Серверные процессоры | Введение
За десятилетия, что миновали с момента появления первых мэйнфреймов, компьютерная индустрия создала сотни серверных процессоров. Эти чипы управляют самыми большими системами и используют инновации, которые позже перенимаются в других сегментах. Сегодня мы предлагаем вам ознакомиться с семидесятилетней историей развития этой индустрии и представляем самые значимые из когда-либо выпущенных процессоров, а также кратко расскажем об их происхождении и основных особенностях.
Серверные процессоры | 1941-1959 – первые мэйнфреймы
Очень интересно провести линию от современных компьютерных процессоров до электромеханической системы Z3 Конрада Цузе (Konrad Zuse) 1941 года. Через пять лет после её появления в свет вышла огромная система ENIAC (на фотографии, 1946 год), которая использовала 17.468 ламп, 7.200 кристаллических диодов, 1.500 реле, 70.000 резисторов, 10.000 конденсаторов и приблизительно 5 миллионов вручную припаянных соединений. Первый коммерческий компьютер под названием UNIVAC, созданный в США в 1952 году, работал на частоте 2,25 МГц. В 1954 году Bell Labs представила первый полностью транзисторный компьютер (TRADIC). Самым известным из ранних транзисторных компьютеров был IBM 7090 1959 года, его можно считать первым современным мэйнфреймом. Он предлагал адресное пространство в 32.768 слов и продавался по цене 2,9 миллионов долларов или 22,8 миллионов в современном эквиваленте.
Серверные процессоры | 1964/1965 год: IBM System/360 и M65MP
Компания IBM представила культовую серию System/x с System/360 в 1964 году. Эта серия поддерживается и сегодня в 64-битной архитектуре zSeries, премьера которой состоялась в 2000 году. Серия System также включает System/370, появившуюся в 1970 году и System/390 – в 1990 году. Первый процессор для System/360 назывался M65MP (Model 65), он был представлен в 1965 году. Процессор был оснащён 16-ю 32-битными общецелевыми регистрами и поддерживал 24-битные адреса команд. Максимальная производительность составляла 750.000 операций сложения в секунду. Серия IBM System/370, анонсированная в 1970 году, пришла с процессорами Model 155 и 165 со временем цикла 80 и 115 наносекунд (цикл – это время необходимое на выполнение команды). System/370 сильно эволюционировала в сериях 303x, 43xx, 308x, 3090 и 937x, последняя из которых появилась в 1988 году. В более поздних моделях время цикла уменьшилось до 68 наносекунд, а объём адресуемой памяти составил 32 Мбайта. Серия System S/390 могла комплектоваться 18-ю различными моделями процессоров ES/9000, восемь из них имели жидкостное охлаждение и поддерживали до 1 Гбайт памяти. В 2000 году модельный ряд эволюционировал до zSeries. Сегодня IBM предлагает флагманский 45-нанометровый мэйнфреймовый серверный процессор z196 с 1,4 миллиардами транзисторов и тактовой частотой 5,2 ГГц.
Серверные процессоры | 1979 год: Motorola 68000
68000 был первым членом семейства процессоров Motorola m68k. Архитектура CISC нашла применение преимущественно в рабочих станциях, включая такие системы как Sun-1 и Silicon Graphics Iris 1000, которые работали на частоте 10 МГц, как и сервер Sun 150U, заложивший основу для серверной компании Sun. Последующие модели стали конкурировать с процессорами x86 и использовались в системах Apple Macintosh и Commodore Amiga. m68k по-прежнему применяется в различных интегрированных решениях. Sun продолжает использовать серверный процессор, особенно 68010 и 68020 для серверов Sun-2 и Sun-3 в версиях на 12,5 МГц и 33 МГц.
Серверные процессоры | 1985 год: MIPS R2000
R2000 был первым процессором компании MIPS с набором команд MIPS I и, в целом, первым RISC-процессором, доступным в продаже. В то время пока разворачивалась конкурентная борьба с Motorola m68K и процессорами Intel 386 в сфере мини компьютеров, MIPS R2000 и R3000 нашли своё место в серверах Digital Equipment и суперкомпьютере Kendall Square Research. Представленная в 1991 году модель R4000 стала первым 64-разрядным процессором. SGI поглотила MIPS в 1992 году.
Серверные процессоры | 1985 год: ARM1
ARM – новый многообещающий игрок в области серверов, чья история начинается в 1985 году с процессора, произведенного VLSI. В те времена компания под названием Acorn продавала компьютер Acorn RISC Machine (ARM). Подразделение ARM для разработки RISC-процессоров было создано в 1990 году, и первое ядро ARM6 увидело свет в 1991 году (базировалось на архитектуре ARMv3), которое, кстати, широко использовалось Apple в своих продуктах начиная с Newton Message Pad. Существующее семейство ARM-процессоров Cortex основано на ядре ARMv7. Хотя до сих пор компании ARM удалось лицензировать более 20 миллиардов произведённых процессоров ARM, до серверов они ещё не добрались. В 2013 или 2014 году ожидаются первые серверы ARM с поддержкой 64-разрядных систем на базе новой архитектуры ARMv8.
Серверные процессоры | 1987 год: Sun Sparc
Sun представила первый процессор Sparc (Scalable Processor Architecture) в 1986 году, но архитектура команд была разработана годом ранее. Первым коммерческим CPU стал Sparc v7 — 32-разрядный RISC-процессор, заменивший серию Motorola 68000 и дебютировавший в рабочей станции Sun-4. Первая версия выполняла до 10 миллионов команд в секунду (MIPS) и была примерно в три раза быстрее лучших CISC-процессоров, доступных в 1987 году. Изначально Sparc v7 имел CMOS-массив из 20.000 транзисторов размером 1,3 микрон и частотой 16,67 МГц, а максимальная производительность достигала 3 MFlops. Это был очень дорогой процессор, его цена составляла $39.900. В дальнейшем архитектура SPARC была лицензирована компанией Sun, которую позднее приобрела Oracle. Самым новым Sparc-процессором является Fujitsu SPARC64 VIIIfx, применяемый в Riken Supercomputer наряду с Oracle Sparc T4.
Серверные процессоры | 1989 год: Unisys SCAMP
В 1989 году компания Unisys выпустила Micro A – первый настольный одночиповый мэйнфрейм. 48-разрядное ядро SCAMP (Single Chip A-series Mainframe Processor) имело более 10 миллионов транзисторов. Изначально серверный процессор был представлен как модель A1, и за ней последовали A4 и A6 в 1990 году. Дизайн включал хост-процессор, для которого использовалось ядро Intel 386 на 16 МГц, окружённое десятью чипами SRAM с общей ёмкостью 12 Мбайт. A1 также использовал сопроцессор Intel 286. Впервые high-end серверная система намеренно была спроектировала для настольных окружений. Цена вопроса — $25.000, именно столько Unisys просила за A1. 16 лет спустя несколько человек, покинувшие компанию Transmeta – пионера в сфере процессоров с низким энергопотреблением, пытались добиться схожей концепции, поместив 96 ядер Transmeta Crusoe/Efficeon в настольный суперкомпьютер. Их компания Orion Multisystems обанкротилась в 2006 году.
Серверные процессоры | 1990 год: IBM Power1
Многочиповая архитектура Power, разработанная IBM для серверов и рабочих станций RS/6000 PowerServers и PowerStation, была представлена в 1990 году. Тактовая частота процессоров составляла 20, 25 и 30 МГц. 32-битный Power1 был первым RISC-процессором от IBM.Чип был разработан на 1000-нанометровом производственном процессе и имел 6,9 миллионов транзисторов. В 1991 году IBM обновила Power1 до Power1+, а затем и до Power1++ с частотой 62,5 МГц в 1992 году. Последняя версия называется Power7 и имеет максимальную тактовую частоту 4,25 ГГц.
Серверные процессоры | 1992 год: DEC Alpha 1
Чип Alpha был 64-разрядным RISC-процессором, заменившим 32-битные компьютеры CISC VAX от Digital Equipment. Тактовая частота первой версии процессора Alpha составляла 150 МГц, а максимальная производительность достигала 150 MFlops и 200 MIPS. Alpha 2, выпущенный в 1993 году, увеличил предел частоты до 299 МГц, а производительность до 400 MIPS/200 MFlops. Эта была очень престижная и дорогая продукция, век которой закончился, когда DEC была куплена компанией Compaq, которую, в свою очередь, в2001 году поглотила HP. Особой проблемой это стало для Intel, которая нуждалась в интеллектуальной собственности и патентной базе Alpha для процессора Itanium. Intel приобрела все права на Alpha у HP в 2001 году. Для Hewlett-Packard это был простой способ отказаться от дорогого производства и поддержи продукции, у которой не было клиентской базы, с другой стороны, эта сделка позволила Intel производить и продавать серверные процессоры Itanium.
Серверные процессоры | 1995 год: Intel Pentium Pro
В 1989 году Intel безуспешно пыталась вывести на рынок серверные RISC-процессоры, и i860/960 ждал провал. Тем не менее, процессор Pentium Pro x86 оказался просто находкой для компании. Intel удалось установить серверные процессоры в ASCI Red и поставить мировой рекорд по вычислительной мощности. 9298 процессоров с частотой 200 МГц помогли суперкомпьютеру впервые преодолеть барьер в 1 TFlop. Pentium Pro представляли шестое поколение процессоров х86 от Intel, также они назывались P6 или i686. Первоначально Intel планировала заменить Pentium/Pentium MMX на Pentium Pro, но потом передумала и перевела внимание на сервера и рабочие станции. Pentium Pro производились по технологии 500 и 350 нм, имели 5,5 миллионов транзисторов (у Pentium MMX их 4,5 миллиона) и работали на частотах 150 и 200 МГц. P6 вышли из продажи в 1998 году.
Серверные процессоры | 1998 год: Intel Pentium II Xeon / Xeon
В 1998 году семейство Pentium Pro было заменено линейкой Pentium II Xeon с 250-нанометровым ядром Deschutes и Pentium III Xeon с 250-нанометровым ядром Tanner в 1999 году (180-нанометров в 2000 году), это был дебют бренда Xeon. Первая серия работала в пределах 400 — 450 МГц, в то время как Pentium III достигал 1 ГГц. С приходом архитектуры Netburst в конце 2000 года Intel убрала бренд Pentium от Xeon и позиционировала процессоры для рабочих станций и серверов как отдельную продукцию. Первый Xeon на архитектуре Netburst базировался на 180-нанометровом ядре Foster и работал на частотах 1,4 – 2,0 ГГц. Архитектура Netburst использовалась до 2006 года, затем Intel расширила семейство Xeon до полноценной линии процессоров UP и MP с 90-нанометровыми ядрами Cranford, Potomac, Paxville и 65-нанометровым Tulsa. Как и в случае с настольными процессорами, чипы Netburst упирались в технологический предел, что заставило Intel пересмотреть архитектуру процессора.
Серверные процессоры | 2001 год: Intel Itanium
Лишь несколько серверных процессоров критиковались также активно, как Intel Itanium, но всё же сегодня они по-прежнему предлагаются как «большие железки». Особенно горячо их поддерживает HP, которая сделала существенные инвестиции, в том числе через сервисные контракты. Линейка представляла первые 64-разрядные процессоры Intel, но почти сразу её обвинили в незначительном отличии в производительности по сравнению с другими процессорами компании. Несмотря на слухи о том, что Intel может прекратить поставки в любое время, линейка Itanium выжила. Со времён первой версии с ядром Merced, работавшим на частоте 733-800 МГц в 2001 году, компания выпустила Itanium 2 в 2002 году, Itanium 9300 в 2010, а в 2012 ожидается следующее поколение – Poulson. Предполагается, что новый чип будет иметь 3,1 миллиард транзисторов с техпроцессом 32 нм.
