Серверы на базе процессоров RISC

Принимая во внимание сегодняшний интерес к ПК-серверам, думается, настало время напомнить, что серверы RISC являются необходимым звеном в технологической цепочке.

КОММЕНТАРИИ ПО ОСНОВНЫМ НАБОРАМ ТЕСТОВ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ИНФОРМАЦИОННЫМ РЕСУРСАМ
SPEC и другие

Давайте посмотрим на ситуацию с точки зрения обычного администратора сети, т. е. с вашей точки зрения. В течение нескольких лет вы использовали на своих системах с процессорами Intel ту или иную комбинацию DOS, NetWare, Windows и OS/2. Возможно, ваши отношения с системным программным обеспечением не всегда складывались так, как хотелось бы, но что поделаешь! Однако ваша компания растет, а стало быть, растут и требования, которые вы предъявляете к своим системам. Вечно недовольный внутренний голос постоянно напоминает, что пора обратить внимание на другие аппаратные платформы и операционные системы. Вы задумываетесь о таких вещах, как системы с процессорами RISC и, вероятно, даже об Unix. Так каков же ответ на все ваши "когда", "зачем" и "почему"? Быть может, вы начали размышлять о возможных альтернативах еще год назад, а быть может, не думали об этом вовсе. Но и в том и другом случае не помешает остановиться на вопросах, связанных с изменением ваших систем. Давайте посмотрим на эти вопросы с разных точек зрения и попытаемся избежать очевидных стратегических и технических ловушек в данном процессе.

Во-первых, почему вообще зашла речь о новом аппаратном обеспечении и новых операционных системах? Скорее всего, потому, что вы начали определять требования к будущей системе, планировать, какими ваши системы будут через два, пять, а то и десять лет. Вы хотите учесть при этом и свой прошлый опыт, и имеющееся сейчас оборудование, и даже некоторые дополнительные, абсолютно новые возможности. Например, сможет ли простое расширение существующей системной архитектуры удовлетворить предполагаемый рост потребностей ИС вашей компании или же вам потребуются новые, революционные решения? В конце концов, за последние несколько лет природа данных, перемещающихся по вашей сети, сильно изменилась. Графика с высоким разрешением, мультимедиа и Web предъявляют высокие требования к системам и сетям, которые связывают их вместе. И, как известно, этих требований год от года не становится меньше; последовательного усовершенствования имеющихся у вас платформ, скорее всего, будет недостаточно.

Если вы согласны с тем, что вопрос об альтернативной платформе назрел, то не мешает как можно более конкретно поговорить о возникающих при этом проблемах.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОРОВ

Системное аппаратное обеспечение, под которым часто понимают процессор, является основой производительности. Насколько CISC-процессоры компании Intel, Pentium и Pentium Pro, отвечают вашим будущим потребностям? Каковы рабочие характеристики различных вариантов RISC и какие из них необходимо рассмотреть?

Война процессоров RISC (Reduced Instruction Set Computer) и CISC (Complex Instruction Set Computer) длится уже не первый год, и в начале 1996 года процессор Pentium Pro компании Intel вышел на первое место по производительности операций с целыми числами. Момент выпуска Pentium Pro/200 МГц застал многих производителей RISC-систем на перепутье между двумя поколениями процессоров. В результате Intel заняла непривычную для нее позицию лидера отрасли по производительности. Самый быстрый 64-разрядный процессор Alpha компании Digital Equipment имел в тот момент тактовую частоту 333 МГц, а Digital еще не завершила переход к 0,35-микронной технологии. До выпуска 64-разрядного процессора PA-8000 компании Hewlett-Packard оставалось несколько месяцев. UltraSPARC компании Sun Microsystems пока не поймал ветер в свои паруса, а системы компании Silicon Graphics, работающие с процессором MIPS R10000, тоже еще не оперились.

