OpenCAPI, не привязанные к архитектуре POWER, а значит, путь к OMI будет открыт и другим вендорам.

Корпорация IBM сообщила, что переводит архитектуру набора команд (ISA) Power в разряд открытых решений. То есть, за неё не нужно будет платить, как это было в последние 6 лет. Отмечается, что с 2013 года действовал консорциум OpenPOWER, который лицензировал связанную с Power интеллектуальную собственность. Но теперь все наработки и патенты будут переданы сообществу безвозмездно.

Сама же организация OpenPOWER Foundation будет переподчинена Linux Foundation, что позволит создать площадку для развития архитектуры без привязки к чипмейкеру или иной компании. Как отмечается, OpenPOWER Foundation включает в себя более 350 компаний, а сообществу передали свыше 3 млн строк кода системных прошивок, спецификаций и схем. Всё это позволит создавать Power-совместимые чипы всем желающим.

pixabay.com

Помимо собственно процессоров, компания передала сообществу и смежные технологии для разработки расширений на основе интерфейсов OpenCAPI (Open Coherent Accelerator Processor Interface) и OMI (Open Memory Interface). Первая технология должна устранить «узкие места» во взаимодействии CPU, GPU, ASIC, а также других чипов и контроллеров. Вторая же должна ускорить оперативную память. Это позволит создавать на базе архитектуры Power специализированные чипы для искусственного интеллекта.

Важно отметить, что процессоры Power позволяют создавать современные серверы и суперкомпьютеры. К примеру, суперкомпьютеры Summit и Sierra работают как раз на таких чипах. А это, на минуточку, первый и второй номера в мировом рейтинге таких систем.

Напомним, на процессорах с архитектурой Power (хотя и специализированных) работали в том числе и консоли Sony PlayStation 3, Xbox 360, а также старые ПК и ноутбуки Apple.

Во вторник, 9 июля, IBM сообщила о закрытии сделки по приобретению Red Hat за $34 млрд. За счёт крупнейшей покупки в своей истории IBM сможет усилить облачный бизнес за счёт акцента на гибридные решения.

О слиянии IBM и Red Hat было объявлено в конце октября 2018 года. Компании заключили соглашение, по условиям которого IBM заплатила из собственных средств по $190 за каждую акцию Red Hat, что на 60 % больше курса котировок за день до исторического анонса.

Генеральный директор Red Hat Джим Уайтхерст (Jim Whitehurst) будет и дальше руководить компанией вместе со своей командой. При этом Уайтхерст будет подчиняться главе IBM Джинн Рометти (Ginni Rometty).

Штаб-квартира Red Hat останется в городе Роли (Северная Каролина, США). Компания, которая стала самостоятельным подразделением IBM, сохранит свои предприятия, бренды и практики.

В пресс-релизе, посвящённом закрытию сделки, говорится, что IBM и Red Hat после объединения будут предлагать «гибридную многооблачную платформу следующего поколения», которая «основана на технологиях с открытым исходным кодом, таких как Linux и Kubernetes».

По прогнозам Red Hat, операционная система Red Hat Enterprise Linux будет способствовать получению различными компаниями по всему миру более $10 трлн совокупной выручки в 2019 году. Ожидается, что к 2023 году в мире появятся 640 тыс. новых рабочих мест, связанных с технологиями Red Hat.

В IBM отметили, что Red Hat продолжит «выстраивать и расширять свои партнёрские отношения, в том числе с такими крупными поставщиками облачных сервисов, как Amazon Web Services, Microsoft Azure, Google Cloud и Alibaba».

В последнем квартале перед закрытием сделки с IBM продажи Red Hat составили $934 млн, что на 15 % больше, чем годом ранее.

Звучит громко, но это именно так. Лаборатория Air Force Research Laboratory (AFRL) в городе Ром, штат Нью-Йорк, получила в своё распоряжение самый большой в мире компьютер по числу задействованных в системе нейроморфных процессоров IBM TrueNorth. Система представлена полочными компьютерами высотой 4U (7 дюймов) для стандартной серверной стойки. Каждый компьютер располагает 64 процессорами IBM TrueNorth. В пересчёте на человеческие в буквальном смысле единицы измерения мозга — это 64 млн нейронов и 16 млрд синапсов. Всего в стойке может разместиться 512 млн цифровых нейронов. Примерно столько нейронов в коре головного мозга собаки.

AFRL

Система под именем «Blue Raven» на базе IBM TrueNorth для Лаборатории ВВС США представлена пока 64-процессорным решением с общим потреблением 40 Вт. Это, кстати, в 4 раза больше ожидаемого. Аналогичный 16-процессорный компьютер, переданный в 2016 году Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, потреблял всего 2,5 Вт или 156 мВт на один процессор. Возможно таким образом была повышена производительность системы, которая при потреблении 70 мВт способна работать с производительностью 46 млрд синаптических операций в секунду.

IBM

По оценкам IBM, работа процессоров TrueNorth с необозначенным датасетом на CIFAR-100 по распознаванию наборов изображений характеризуется производительностью свыше 1500 кадров в секунду с потреблением 200 мВт или свыше 7000 кадров в секунду на ватт. Ускоритель NVIDIA Tesla P4 (Pascal GP104), например, обрабатывает датасет Resnet-50 с производительностью 27 кадров в секунду на ватт.

