Como funciona o IBM z15: no mundo dos grandes processadores

Tendo como pano de fundo a desaceleração econômica causada pela epidemia de coronavírus, alguns fabricantes de equipamentos de servidor estão indo bem, em particular, a IBM com sua série de mainframes baseados na arquitetura Z pode ser atribuída a tal. dissemos resumidamente aos leitores. No entanto, é ainda mais interessante considerar esses processadores exclusivos em mais detalhes – a empresa falou sobre eles em detalhes no evento Hot Chips 32.

A IBM publicou recentemente um relatório que diz que o crescimento das vendas de mainframes – o aumento da popularidade de vários tipos de serviços remotos inevitavelmente levou a um aumento na necessidade de poder de computação. Muitos dos clientes da empresa tradicionalmente preferem executar tarefas de missão crítica não em hardware com arquitetura x86, mas na comprovada arquitetura z /.

Conforme declarado, a 15ª iteração mais recente do z / Architecture até o momento foi originalmente construída com foco na privacidade, segurança da informação e implantação em nuvem. No modelo IBM z15 8561 / T01, isso se traduz em até 190 núcleos de cliente, o que é um quarto a mais do que o modelo z14 comparável. Ao mesmo tempo, a criptografia de dados ponta a ponta é fornecida, duas vezes mais rápido do que antes, e o nível de confiabilidade e disponibilidade é de 99,999%.

O coração desta linha é o z / 15, e uma série de características o tornam um processador único. Portanto, a frequência de 5,2 GHz ainda não é algo comum no mundo x86, e z / 15 é capaz disso, embora com refrigeração a água, que é cada vez mais comum em data centers modernos. Ao mesmo tempo, do ponto de vista do processo técnico, o z / 15 parece bastante conservador, pois é fabricado segundo os padrões SOI (Silicon-on-Insulator) de 14 mm. A área do cristal de 17 camadas é de 696 mm2.

Ao contrário dos servidores x86, z / 15 não foi feito para ser usado apenas por uma mão. A “unidade” mínima inclui quatro desses processadores por prateleira e pode haver até cinco dessas prateleiras no gabinete do sistema, e o subsistema de memória e o enorme cache de quarto nível são comuns para as prateleiras; há também um processador de controle separado (chip de controle do sistema). O sistema de conexão “entre prateleiras” é organizado de acordo com o princípio “cada um com cada um”.

Existem dois tipos de processadores z / 15: principal e mestre. A versão básica consiste em 9,2 bilhões de transistores, possui 12 núcleos, cada um dos quais é acompanhado por 8 MB de cache L2 (4 MB para instruções e dados), o cache L3 é comum para todos os núcleos, seu volume é de 256 MB. A variante de controle (SC) é mais complexa, inclui 12,2 bilhões de transistores, e isso é compreensível: o processador contém toda a lógica para interconexão do sistema e manutenção da coerência, bem como um enorme cache L4 compartilhado de até 960 MB.

O mainframe como um todo inclui até 20 processadores CP. O número total de núcleos chega a 240, dos quais 190 são configuráveis ​​pelo cliente usando a capacidade do sistema. Ao mesmo tempo, a quantidade de RAM pode chegar a 40 TB. O subsistema de E / S é representado por 60 conjuntos PCIe 4.0 x16 e 192 placas de E / S (máximo de 384 canais). Além de um aumento puramente quantitativo em todas as características, incluindo tamanhos de cache, z / 15 também contém uma série de inovações de microarquitetura.

A estrutura de pipeline do z / 15 lembra vagamente o NetBurst (Pentium 4) – foi originalmente projetada para atingir a frequência de clock máxima possível e tem um comprimento longo. Sua previsão de ramificação é assíncrona e é realizada antes de obter instruções, a própria busca tem uma profundidade de 32 instruções por ciclo, a análise e a decodificação ocorrem a uma velocidade de 6 instruções por ciclo, a divisão das instruções CISC é fornecida.

A arquitetura pertence à categoria de fora de ordem (fora de ordem), cada pipeline inclui quatro blocos de operações de ponto fixo (FXU) e dois blocos de instruções como SIMD. Mas, além desses blocos funcionais bastante familiares, z / 15 também inclui uma série de chamados “aceleradores”.

Um desses aceleradores pode ser chamado de bloco, que é um compressor / descompressor de dados híbrido operando de acordo com o algoritmo LZ. Sua presença permite que você descarregue significativamente subsistemas de memória e armazenamento de dados e aumente a eficiência de seu uso. Anteriormente, no z / 14, essa funcionalidade era implementada usando FPGAs. Esta unidade operava em uma freqüência de várias centenas de MHz, mas devido à sua integração no cristal principal, a velocidade foi aumentada para mais de 5 GHz.

Como os mainframes da série Z são muito populares no ambiente financeiro, onde a segurança das transações é a chave, o z / 15 tem dado muita atenção à criptografia. A criptografia elíptica e a aritmética modular são suportadas no hardware, mas todas as instruções de assinatura, validação e multiplicação escalar são transparentes e abertas ao software. Além disso, tais operações são realizadas de modo regular e não especulativo. No z / 14, tudo isso foi implementado por meio de uma placa Crypto Express6 separada e a integração resultou em um aumento de 11 a 22 vezes no desempenho criptográfico.

Os mainframes IBM z15 vêm em uma variedade de configurações. O máximo inclui quatro gabinetes, a versão mais rápida usa refrigeração líquida. Ao mesmo tempo, o nível de consumo de energia é 40% inferior ao da geração anterior. A configuração mínima é um gabinete com um gabinete de processador e três gabinetes de E / S. Este último se comunica com o mundo externo via FICON (uma espécie de Fibre Channel), 10 / 25GbE (com suporte RoCE) e zHyperLink.

A última opção é uma interface de “curta distância”, não pode ser comparada com FICON e, além disso, Ethernet em termos de comprimento de cabo, porém, quando conectada a uma SAN, demonstra uma latência ordem de magnitude menor. Seu objetivo principal é acelerar transações ao usar z / OS com bancos de dados DB2.

Na versão básica, o mainframe z15 é executado no sistema operacional z / OS, popular em ambientes bancários e de ERP, que é confiável e testado pelo tempo. Normalmente, o custo de tais complexos é bastante elevado, mas a ideia de liberalização de preços penetrou nesta indústria conservadora. Nesta primavera, a família z15 foi expandida com as versões relativamente acessíveis do Modelo T02 e do LinuxONE III Modelo LT2.

O primeiro é essencialmente uma configuração mínima para um mainframe, mas o segundo é mais interessante porque foi originalmente focado no uso de Linux em vez de z / OS. Não está limitado a uma versão do Linux, devido ao sistema de containerization, RHEL, SUSE e Ubuntu são suportados, enquanto as máquinas virtuais Linux em containers Secure Execution são protegidos por hardware contra inicialização não autorizada fora do sistema lógico z15 para o qual foram configurados.

O suporte para Linux se encaixa perfeitamente no z15 nos ambientes de nuvem hiperconvergente cada vez mais populares.