Однако 1996 год вступил в свои права, и ситуация изменилась. Digital, завершив переход к технологии на 0,35 микрон и начав выпускать системы с процессорами Alpha, имеющими тактовую частоту 400 МГц и 500 МГц, вновь стала лидером по производительности. Выпустив PA-8000 в 1996 году, HP вышла сразу на первое место и при операциях с целыми числами, и с плавающей запятой. Обе компании, Sun и Silicon Graphics, также представили системы с новыми версиями своих процессоров старшего класса.

Standard Performance Evaluation Corp. (SPEC) - некоммерческая организация, разрабатывающая эталонные тесты производительности для компьютерных систем и компиляторов. Тест SPECint95 служит для определения производительности операций с целыми числами и оценивает потенциальную производительность микропроцессоров. Производительность, установленная для различных процессоров на основе теста SPECint95 по положению на ноябрь 1996 года, показана в Таблице 1. В итоге, хотя Pentium Pro/200 МГц продемонстрировал весьма неплохую производительность на тесте SPECint95 (8,58), некоторые из RISC-конкурентов его обогнали, например процессор Alpha/400 МГц компании Digital (15). Более подробные данные о тесте SPEC и других тестах смотрите во врезке.

ТАБЛИЦА 1 - РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОРОВ НА ОПЕРАЦИЯХ С ЦЕЛЫМИ ЧИСЛАМИ НА НОЯБРЬ 1996 ГОДА

Отметим, однако, что до сих пор речь шла только об операциях с целыми числами. А как Pentium Pro осуществляет операции с числами с плавающей запятой? Безусловно неплохо, если сравнивать с характеристиками предыдущих процессоров x86 компании Intel, но не очень хорошо, если речь идет о

RISC-конкурентах. В целом процессоры RISC опережают семейство Pentium на операциях с числами с плавающей запятой в два-три раза. Данные об операциях с плавающей запятой для самых высокопроизводительных микропроцессоров на основе тестов SPECfp95 (SPEC floating point) указаны в Таблице 2.

ТАБЛИЦА 2 - РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОРОВ ПРИ ОПЕРАЦИЯХ С ЧИСЛАМИ С ПЛАВАЮЩЕЙ ЗАПЯТОЙ НА НОЯБРЬ 1996 ГОДА

Кроме того, отметим, что все главные процессоры RISC, в противовес 32-разрядной архитектуре процессоров Pentium, являются 64-разрядными. Подводя итоги, отметим, что Pentium Pro/200 МГц имеет результат 6,68, а Alpha/500 МГц компании DEC - 20,4. Показатели производительности, несомненно, свидетельствуют в пользу систем на основе процессоров RISC.

СИСТЕМНЫЕ АРХИТЕКТУРЫ

Результаты тестирования процессоров - это еще не все. Существует множество других факторов, влияющих на производительность системы в целом. Некоторые из этих факторов (такие, например, как пропускная способность шины данных процессора) имеют количественную оценку. Другие измерить и, соответственно, охарактеризовать сложнее. К примеру, архитектура кэша, ширина полосы пропускания и время задержки оказывают значительное влияние на пропускную способность системы в целом: здесь различия между архитектурами обычных систем с Pentium Pro и систем на основе RISC-процессоров весьма значительны.

Наиболее очевидный аргумент в пользу процессоров RISC состоит в том, что у большинства из них 64-разрядная архитектура. Одно из основных преимуществ 64-разрядной архитектуры - более широкое адресное пространство, а это сказывается на объеме поддерживаемой оперативной памяти и на размере непосредственно адресуемого раздела на жестком диске. Для средних пользователей настольной системы, работающих с текстовым процессором или с обычными электронными таблицами, ни один из этих факторов не является сколь-нибудь важным. Для них 32-разрядная архитектура процессоров Pentium и Pentium Pro вполне адекватна. Сложным инженерным приложениям, однако, необходимо более широкое адресное пространство. К примеру, в 1996 году компания Hal Computer представила 64-разрядную рабочую станцию RISC с оперативной памятью до 3 Гбайт, благодаря чему система за считанные часы может выполнить моделирование сложной архитектуры процессора, которое в противном случае заняло бы несколько дней или было бы вообще невозможно. Более широкое адресное пространство, предлагаемое 64-разрядными архитектурами, важно и для серверов крупных баз данных, так как общее ограничение в 2 Гбайт на размер раздела в 32-разрядных системах может негативно отразиться на корпоративных базах данных и приложениях добычи данных.

