На фоне экономического спада, вызванного коронавирусной эпидемией, некоторые производители серверного оборудования чувствуют себя неплохо, в частности, к таковым можно отнести IBM с её серией мейнфреймов, основанных на архитектуре Z. Последним, пятнадцатым её воплощением является z15 и о «больших» машинах этой серии мы вкратце рассказывали читателям. Однако тем интереснее рассмотреть эти уникальные процессоры более детально — о них компания рассказала подробно на мероприятии Hot Chips 32.
Компания IBM недавно опубликовала отчёт, в котором говорится о росте продаж мейнфреймов — рост популярности разного рода удалённых сервисов неизбежно привёл и к росту потребности в вычислительных мощностях. Многие клиенты компании традиционно предпочитают запускать задачи класса mission critical не на оборудовании с архитектурой x86, а на доказавшей свою надежность z/Architecture.
Как уже говорилось, последняя на сегодня, пятнадцатая итерация z/Architecture изначально создавалась с прицелом на конфиденциальность, информационную безопасность и задействование в облачных средах. В IBM z15 модели 8561/T01 это означает до 190 клиентских ядер, что на четверть больше, нежели у аналогичной модели z14. При этом обеспечивается сквозное шифрование данных, вдвое более быстрое, чем раньше, а уровень надёжности и доступности составляет 99,999%.
Сердцем этого модельного ряда является z/15, по ряду характеристик — уникальный процессор. Так, частота 5,2 ГГц до сих пор не является чем-то обычным для мира x86, а z/15 на это способен, хотя и при водяном охлаждении, которое всё чаще встречается в современных ЦОД. При этом с точки зрения техпроцесса выглядит z/15 довольно консервативно, поскольку производится с использованием 14-мм норм SOI (Silicon-on-Insulator, кремний на изоляторе). Площадь 17-слойного кристалла составляет 696 мм2.
В отличие от серверов x86, z/15 вообще не предназначен для одиночной работы. Минимальная «единица» включает в себя четыре таких процессора на полку, и таких полок в системном шкафу может быть до пяти, а подсистема памяти и массивный кеш четвёртого уровня у полок общая; имеется также отдельный управляющий процессор (System Control Chip). «Межполочная» система соединений организована по принципу «каждый с каждым».
Процессоры z/15 бывают двух типов: основной и управляющий. Основной вариант состоит из 9,2 миллиардов транзисторов, имеет 12 ядер, каждое из которых сопровождается 8 Мбайт кеша L2 (по 4 Мбайт на инструкции и данные), кеш L3 общий для всех ядер, его объём — 256 Мбайт. Управляющий вариант (SC) сложнее, в него входит 12,2 миллиарда транзисторов, и это понятно: процессор содержит всю логику системных межсоединений и поддержания когерентности, а также массивный общий кеш L4 объёмом целых 960 Мбайт.
Мейнфрейм в целом включает в себя до 20 CP-процессоров. Общее количество ядер достигает 240, из них 190 являются конфигурируемыми со стороны клиента, использующего мощности системы. Объём оперативной памяти при этом может достигать 40 Тбайт. Подсистема ввода-вывода представлена 60 наборами PCIe 4.0 x16 и 192 платами ввода-вывода (максимально 384 канала). Помимо чисто количественного наращивания всех характеристик, включая объёмы кешей, z/15 содержит и ряд микроархитектурных новшеств.
Структура конвейера у z/15 отдалённо напоминает NetBurst (Pentium 4) — он изначально спроектирован для достижения максимально возможной тактовой частоты и имеет большую длину. Предсказание ветвлений у него асинхронное и осуществляется до выборки инструкций, сама выборка имеет глубину 32 инструкции на такт, разбор и декодирование происходит на скорости 6 инструкций за такт, предусмотрено расщепление CISC-инструкций.
Архитектура относится к разряду внеочередных (Out-Of-Order), каждый конвейер включает в себя четыре блока операций с фиксированной запятой (FXU) и два блока инструкций типа SIMD. Но помимо этих достаточно привычных функциональных блоков, z/15 имеет в своём составе и ряд так называемых «ускорителей» (accelerators).
Одним из таких ускорителей можно назвать блок, представляющий собой гибридный компрессор/декомпрессор данных, работающий по алгоритму LZ. Его наличие позволяет существенно разгрузить подсистемы памяти и хранения данных и повысить эффективность их использования. Ранее, в z/14 такая функциональность реализовывалась с помощью ПЛИС. Работал этот блок на частоте несколько сотен МГц, но за счёт его интеграции в основной кристалл скорость удалось повысить до более чем 5 ГГц.
Поскольку мейнфреймы серии Z очень популярны в финансовой среде, где безопасность транзакций является ключевым моментом, вопросам криптографии в z/15 уделено очень большое внимание. Аппаратно поддерживается эллиптическая криптография и модульная арифметика, однако все инструкции подписи, проверки и скалярного умножения прозрачны и открыты для программного обеспечения. При этом выполнение таких операций идёт в очередном и неспекулятивном режиме. В z/14 всё это было реализовано посредством отдельной платы Crypto Express6, а интеграция позволила повысить криптографическую производительность в 11 ‒ 22 раза.
Мейнфреймы IBM z15 могут иметь разную конфигурацию. Максимальная включает в себя четыре шкафа, самая быстрая версия использует жидкостное охлаждение. При этом уровень энергопотребления на 40% ниже, нежели у предыдущего поколения. Минимальная конфигурация — это один шкаф с одной процессорной полкой и тремя полками ввода-вывода. Последние общаются с внешним миром посредством FICON (разновидность Fibre Channel), 10/25GbE (с поддержкой RoCE), а также zHyperLink.
Последний вариант являет собой интерфейс «короткой дистанции», он не может сравниться по длине кабелей с FICON и, тем более, Ethernet, однако при подключении в SAN демонстрирует на порядок более низкий уровень латентности. Его основное предназначение — ускорение транзакций при работе z/OS с базами данных DB2.
В основном варианте мейнфрейм z15 работает под управлением популярной в банковской и ERP-среде операционной системы z/OS, надёжной и проверенной временем. Обычно стоимость таких комплексов весьма высока, но идея либерализации цен проникла и в эту консервативную отрасль. Весной этого года семейство z15 пополнилось относительно доступными версиями Model T02 и LinuxONE III Model LT2.
Первая — по сути, минимальный вариант конфигурации мейнфрейма, но вторая представляет больший интерес, поскольку изначально ориентирована на использование Linux вместо z/OS. Одной версией Linux она не ограничена, за счёт системы контейнеризации поддерживается RHEL, SUSE и Ubuntu, при этом виртуальные Linux-машины в контейнерах Secure Execution аппаратно защищены от несанкционированного запуска вне логической системы z15, для которой они были сконфигурированы.
Поддержка Linux органично вписывает z15 в мир, в котором становятся всё более популярными облачные гиперконвергентные среды.