Серверные процессоры | AMD Opteron
В 2003 году после нескольких лет поддразнивания, AMD выпустила серверные процессоры Sledgehammer (K8), которые сначала появились на рынке в серверном варианте под брендом Opteron. К тому же это был первый 64-разрядный процессор AMD. В 2005 году серия Opteron была обновлена двухъядерными процессорами. В 2007 году появился четырёхядерный K10 Barcelona, а в 2010 – восьми- и двенадцатиядерные процессоры Magny-Cours четвёртого поколения. Последние процессоры Opteron базируются на ядре Bulldozer. Серия этих процессоров сыграла важную роль для AMD и 2005-2006 годах помогла захватить часть рынка у Intel. В то время, AMD существенно обгоняла архитектуру Intel Netburst по производительности и энергопотреблению, но ситуация изменилась, когда Intel представила процессоры на архитектуре Core. Хотя первые процессоры Opteron забрали долю рынка у доминирующих в сегменте серверных процессоров x86 Intel Xeon, положение начало ухудшаться с выходом чипов Barcelona Opteron и ошибки TLB, которая подорвала доверие к процессорам. Текущие флагманские шестнадцатиядерные процессоры Opteron с 32-нанометровым ядром Interlagos работают на частоте 1,6 — 2,6 ГГц, это лишь немного выше, чем у первоначальных одноядерных процессоров Opteron вышедших в 2003 году (1,4 – 2,4 ГГц).
Серверные процессоры | Intel Xeon, Xeon LV
После ухода от архитектуры Netburst, Intel радикально изменила подход к дизайну и вместо увеличения тактовой частоты делает упор на высокую энергоэффективность. Первым процессором, реализующим новый подход, стал Xeon LV на базе 65-нанометрового ядра Sossaman, тесно связанного с ядром Pentium M Yonah с техпроцессом 65 нм. Тем не менее, это был 32-разрядный процессор, поэтому его применение в серверных приложения было ограничено. 64-битная, 65-нанометровая архитектура Core появилась в 2006 году и успешно конкурировала с AMD Opteron в виде двухъядерных процессоров Xeon с ядром Woodcrest в 2006 году и в виде четырёхъядерных Xeon с ядром Clovertown в 2007 году. Примерно эта же стратегия применяется и сегодня в процессорах Xeon на архитектуре Sandy Bridge.
Серверные процессоры | Intel Atom
Процессоры серии Atom впервые были представлены в 2008 году. Они были нацелены на мобильные устройства для интернета и настольные системы начального уровня, но не на серверы. В те времена Intel гордилась невероятно дешёвым процессором, себестоимость производства которого составляла $6 за кристалл, что могло быстро обеспечить высокие объёмы производства. Изначально чипы Atom пользовались успехом, но с падением спроса на нетбуки в 2010 году Intel пришлось искать новые целевые окружения. С тех пор самые новые чипы Atom с 32-нанометровым ядром Cedarview появились на рынке микросерверов.
Серверные процессоры | Будущее серверных процессоров
Легко предсказать, что производительность будет расти вместе с энергопотреблением, по крайней мере, до тех пор, пока мейнстримовые процессоры будут иметь текущий тепловой пакет и поддаваться тенденции наращивания производительности на ватт. Были попытки помочь главному процессору сопроцессором, и мы видим явные признаки того, что многоядерные сопроцессоры будут оказывать влияние практически на каждый серверный сегмент по мере того, как технология будет переходить в мейнстрим из сферы суперкомпьютеров. Одним из пионеров в этой области является компания Clearspeed, которая в настоящее время предлагает процессоры CSX700 с 96 ядрами. Решения CSX впервые появились в 2003 году, когда была запущена 301-я модель с 64 ядрами и частотой 200 МГц. В то время как Clearspeed остаётся на вторых ролях, гораздо более популярным решением является GPU Nvidia Tesla, который произвёл настоящий фурор в среде супервычислений и продолжает развивать эту область. А в ближайшем будущем, многоядерный сопроцессор Intel Xeon Phi может существенно расширить это направление.