Более тонкими, но не менее важными, вопросами функционирования систем для инженерных и научных приложений или для корпоративных серверов и серверов крупных подразделений являются пропускная способность шины и системная задержка. По мере увеличения объемов обрабатываемых данных, как, например, в случае с графикой, видеоизображениями и различными приложениями для визуализации данных, пропускная способность системной шины становится крайне важной. Количество времени (так называемая системная задержка - system latency), необходимое системе для обработки данных, тесно связано с пропускной способностью. Архитектура процессора и конструкция всей системы влияют на системную задержку и пропускную способность.

В процессоре пропускная способность в конечном счете определяется размером и числом информационных каналов между памятью и самим процессором. Процессор Pentium Pro имеет 64-разрядную шину между памятью и процессором, позволяя теоретически поддерживать максимальную пропускную способность 528 Мбайт/с. Характеристики процессоров RISC в целом соответствуют, или несколько выше, этому значению. К примеру, 64-разрядная мультиплексная архитектура процессора PA-8000/180 МГц компании HP обеспечивает пропускную способность 768 Мбайт/с, в то время как UltraSPARC компании - 1,3 Гбайт/с. Модель процессора PA-8000/200 МГц с одним 128-разрядным информационным каналом и тремя 64-разрядными информационными каналами, которая, согласно прогнозам, появится в 1997 году, лишь усилит это различие.

Разница в архитектурах еще более очевидна на системном уровне. Хотя некоторые производители RISC-систем встраивают в свои архитектуры шины PCI, тем самым позволяя использовать стандартные периферийные платы, шина PCI, как правило, является вспомогательной для главной системной шины. К примеру, Silicon Graphics включила 64-разрядную версию шины PCI, иногда называемую Ultra PCI, в свои серверы Origin 2000. Руководство Silicon Graphics рассматривает 64-разрядную шину PCI как "медленную часть" системы, поскольку шина XIO может обеспечить среднюю пропускную способность ввода-вывода в 82 Гбайт/с для монтируемых в стойку версий ее серверов с несколькими узлами. Придерживающаяся аналогичной стратегии компания Sun встроила в Enterprise Servers шину, которую Sun называет Gigaplane. Gigaplane - это 256-разрядная шина с частотой 83,3 МГц (сравните ее с 32-разрядной шиной PCI с частотой 66 МГц, наиболее часто используемой в серверах с Pentium Pro).

Хотя предметом нашего главного интереса являются серверы, давайте немного поговорим о графических рабочих станциях. В целом производители, которые создают графические рабочие станции на основе процессора Pentium и шины PCI, склонны использовать продукт со стандартной архитектурой. Таким способом производители систем с процессорами компании Intel (например Intergraph) стараются добиться низкой стоимости высокопроизводительных графических станций. Digital взяла на вооружение аналогичный подход с применением шины PCI в своих рабочих станциях с процессорами Alpha: она использует менее дорогие графические акселераторы на основе PCI и полагается в осуществлении графического рендеринга на скорость процессора Alpha.

Но с традиционными графическими архитектурами рабочих станций Unix ситуация совершенно иная. В Таблице 3 указаны результаты тестов Viewperf по определению производительности OpenGL на реальных графических приложениях. В итоге Intergraph TDZ310 с процессором компании Intel показал результат 27,88. Сравните его с Ultra 1 Model 170E компании Sun с внешней графической подсистемой Freedom Series 3400, которая получила 63,66. Специализированные графические архитектуры RISC-систем обеспечивают значительно лучшую производительность, правда, по более высокой цене.

ТАБЛИЦА 3 - РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ VIEWPERF OPENGL С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ CDRS-03

ПРОГРАММНЫЕ АРХИТЕКТУРЫ

Еще одним важным фактором, на который стоит обратить внимание при выборе платформы, является программная архитектура, которую процессор поддерживает. Тот факт, что современные процессоры Intel главным образом предназначены для операционных систем Microsoft, а процессоры RISC обычно работают с Unix, очевиден. Различие сглаживается тем, что для систем с процессорами Intel существует большое количество реализаций Unix. Так, Santa Cruz Operation (SCO) известна своей ОС Unix на базе процессоров Intel для небольших и средних компаний, имеющих серверные многопользовательские приложения.

Хотя компьютеры с процессорами Intel доминируют среди настольных систем и добились значительных успехов на корпоративном уровне, серьезные корпоративные приложения работают все же или на крупных Unix-серверах, или на компьютерах класса мэйнфреймов с собственными, хотя и поддерживающими открытые стандарты, операционными системами. Системы с процессорами Intel только начинают выходить на уровень требований, предъявляемых к архитектурам крупных систем и к многопользовательским решениям. Data General, к примеру, изменила архитектуру своих серверов Aviion на базе Pentium Pro и представляет кластеры высокой степени готовности под управлением операционной системы DG-UX, усовершенствованной реализации Unix. Различные производители систем RISC, в том числе HP, IBM, Silicon Graphics и Sun, предлагают решения высокой степени готовности только в моделях старшего класса своих семейств продуктов.

Ключевой фактор при выборе платформы, о котором нужно помнить, однако, состоит в том, что вычислительные модели, защищаемые сторонниками ПК и Unix, имеют фундаментальные различия. OS/2 Warp Server компании IBM, Windows NT Server компании Microsoft и NetWare компании Novell реализуют идею предоставления файлов, печати и других услуг клиентам настольных ПК. В отличие от них реализации Unix являются истинно многозадачными, многопользовательскими операционными системами, ориентированными на централизованную обработку. Клиент-серверные приложения для Unix передают некоторую часть обработки обратно настольной системе, но надо помнить, что данная модель поддерживается многопользовательскими многозадачными средствами базовой операционной системы Unix.

Эти различия становятся не столь четкими в результате появления нового вида ПК - сетевого компьютера под соусом Web. Хотя деловое сообщество еще должно посредством своих корпоративных чековых книжек проголосовать по последнему вопросу, вероятнее всего, что реально мы будем иметь сочетание этих двух видов настольных систем. Основной вопрос в том, каким образом соответствующие достоинства двух базовых подходов удовлетворяют вашим требованиям.

ДВИЖУЩИЕ СИЛЫ ОТРАСЛИ

Вопросы, которым мы уделяли внимание до этого момента, были в основном техническими, но технические соображения отходят на второй план перед реальной динамикой компьютерной отрасли. В конечном итоге любое решение о покупке равнозначно ставке на архитектуру выбранного производителя. При покупке такой стратегии - как кратковременного или как долговременного решения - нужно сделать поправку на постоянно происходящую в отрасли технологическую чехарду. Выбор базовой системной архитектуры, однако, должен определяться тем, насколько базовые архитектурные стратегии двух основных лагерей производителей соответствуют вашим требованиям в долгосрочной перспективе. Особое внимание стоит обратить на два аспекта взаимоотношений в отрасли.

Во-первых, партнерские взаимоотношения по разработке микропроцессоров между Intel и HP. Цель этого партнерства состоит в разработке 64-разрядной процессорной архитектуры (изначально названной P7, а теперь получившей новое имя - Merced), которая, вероятно, объединит технологии обеих компаний. Merced разрешит проблемы Intel, связанные с тем, что многими воспринимаются как коренные недостатки архитектуры x86, и улучшит производительность операций с плавающей запятой процессоров Intel. HP это будет выгодно, поскольку компания сможет отказаться от проектирования микропроцессоров и производственной деятельности, что позволит ей заняться капитальными инвестициями в другие области. Вопросы совместимости приложений и набора команд между архитектурами Merced и Pentium, скорее всего, какое-то время останутся нерешенными. Возможно, более важным аспектом партнерства Intel-HP является то, что оно направлено на создание архитектуры 64-разрядного процессора, рассчитанного на широкий круг пользователей, т. е. 64-разрядный процессор будет производиться в массовых количествах, тем самым стоимость всей системы для потребителя снизится.

Заинтересованность в широкодоступном процессоре и системной архитектуре - это второй компонент движущих сил отрасли. Такая цель, как снижение цены, определенно заслуживает внимания. Поэтому различные производители систем с процессорами Intel выбирают архитектуры на основе материнских плат производства Intel. Хотя выгода дешевых систем очевидна, потребительский подход к архитектуре предполагает, что все системы и архитектуры, построенные вокруг этих потребительских систем, должны удовлетворять одинаковым требованиям. Но, как известно, в конкурентной борьбе успех зачастую обеспечивается специализированными решениями. Именно с их помощью компании могут более эффективно предоставлять продукты или услуги своим потребителям. Производители систем RISC, например, давно осознали, что далеко не каждая задача на вычисление решается при помощи ПК и хороших электронных таблиц. Предназначая свои системы для удовлетворения специфических потребностей пользователей, такие производители в то же время обеспечивают поддержку открытых систем и межнациональных стандартов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Пытаясь определить, когда стоит рассматривать различные аппаратные платформы и операционные системы, мы остановились на вопросах, касающихся архитектуры и производительности процессора, различий в архитектуре на системном уровне между машинами на основе процессоров Intel и RISC, и учли потенциальное воздействие движущих сил отрасли. Какие выводы можно сделать из вышесказанного?

Если рассматривать только результаты тестов, таких как SPECint и SPECfp, системы RISC являются лидерами по производительности как при операциях с целыми числами (с небольшим отрывом), так и с числами с плавающей точкой (со значительным опережением). Аналогично, системы с процессорами RISC предлагают существенно более широкое адресное пространство, благодаря чему они поддерживают конфигурации с большим объемом оперативной памяти и объемом диска. Кроме того, они обеспечивают значительно более высокую пропускную способность, нежели машины с процессорами Intel. Таким образом, если ваши требования к будущей системе включают интенсивное использование вычислений с плавающей запятой или графических приложений и приложений баз данных, требующих широкой полосы пропускания, то год назад вам определенно стоило задуматься об альтернативе в виде систем RISC. Однако вы должны понимать, что эти факторы больше касаются серверов и специализированных пользователей, чем обычных пользовательских настольных систем.

При рассмотрении различных RISC-систем помните, что каждый RISC-производитель относится к тонким различиям в требованиях по-своему. Вместо того чтобы тратить время на выслушивание аргументов производителей в пользу технического превосходства той или иной процессорной архитектуры, обратите лучше внимание, на каких потребителей ориентированы их продукты. Затем стоит поближе познакомиться с конкретными продуктами, занимающими ведущее положение на рынках и наиболее соответствующими вашим требованиям. Если в будущем вам будет необходима дополнительная вычислительная мощность, то можете особенно не волноваться: все ведущие производители RISC-систем, благодаря интероперабельности Unix, обеспечивают определяющую степень защиты инвестиций.

Если тем не менее ваши требования не определяются операциями с плавающей точкой или пропускной способностью, то вам вполне могут подойти системы на основе процессоров компании Intel. Производители Intel-систем уже начали обеспечивать более серьезную степень готовности своих серверов. Добавляя усовершенствованные варианты Unix к продуктам на базе Intel, некоторые производители гарантируют кластерные возможности, которые все больше приближаются по характеристикам к истинной устойчивости к сбоям, далеко опережая будущие возможности NT и так называемой кластерной инициативы Microsoft, Wolf Pack. Кроме того, вашим требованиям к серверу могут прекрасно удовлетворить обычные компьютеры с Pentium Pro, на которых работает Windows NT Server или его будущие вариации. Можно, конечно, слепо довериться стратегии производителей, но предпочтительнее сделать это осмысленно, чтобы их предложения соответствовали вашим требованиям.

