Hoe werken serverprocessors eigenlijk? En waarin verschillen ze van de processors die in pc’s zitten? