百變POWER7 驅動智慧地球

在中國的春節還沒有到來時，POWER7處理器就已經迫不及待地在美國破殼而出了。日前，POWER7正式登陸中國。盡管之前智慧地球的理念在IBM帶動下已經深入人心，但IBM認為，POWER7是其為推動智慧地球而邁出的巨大一步，并將成為驅動智慧地球理念邁向現實世界的強大引擎。POWER7各項技術指標的測試結果向人們展示了其強健的肌肉，它的綜合性能在當前的通用處理器領域的確所向無敵。

為智慧地球而生

IBM系統與科技部Power Systems總經理Ross A.Mauri

智慧地球，意味著互聯網和物聯網智能終端設備的急劇膨脹，信息數據量以幾何級數增長。目前，網絡終端的概念已經超越了PC和手機，家庭中的各種電器也都正在發展為網絡智能終端，甚至廉價的媒體播放器都開始具備BT下載功能。IBM內部分析表明，到2013年，全球將有數以萬億個設備連接到互聯網上。而如此海量的設備和信息，必然需要極為強大的后臺計算機系統作為引擎。

在POWER7登陸中國時，IBM系統與科技部Power Systems總經理Ross A.Mauri 為中國用戶講述了一個美國智能化電網使信息處理量急劇增長的案例，生動地說明了智慧地球帶來的變化。美國一家大型電力公司正在從傳統電網向智能電網遷移，這家公司目前要管理1000萬個以上用戶，每月的交易量超過1.2億次。他們希望電表有智慧的功能，可以提供實時的電力使用狀況。過去，他們每天收集一次數據，數據量就已經很可觀了。通過智能化的電表可實時收集電能使用的狀況，從每天收集一次變成每15分鐘收集一次。如果想實現這種級別的智能化數據收集，每天的交易量將達到36.5億次。而未來要實現智能電網的最佳狀態，每天的交易量可能要達到3500億次。

智能電網只是邁向智慧地球的一小步，智慧地球的發展必然使全社會信息量以幾何級數增長。正是基于這種對市場需求的判斷，IBM對POWER7的發展路徑進行了重大調整，從POWER6的雙核高主頻(5GHz)轉向了8核設計，主頻維持在3GHz～4GHz，每核心的線程數從2個固定的SMT增加到最多4個SMT。依托POWER7設計的服務器，將從雙路4核產品一直延伸到32路256內核1024個線程的巨無霸式高端服務器。很顯然，POWER7具備了驅動智慧地球的海量信息處理能力。

POWER7互聯網

技術創新成就POWER7

1.工作負載動態優化

回顧POWER處理器發展的歷史，我們知道POWER7今天的輝煌不是一日鑄就的。POWER系列第一個偉大的設計誕生于2001年的POWER4，它是世界上第一款雙核通用處理器，集成了內存控制器，并支持動態邏輯分區技術，成為未來處理器向多核和虛擬化方向發展的先驅。

IBM在研發POWER6時提出了工作負載動態優化(Workload Optimization)的概念。在這一思想的指導下，POWER6選擇了高主頻的發展方向，創造了性能高達5GHz的雙核處理器，并首創了10進制浮點運算單元。IBM當時沒有發展更多內核的處理器，主要考慮的是工作負載還不能很好地適應多核多線程的環境，高主頻更能讓傳統應用在性能提升方面受益。隨著云計算和虛擬化技術的發展，越來越多的應用針對多核多線程做了優化，同時半導體技術的進步也為10億個以上晶體管的芯片產品打開了大門，這使得POWER7走向了8核時代。

現實世界的應用負載仍然是多樣和復雜的，既有高度并行的大規模海量應用，也有傳統的只能利用少量線程的應用軟件。作為通用處理器，必須具有百變的功能，才能在應付各種工作負載時得心應手。POWER7為面向多種應用負載，內置了多種可以動態改變的功能特性。

首先，POWER7具有TurboCore和MaxCore兩種內核運行模式，既可以讓8個內核均衡地運行提高并行性，也可以關閉其中部分內核而讓其他內核像5GHz的POWER6那樣瘋狂工作。事實上，新的POWER7在4GHz時單核性能就可以大幅超過5GHz的POWER6了。

IBM軟件集團競爭技術副總裁John J.Shedletsky博士

TurboCore模式可以對數據庫或其他以事務處理為導向的工作負載進行高度優化，同時采用4個內核運行，并把芯片中所有8個內核大部分資源放到4個運行的內核中，以提供更大的緩存和內存帶寬，大幅提升時鐘頻率，顯著提高單核性能。TurboCore模式可使那些按核進行許可計費的應用將潛在的軟件成本減半，同時利用軟件提升單核性能，以此通過軟件實現最大限度的投資回報。

當不采用TurboCore模式時，所有POWER7處理器在MaxCore模式下，擁有多達每插槽8內核共32線程，通過提高并發線程的數量來提升并行處理能力。MaxCore模式下的POWER7能夠很好地適用基于互聯網的大任務量并行工作負載。

第二，POWER7具有智能線程(Intelligent Threads)技術，能根據工作負載需求進行動態調整。在擁有更多線程的情況下，POWER7可以并行處理更多任務，提供更大的處理量，如運用智慧電網以分鐘實時監控千家萬戶的能源用量。而在線程較少的情況下，如那些實施分析或數據庫交易處理等需要高速獨立處理的工作負載，也可以獲得其需要的性能，并確保最優化收益。智能線程在所有POWER7處理器上可以運行，并有效提升處理量和總體性能。

IBM POWER7模塊

第三，POWER7的三級緩存是共享式的，但是在緩存管理方面，三級緩存可以按很小的單位進行劃分，動態指定給各個內核專用或共享，并稱之為智能緩存技術(Intelligent Cache)。這樣，不僅可以動態適應TurboCore和MaxCore兩種內核運行模式，也可以為運行內存密集型應用的內核分配更多專用的三級緩存空間，提高緩存利用率和命中率。

第四，動態功耗優化技術(Intelligent Energy Optimization)，使得POWER7可以在熱功耗條件允許的情況下提升主頻，發揮最大性能，具體是否允許超頻則由熱功耗管理卡TPMD監控并做出判斷。在發熱量較高和系統利用率較低的情況下，系統也可以自動降低處理器的時鐘速率。

第五，主動內存擴展技術(Active Memory Expansion)，對需要大量內存的工作負載，或在虛擬環境中大量內存是非常有益的情況下，客戶可以使用這項POWER7的創新技術。該技術的獨特之處在于能夠運用內存壓縮技術，使系統的物理內存針對應用程序時顯示出最多兩倍于實際的大小。主動內存擴展技術可根據工作負載的內存需求，動態調整壓縮內存量，透明壓縮更多的數據放入內存，從而擴大POWER7系統的內存容量。例如，在沒有安裝任何更多物理內存的情況下使用主動內存擴展技術，系統配置能使SAP應用認為系統中的物理內存量比實際多出50%。據IBM估計，該技術較之前受到內存容量限制的同樣的服務器能多處理65%的交易或用戶量。

除了以上特點，POWER7還有三種封裝形式，以適應不同規模服務器平臺的特點，其入門機型號面向1至4路處理器的刀片和機架式產品設計，只集成一個內存控制器;高端型號支持最多32個插槽的中高端服務器設計，集成兩個內存控制器;還有4芯片封裝模塊MCM(在單一模塊中封裝4個8核POWER7)，可以構建需要大規模擴展或集群的超級計算機，實現超過萬億次計算能力。

2.多核的“瓶頸突圍”

處理器如果僅僅在芯片上增加內核的數量，那么，獲得的性能肯定和內核數量的增加不成比例，因為處理器內核越多，所需要的內存和I/O帶寬需求越將呈現同比例增長趨勢，而且處理器內核之間的通信開銷也越來越大。更何況，內核越強大，這種多內核設計也就越困難。POWER7集成了8個高主頻的通用內核，在突破外圍瓶頸方面做了很多創新。

高速大容量的處理器緩存對于減少處理器的內存訪問延遲至關重要。POWER7在片上集成了32MB三級緩存。在POWER7之前，通用處理器的緩存都是SRAM，SRAM每位需要6個晶體管，32MB有ECC功能的緩存就超過了17億個晶體管，這對半導體制造成本和良品率都是巨大的挑戰。8核POWER7總共只有12億個晶體管，那么該如何實現呢?IBM從2000年以來一直致力于eDRAM的研究，eDRAM速度比SRAM要慢一些，但是功耗也低于SRAM，因為實現同樣容量需要的晶體管數量和空間都是SRAM的幾分之一，32MB eDRAM只需要不到3億個晶體管。因此，從POWER4開始，IBM就一直使用片外的eDRAM作為三級緩存，而POWER7把三級緩存集成到片上，進一步提高了緩存的速度。再加上前面提到的智能緩存技術，使8核POWER7的內存訪問延遲問題得到改善。

內存帶寬問題是另一大需要突破的瓶頸。每個內核都需要配備8GB～32GB的內存容量，也需要10GB/s以上的并發訪問內存帶寬。8核的POWER7如何增加內存帶寬呢?在高端產品上，POWER7至少集成兩個內存控制器，每個內存控制器擁有4條6.4GHz的內存通道，每個內存通道都使用緩沖芯片并發訪問6組DDR3內存插槽。經過如此多層次的強大內存帶寬設計，使每個POWER7插槽的可用內存帶寬高達180GB/s。

8核不僅面臨內存帶寬的瓶頸問題，對I/O和處理器之間的互聯也帶來巨大挑戰。POWER7每個處理器設計提供50GB/s的I/O帶寬和360GB/s的處理器互聯帶寬。其實，外圍帶寬的強大設計一直就是POWER處理器性能強大的秘訣，這一次POWER7把帶寬提升到了590GB/s。