КОММЕНТАРИИ ПО ОСНОВНЫМ НАБОРАМ ТЕСТОВ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ИНФОРМАЦИОННЫМ РЕСУРСАМ

SPEC и другие

Когда речь идет о системах с Unix, наиболее часто используемые характеристики ПК, такие как WinMark компании Ziff-Davis, имеют малую ценность. Существует несколько пакетов оценки производительности на системном уровне, используемых в мире Unix, каждый из которых исповедует несколько отличный взгляд на системную производительность. Некоторые тесты Unix, такие как наборы компании Standard Performance Evaluation Corp. (SPEC), служат для определения "чистой" производительности процессора, другие в большей степени уделяют внимание приложениям. Важно осознавать, что никакой одиночный тест не даст вам полного представления о производительности. Поймите также, что тесты развиваются вместе с технологиями, которые они тестируют.

Оценке подлежит множество аспектов системной производительности, и относительная важность каждого зависит от предполагаемого использования системы. Информация о том, как конкретная система ведет себя в различных тестах, должна предоставляться производителем. Кроме того, многое можно найти в Web.

AIM. Компания AIM Technology производит наборы тестов для оценки скорости выполнения приложений и предоставляет информацию и услуги по тестированию. Наборы тестов AIM, Suite VI для рабочих станций и Suite VII для серверов используют то, что представители AIM называют смешанной нагрузкой, позволяющей определить производительность для конкретного круга задач. Информацию и результаты можно найти по адресу: www.aim.com.

Dhrystone и Whetstone. Эти тесты не дают надежного представления о производительности системы.

GPC. The Graphics Performance Characterization Committee (GPC), некоммерческая организация, в состав которой входят независимые эксперты, предоставляет несколько популярных наборов тестов для оценки различных аспектов графической производительности. Эти комплекты включают в себя Picture Level Benchmark для двумерных, трехмерных каркасов и тестирования трехмерных графических поверхностей; Viewperf для тестирования OpenGL на уровне приложений; и Xmark93 для определения производительности систем X Window. GPC входит теперь под юрисдикцию SPEC, и с ней можно связаться через Web-страницу SPEC по адресу: www.specbench.org.

Neal Nelson. Neal Nelson&Associates разрабатывает Neal Nelson Business Benchmark и Remote Terminal Emulator (RTE) для тестирования систем на уровне приложений. Business Benchmark имитирует различные рабочие нагрузки для разных типов приложений, тестируя производительность подсистем внутри компьютера. RTE обеспечивает средства написания сценариев специальных операций внутри приложений на различных пользовательских уровнях для ориентированного на конкретный узел тестирования. Предлагаются сравнительные отчеты ранее протестированных систем и предоставляются услуги по тестированию.

SPEC. Организация, созданная изначально как System Performance Evaluation Cooperative (1988 год), была затем преобразована в Standard Performance Evaluation Corp. (SPEC). Тесты SPEC пользуются наибольшим признанием в мире Unix и считаются основной точкой отсчета для сравнения систем Unix разных производителей. Основные тестовые наборы - SPECint95 и SPECfp95 для тестирования производительности процессора при операциях с целыми числами и числами с плавающей точкой плюс SPECsfs, также известный как Laddis, для тестирования производительности сетевой файловой системы. Не путайте эти наборы с предыдущими версиями тестов, SPECint92 и SPECfp92, их результаты не сравнимы. Более подробную информацию об индивидуальных тестах и результатах системной производительности можно получить на Web-странице SPEC по адресу: www.specbench.org.

TPC. Transaction Processing Performance Council (TPC) проводит тестирование обработки интерактивных транзакций и приложений баз данных в крупных распределенных вычислительных системах. Тесты TPC включают в себя TPC-C для обработки транзакций и TPC-D для систем поддержки принятия решений (обработки SQL-запросов). Производители аппаратных систем и СУБД обычно используют результаты TPC-C и TPC-D в рамках своих маркетинговых программ. Системные результаты вычисляются в транзакциях в секунду (чем выше - тем лучше) и в стоимости транзакции в секунду (общая стоимость системы, разделенная на транзакции в секунду; чем ниже, тем лучше). Информацию и результаты можно получить по адресу: www.tpc.org.