底層的智能 英特爾至強E5處理器解析
按照著名的Tick-Tock戰略，英特爾在3月初發布了至強E5-2600/1600系列處理器。一代的至強E5-2600系列還是沿用了之前單路至強E3所采用的SandyBridge架構，但是因為E5是面向雙路應用的產品，所以在命名上叫做“SandyBridge-EP”。作為英特爾的主力產品，至強E5-2600/1600系列處理器的主要方向就是提供更好的云服務及高性能計算環境。下面，我們就從技術及應用的角度介紹一下至強E5處理器作為云計算平臺計算的基礎所具備的種種優勢特性。
四大技術革新助力云計算基礎架構
對于云計算應用來說，強大的性能是保證有效應用的關鍵。本次英特爾至強E5系列處理器的推出正是大幅度提升了處理器計算能力，從而實現了更快的運行速度和更大的處理能力。具體說來，至強E5系列處理器相比上一代的至強5600系列來說主要有以下4方面的改進。
至強E5-2600處理器架構介紹
圖中為我們傳達了4個重要的信息——8核心、QPI 8.0GT/S通道、DDR3高頻內存的支持、PCI-E 3.0互聯互通。下面我們就一一來解釋這4個要素。
8核心處理器——在上一代的Westmere-EP處理器中，某些高端的型號采用的是6核心架構，這也是英特爾在雙路處理器中提供的頂級核心數量。當然借助于超線程的支持，這個核心數量的數字可以翻一番，但是從物理的角度來說英特爾在E5-2600之前一直是以6核心的產品擔當重任。
如今發展到了E5-2600系列，處理器的核心增加到了8個。這個不僅僅是簡單的數量提升，要知道在同樣適用SandyBridge架構的E3處理器中，核心數量只有4個。更多的物理核心可以提供更好的計算性能，當然對于時下流行的虛擬化來說，多核心的優勢更為明顯。
第二條QPI通道——同樣對比上一代的Westmere-EP處理器，英特爾自從在Nehalem-EP中增加了QPI這個概念之后，對于性能提升有了極大的飛躍。而這次在E5-2600中，通道的數量增加到了2條，而且帶寬也提升到了8GT/s，之前是6.4GT/s。換句話說，同樣是基于SandyBridge架構，雙路的產品比單路產品增加了更多的處理器互通功能，這會使得兩個或多個處理器之前的協調更為順暢，言外之意就是性能也會隨之提升。
DDR3高頻內存的支持——從Nehalem-EP開始，英特爾支持三通道的DDR3內存，那時候的頻率還是1066MHz。到了Westmere-EP這代，三通道的內存支持沒有變，但是頻率提升到了1333MHz。如今，至強E5-2600這代產品出現了變化。首先是對于內存頻率的支持達到了1600MHz，這還不是最重要的——至強E5-2600系列支持4通道內存，最大內存插槽數量也從原來的18條增加到了24條。從數量來說，3*6和4*6的看起來是多了不少，但是能夠實現的通道組數量是相同的。當然，在這一代的內存上也有了明顯的變化，這一點我們隨后會提到。
PCI-E 3.0互聯——英特爾在至強E5處理器中增加了對于PCI-E 3.0規范的支持，但是這一代的主板還僅能提供PCI-E 2.0的接口。在可以預見的下一代IvyBridge處理器中，英特爾將全面支持PCI-E 3.0規格。這部分我們在后面會有詳細的解釋，這里先給大家留下一個印象。
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剛剛我們看過了至強E5-2600系列處理器的新改進，這還遠遠不夠。我們需要了解的是E5-2600處理器是如何運行的，具體來說就是如何與其他的設備相溝通。這部分我們來看看下面的一張圖。
至強E5-2600處理器是如何運行的
首先來解釋一個名詞——Romley。Romley是本次至強E5處理器的平臺名稱，是圍繞著至強E5處理器而開發的芯片組、主板以及相關技術組成的解決方案平臺。因此，這里我們就可以看到這個平臺在運行中的一些特性。
基本上處理器部分包括了我們剛剛介紹的內容，我們可以從圖示中清楚的看到處理器所提供的40條PCI-E 3.0通道之外，在第二顆處理器上還有1條PCI-E 2.0的通道(黃色部分)，第一顆處理器有粉色部分都與芯片組相連。