對于一個32路的8核平臺而言，256個內核的內存一致性以及互相通信的問題，必然是解決系統整體效率的關鍵環節。而這一問題恰恰是IBM多年研發大型系統的經驗所在。新的POWER7系統以4顆POWER7為一個節點，在節點內實現全互聯。32路平臺共8個節點，節點間也實現全互聯。這種無瓶頸、高可靠的內部擴展方式，也是由POWER7強大的兩個互聯控制器共360GB/s帶寬所保證的。

必不可少的軟硬兼施

如果沒有為POWER7優化的軟件系統，POWER7的系統性能也無從發揮。IBM作為一家軟硬件整合的公司，預先的軟件優化為整個系統的性能發揮起到了極為重要的作用。IBM軟件集團競爭技術副總裁John J.Shedletsky博士指出，POWER7在單個32路服務器上能夠提供的線程數已經達到1000多個(即32路×8核×4線程=1024)，為智慧地球提供了足夠大的并行處理能力，同時也對軟件提出了巨大的挑戰。

如何讓軟件在不重寫的情況下能最大程度地利用硬件所提供的超強并行處理能力?解決這個問題就需要有強大的中間件。IBM對中間件技術進行了大量優化工作，把這種并行能力在中間件層進行處理并實現，讓上層應用軟件無需任何調整，直接發揮底層硬件的強大并行處理能力。這樣，用戶可以很簡單地直接應用硬件的科技創新所帶來的業務價值。

基于POWER7平臺的強大擴展性，使IBM在數據庫技術方面有了重大突破，那就是IBM DB2 pure Scale技術，可以使單一數據庫做到超過上百臺服務器的擴展能力，相比較，Oracle RAC只擴展到8臺服務器。過去用戶可能需要考慮在大型機上處理這種模式，現在用POWER7的服務器就可以直接做到如此高的擴展能力。

另外一個軟件和POWER7硬件優化的模式是軟件硬件預先打包。IBM Smart Analytic系統就是這樣一個例子，它可以非常快速地構建數據倉庫，采用數據分析工具來分析業務數據。IBM把這個例子叫做創造新的智能。這種預先配置、預先打包的方式對用戶的好處是，用更少的時間運行系統，同時所需要的技能更少。

在POWER7的應用開發方面，IBM Rational提供了端到端專門針對POWER7的開發體系，這一開發體系首先是提供基于POWER上面的整個開發工具，同樣的開發工具可以支持軟件開發人員在AIX、i系列和Linux上開發應用。這是IBM第一次提供單一工具來支持這三種POWER體系的應用開發。

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四款全新的Power Systems產品

隨著POWER7的推出，相應的全線產品中有4款隨之亮相，而基于POWER7的32路系統旗艦何時亮相，這恐怕要等待AIX升級到7.1版，才能支持256個內核的32路系統，目前的AIX6.1只能支持64個內核，因此，現在問世還為時過早。

IBM Power 780是一款全新的可擴展高端服務器，它最大的特色是采用了先進的模塊化設計，可支持高達64個POWER7“內核”或CPU，并擁有新的TurboCore工作負載優化模式。同基于POWER6處理器的系統相比，TurboCore能夠提供高達兩倍的單核性能。

IBM Power 770是一款模塊化企業級服務器，可支持高達48個POWER7內核。Power 770每單核性能與POWER6相比有大幅提高。在與IBM Power 570內核數量相同的條件下，新系統的能耗最多可以降低70%。

IBM Power 755可作為高性能計算集群節點，擁有32個POWER7內核。它的能源效率完全符合Energy Star能效標準，同時為處理最復雜的分析工作負載而進行了優化。

IBM Power 750是一款符合Energy Star能效標準的商業服務器，它為中型企業客戶提供了4倍于上一代服務器的處理能力。

采訪后記

POWER之道

POWER擁有20年的歷史而長盛不衰，在Unix市場中不斷成長，并發展成為如此強大的計算平臺，確實值得人們贊嘆。同時，也有很多人非常不解地問我，POWER不是一個封閉的Unix系統嗎?Unix系統都在衰落，而為什么POWER卻在發展?

我想舉一個大家都熟悉的例子，那就是蘋果的iPhone。iPhone的硬件和操作系統也是封閉而自成一體的，正是因為如此，蘋果才能把它設計得如此時尚和強大，不必受合作伙伴的左右。同時，iPhone的應用軟件接口是開放的，并造就了龐大的軟件生態系統。因此，雖然iPhone價格不菲，卻仍然能贏得無數用戶的青睞。

POWER的成功模式和iPhone有異曲同工之妙，只不過它是發生在企業級市場而已。iPhone傳承的是蘋果電腦的設計理念，POWER傳承的是IBM大型機的成功之道，如此而已。(文/丁偉)