La frontiera

Sapphire Rapids: come la nuova architettura cambierà i server “general purpose”

L’architettura Sapphire Rapids per i processori x86 consentirà di avere in un’unica CPU 4 chiplet da 15 core ciascuno, quindi 60 core per CPU, da comporre e configurare a seconda del workload. I server general purpose non saranno più così “general”: i dettagli, gli attuali parametri di potenza CPU, l’impatto sul procurement

10 Ago 2022
Antonio Cisternino

Università di Pisa

chip stm

L’evoluzione nel design dell’architettura di processori x86 vedrà una nuova pietra miliare con l’arrivo, nella seconda metà dell’anno (a meno di ulteriori ritardi), della nuova generazione di processori Xeon basati sull’architettura Sapphire Rapids (la generazione corrente, ormai datata 2018, è soprannominata Ice Lake).

Un’architettura nota per introdurre l’idea dei chiplettiles, ovverosia concentrare su unico “dice” quattro processori, con caratteristiche potenzialmente differenti.

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Gli attuali parametri di potenza di una CPU

Dopo oltre quarant’anni di processori x86, siamo tutti abituati a giudicare la potenza di una CPU da pochi e, per certi versi semplici, parametri da confrontare per la configurazione di un computer.

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Infatti, il ricco insieme di istruzioni x86 ha sempre creato una barriera tra il programma e il microcodice all’interno del processore, responsabile dell’implementazione delle istruzioni.

Ecco, quindi, che processori molto differenti in termini di prestazioni come la serie Core iX per PC, i vecchi Atom, i Celeron, e gli Xeon per i server, si caratterizzavano largamente in base al numero di core, alla presenza di multi-threading e alla frequenza di esecuzione.

In realtà, il susseguirsi di innovazioni ha lentamente trasformato l’insieme di istruzioni x86, introducendo istruzioni per funzioni specifiche concepite come estensioni, fin dai primi anni in cui il coprocessore matematico forniva un’implementazione in hardware per l’aritmetica in virgola mobile, implementata in software in sua assenza.

Alla fine degli anni ’90, le istruzioni MMX hanno introdotto funzioni specifiche per le applicazioni multimediali, unitamente alle istruzioni SSE per effettuare in modo efficiente calcoli vettoriali.

I calcoli vettoriali sono essenziali per implementare funzioni di algebra lineare, utili in numerose applicazioni dei calcolatori, dalla grafica dei videogiochi alla gestione dell’audio, alla sicurezza e all’intelligenza artificiale.

A partire dal 2005, si sono affiancate le istruzioni VT per il supporto alla virtualizzazione e, dal 2008, le istruzioni vettoriali dedicate alle operazioni crittografiche, note come Advanced Encryption Standard (AES).

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Come se non bastasse, anche AMD, in possesso della licenza per l’instruction set x86, ha contribuito ad aggiungere nuove istruzioni dedicate, con il contributo forse più importante nell’aggiunta delle istruzioni a 64 bit che hanno decretato il successo della piattaforma x86 invece di Itanium, la piattaforma a 64 bit disegnata da Intel per superare x86.

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Per molti anni, la gestione delle estensioni è stata demandata ai compilatori e a librerie che supplivano l’assenza di particolari istruzioni. Da qualche anno, la tendenza è quella di offrire delle istruzioni di test affinché un software possa verificare la disponibilità di un’estensione di istruzioni su un particolare processore e decidere se usare o meno una certa accelerazione.

Le potenzialità di Sapphire Rapids

Grazie all’architettura Sapphire Rapids, è possibile avere in un’unica CPU quattro chiplet con 15 core ciascuno, raggiungendo l’incredibile numero di 60 core per CPU.

Questo design consente di avere chiplet con caratteristiche differenti e di comporre la CPU a seconda del workload che dovrà gestire. Ecco, quindi, che sarà possibile avere una tile ottimizzata per i calcoli vettoriali, due per algoritmi AI e un’ultima per la crittografia.

Inoltre, oltre a supportare la memoria DDR5 sarà anche disponibile una particolare configurazione nota come High Bandwidth Memory (HBM) capace dell’incredibile velocità di trasferimento di 1TB/s.

Concentrare così tanti core in una singola CPU non può che aumentare il Thermal Design Power (TDP) fino a raggiungere i 350W nelle configurazioni più performanti.

L’impatto sugli acquisti di processori nella Pubblica Amministrazione

L’esistenza di CPU le cui caratteristiche principali erano numero di core e frequenza di clock ha sempre permesso alla Pubblica Amministrazione di fare gare per processori di fascia intermedia che consentissero di funzionare per molti workload, ma con l’arrivo di Sapphire Rapids è da chiedersi se tutti i server x86 siano uguali.

Ammettendo tre tipologie di chiplet (virtualizzazione, crittografia e AI) e una totale intercambiabilità di configurazioni, si arriva rapidamente a dodici configurazioni funzionalmente differenti, a cui dobbiamo poi aggiungere frequenza e numero di core.

È quindi atteso un grande numero di “SKUs” ovvero codici di prodotto, e quindi configurazioni, per i processori di questa nuova generazione, ed è quindi legittimo chiedersi quale impatto avrà sulle procedure di procurement della PA.

Fino ad oggi, infatti, si è sempre pensato che un buon bilanciamento nelle caratteristiche della CPU consentisse di fare una gara per la PA con poche tipologie di lotti di server, spesso differenziati da caratteristiche del server e non tanto della CPU (server a 2 o 4 vie ad esempio).

Ma cosa accadrà ora che i processori potranno portare non solo a configurazioni diverse ma anche a design differenti dei server a seconda delle caratteristiche esterne del processore (come ad esempio il TDP)?

Sarà quindi interessante osservare quali strategie CONSIP utilizzerà nella realizzazione dei bandi, per non sacrificare l’incredibile spazio di configurazione che le nuove piattaforme Intel offriranno.

I processori AMD per ora mantengono un approccio più tradizionale e non è da escludersi che le prime gare mantengano una struttura analoga a quelle che già conosciamo, ma la perdita di generalità delle CPU che cominciano ad adattarsi a specifici workload è sicuramente destinata ad avere impatto sul modo con cui costruiamo le gare e sull’idea che queste possano essere grandi a piacere perché i server sono tutti uguali e solo il software ne differenzia l’uso.

Questo non era già più vero in vari campi (i server big data ad esempio hanno struttura molto differente di quelli disegnati per la virtualizzazione iperconvergente), ma si trattava essenzialmente di configurazioni di componenti, adesso il cambio delle CPU apre a mutamenti più profondi che richiederanno configuratori e gare sempre meno generiche.

Per ora ci limitiamo ad attendere che Sapphire Rapids arrivi per capire quanto questo nuovo design condizionerà l’idea di server “general purpose”.

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@RIPRODUZIONE RISERVATA

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