另外我們看到了兩個英特爾一直力推的內容，Node Manager節點管理器和Data Center Manager數據中心管理軟件。對于云應用來說，在數據中心中管理成千上萬臺服務器可不是那么容易的事情。這兩款軟件可以幫助系統維護人員盡可能降低維護難度，節省維護成本和時間。
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剛剛我們看到的還是以處理器為主，包括如何與外部互通的內容。那么處理器內部是如何通信的呢?這里我們就不得不提及它的核內與核外架構。
至強E5-2600處理器核內與核外架構
這里我們又看到了“圓環套圓環”的設計，也就是從SandyBridge開始的環形總線。與至強E3所提供的類似，這次的環形總線還是分為內外兩條，在核心數量上增加到了8個。圖中剪刀的部分就是至強E5相比E3來說增加的4個核心。
和E3處理器類似，Ring Bus環形總線更能夠較好的展示出Sandy Bridge的真實性能。通過上圖大家可以看到，Ring Bus環形總線連接各個CPU核心、LLC緩存(L3緩存)、融合進去的GPU以及System Agent(系統北橋)等部分。
Ring Bus環形總線由四條獨立的環組成，分別是數據環Data Ring、請求環Request Ring、響應環Acknowledge Ring和偵聽環Snoop Ring。借助于環形總線，CPU與GPU可以共享LLC緩存，將大幅度提升GPU性能。
在這個環形總線上，分布著多個Ring Stop，也就是俗稱的“站臺”。這個“站臺”在每個CPU/LLC塊上具有兩個連接點。環形總線的存在，可以大大減少核心訪問三級緩存的周期。在以往的產品中，多個核心共享一個三級緩存，需要訪問的話必須先經過流水線發送請求，在進行優先級排序之后才能進行。新的環形總線將三級緩存分割成了若干部分，借助于每個站臺，核心可以快速的訪問LLC。
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在至強E5中，還沿用了SandyBridge架構的256位指令集。這部分其實在單路至強E3中就已經談過，相比原來的128位指令集來說，256位指令集在性能上更為出色。有關這部分的內容我們可以看看E3處理器中是如何介紹的。
256bit指令集，讓好事變得更好
Sandy Bridge的AVX將向量化寬度擴展到了256位，原有的16個128位XMM寄存器擴充為256位的YMM寄存器，可以同時處理8個單精度浮點數和4個雙精度浮點數。換句話說，Sandy Bridge的浮點吞吐能力可以達到前代的兩倍。不過現在，AVX的256位向量還僅僅能夠支持浮點運算。不過AVX的特別之處在于，它可以應用128位的SIMD整數和SIMD浮點路徑。
AVX指令集是和Sandy Bridge微架構緊密結合的，因此，微架構的浮點寄存器也要從128位擴展到256位，此外，Load單元也要適應一次載入256位的能力，Sandy Bridge沒有直接擴展原有Load單元的位寬，而是通過增加了一個Load單元來達到256bit Load的能力。
在進行新性能擴展的同時，AVX指令集的出現對于原有的X86指令集也進行了優化與重新組合——這主要源于AVX指令集新的操作碼編碼方式。AVX指令集的編碼方式叫做VEX(Vector Extension)，其主要用途是縮短指令長度，降低無謂的代碼冗余，并且也降低了對解碼器的壓力，實現的方式也很特別——壓縮各式各樣的Prefix前綴，集中到一個比較固定的字段中，從而達到了精簡指令集的目的。
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剛剛我們在介紹E5-2600的時候，曾經提到過它的2個重大改進，就是雙QPI通道和PCI-E 3.0支持。下面，我們就來詳細介紹一下這兩部分內容是怎么回事兒。
雙QPI通道示意圖
這里我們看到的是兩個QPI管理模塊。通過這兩個模塊，我們可以看到數據實現了同時互通，QPI具備了20條通道，同時可以動態分配10條通道。QPI通過環形總線與外界互通，達到了傳輸指令和數據的目的。
PCI-E 3.0示意圖
我們可以看到，處理器的核外結構部分提供了PCI-E 3.0的功能，而相比上一代的PCI-E 2.0來說，它可以實現帶寬數量的雙倍提升，從4GT/s提升到8GT/s。更重要的是，這些通道之間可以隨意組合，我們看到在PCI-E 3.0提供的40個通道中，每16個通道可以實現2個X8或者4個X4功能，這樣對于有效分配帶寬非常有幫助，因為并非所有的設備都需要X16通道才能支持。
由此看來，PCI-E 3.0提供了一種靈活的模式，大大增加了帶寬的利用率。這就使得所有的PCI-E設備都可以實現高速互聯，同時也讓之前難以普及的PCI-E外界設備得到了更大的發展空間(比如PCI-E SSD固態硬盤)。我們在這里也看到了PCI-E 2.0的身影，作為低速通道，它更大的作用是實現一種補充，而且也只有X4一種規格。
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俗話說好馬配好鞍，剛剛我們介紹了許多處理器相關的內容，現在我們將視角轉移到芯片組上來，看看SandyBridge-EP的芯片組有哪些變化。這次至強E5-2600搭載的芯片組名稱為C600。
英特爾C600芯片組示意圖
我們來看看C600芯片組的支持設備圖。首先我們發現，它通過PCI-E 2.0與處理器相連，其次就是我們看到了PCI-E 2.0的字樣，同樣這也是作為PCI-E 3.0的補充而存在的。
除了上面介紹的2內容之外，還有一個內容也是要注意的。在磁盤方面，C600芯片組提供了SATA接口下3Gbps和6Gbps兩種磁盤的支持，但是板載的SAS接口卻只能支持到最大8個3Gbps接口。如今許多SAS磁盤都是基于6Gbps接口的，也就是說用戶需要使用額外的陣列卡才行。
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雖然沒有提供SAS 6Gbps的支持，但是本次發布的E5-2600系列在I/O方面也有獨到之處。它有一個名為Data Direct I/O的特色技術(以下簡稱為DDIO)，這項技術可以幫助處理器更快速、更智能的選擇最短路線來讀寫數據，從而提升I/O性能。
通過進出兩個方向的對比，我們驚奇的發現如今數據的讀寫已經不需要像以前那樣經過內存才能完成。從LLC可以直接傳輸到核心中，這樣就節省了繁瑣的操作步驟，提供了更短的相應時間。之前需要4-5步的操作如今可以簡化到3步完成，流水線少了一環，自然也更加快捷。
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如今節能是大家都在談論的話題，而且數據中心應用的能耗是巨大的，因此在這一代的至強E5-2600系列中特別談到了如何節能的問題。我們先來看看英特爾有什么兼顧性能和節能的解決辦法。
動態調整性能
在E5-2600系列中，英特爾提出了一個觀點，就是如何使得兼顧性能的同時保證節能。這里有一個動態開關的概念。我們看到圖中的3條線，綠色代表了最佳性能、藍色代表了均衡性能(提供動態開關)，而黃色代表了均衡性能(不提供動態開關)。
在開啟了動態開關之后，我們會發現之前處于下風的均衡性能會有一個明顯的提升，其吞吐量最終與最佳性能重合了。也就是說動態開關可以保證服務器即便在非最高性能運行的情況下，還可以實現高可用性，這在之前是沒有的，也是一個新的突破。
LR內存運行示意圖
另外一個是又第三方內存廠商提供的。如今在強調虛擬化的同時，用戶也在不斷增加內存，這勢必對服務器來說也是不小的能耗負擔。LR內存的出現就是為了解決這一問題，它本身是低能耗的內存，而且相比傳統的R-ECC內存來說我們可以明顯的看到它通過一個緩存芯片實現了更快速的數據讀寫方式，這也是它性能提升的原因所在。
結合高速計算與更低能耗，至強E5-2600/1600系列處理器提供了硬件與軟件多方面的改進。硬件上更快速的SandyBridge核心幫助服務器實現更大的性能，而動態開關和低功耗內存的支持幫助服務器可以實現更低的功耗。而在數據中心層面，英特爾節點管理器和數據中心管理器都可以幫助云應用實現更高效和更節能。總結我們談到的至強E5系列處理器諸多特點，我們發現它實現了更高的性能和更低的功耗，作為新一代的產品來說實現了真正實現了對于上一代的替代，為當今數據中心及云應用環境提供了平臺基礎。
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