Структура процессора IBM TrueNorth

Вообще, в Лаборатории AFRL, похоже, работают увлечённые люди. Новым проектом «Blue Raven» руководит тот же человек (Mark Barnell), который несколько лет назад отметился запуском суперкомпьютера Condor Cluster на базе сотен игровых консолей Sony PlayStation 3. Какими расчётами в AFRL будет заниматься суперкомпьютер с «мозгами» не уточняется. Пока учёные будут изучать круг задач, решаемый подобными системами. Ожидается, что принятая на «вооружение» научным отделом ВВС США вычислительная система обеспечит дальнейшее приоритетное развитие технологий в этой стране.

IBM представила свой первый собственный сервер на процессоре POWER9. Особенность решения под названием IBM Power Systems AC922 заключается в том, что новая аппаратная платформа разработана специально для работы с интенсивными вычислительными нагрузками технологий искусственного интеллекта (ИИ).

CPU IBM POWER9

В IBM отмечают, что Power 9 позволяет ускорить тренировки фреймворков глубинного обучения обучения почти в четыре раза, благодаря чему клиенты смогут быстрее создавать более точные ИИ-приложения. Утверждается, что новый сервер разработан для получения значительных улучшений производительности всех популярных фреймворков ИИ, таких как Chainer, TensorFlow и Caffe, а также современных баз данных, использующих ускорители, например, Kinetica.

Сервер IBM Power System AC922

Сервер IBM Power Systems AC922 использует шину PCI-Express 4.0 и технологии NVIDIA NVLink 2.0 и CAPI 2.0/OpenCAPI, способные ускорить пропускную способность в 9,5 раза по сравнению с системами x86 на базе PCI-E 3.0. Это, в частности, позволяет задействовать ускорителям (GPU или FPGA) системную ОЗУ без значительных, по сравнению с прошлыми решениями, потерь производительности, что важно для обработки больших массивов данных. Кроме того, новые поколения карт расширения и ускорителей уже поддерживают эту шину.

IBM Power Systems AC922 создан в нескольких конфигурациях, оснащаемых двумя процессорами POWER9. Стандартные версии включают CPU c 16 (2,6 ГГц, турбо 3,09 ГГц) и 20 (2,0/2,87 ГГц) ядрами (4 потока на ядро), а позже появятся версии с 18- и 22 -ядерными процессорами. Всего в сервере есть 16 слотов для модулей ECC DDR4-памяти, что на текущий момент позволяет оснастить его 1 Тбайт RAM. Для хранения данных предусмотрено два слота для 2,5" SSD/HDD (RAID-контроллера нет).

AC922 может иметь на борту от двух до четырёх ускорителей NVIDIA Tesla V100 форм-фактора SXM2 с памятью 16 Гбайт и шиной NVLink 2.0. В сумме они дают до 500 Тфлопс на расчётах половинной точности. Дополнительные ускорители можно подключить к слотам PCI-E 4.0.

Сервер рассчитан на установку четырёх дополнительных низкопрофильных карт расширения: два слота PCI-E 4.0 x16, один PCI-E 4.0 x8 и один PCI-E 4.0 x4. Все слоты, кроме последнего, также умеют работать с CAPI. Также есть два порта USB 3.0. Поддерживается ОС Red Hat Enterprise Linux 7.4 for Power LE.

Процессоры IBM Power 9, которые нашли применение в IBM Power Systems AC922, легли в основу суперкомпьютеров Summit и Sierra Министерства энергетики США, а также используются компанией Google. Чипы и использующие их системы стали частью совместной работы участников организации OpenPower Foundation, в которую входят IBM, Google, Mellanox, NVIDIA и др.

Процессор IBM Power 9

«Мы создали уникальную в своём роде систему для работы с технологиями ИИ и когнитивными вычислениями, — говорит старший вице-президент подразделения IBM Cognitive Systems Боб Пиччиано (Bob Picciano). — Серверы на Power 9 являются не только основой самых высокопроизводительных компьютеров, они позволят заказчикам масштабировать невиданные ранее инсайты, что будет способствовать научным прорывам и революционным улучшениям бизнес-показателей».

Сервер имеет стандартное 2U-шасси и оснащается двумя (1+1) блоками питания мощностью 2,2 кВт каждый. Система охлаждения может быть гибридной. Начало продаж IBM Power Systems AC922 намечено на 22 декабря 2017 года. В 2018 году будут доступны конфигурации с шестью ускорителями Tesla и СЖО.

Корпорация IBM на конференции Hot Chips 28 в Купертино (Калифорния, США) раскрыла довольно подробную информацию о мощных процессорах Power9, которые выйдут на рынок в следующем году.

Итак, сообщается, что чипы будут изготавливаться по 14-нанометровой технологии FinFET. Они получат 120 Мбайт кеша третьего уровня и смогут работать с буферизированными и не буферизированными модулями памяти DDR4.

Корпорация IBM готовит несколько модификаций Power9. В частности, говорится об изделиях с 12 вычислительными ядрами, каждое из которых сможет одновременно обрабатывать восемь потоков инструкций. Такие процессоры будут ориентированы прежде всего на системы с виртуализацией.

Кроме того, будут выпущены чипы с 24 вычислительными ядрами с поддержкой одновременной обработки четырёх потоков инструкций. Эти решения найдут применение в различных Linux-платформах.

Отмечается, что в Power9 будут реализованы улучшенные средства предсказания ветвлений, что позволит поднять скорость вычислений. Кроме того, говорится о реализации новых инструкций для поддержки будущих перспективных технологий и о 48 линиях PCI Express 4.0.

В общей сложности процессоры получат до 8 млрд транзисторов. Они обеспечат существенный прирост производительности по сравнению с изделиями предыдущего поколения.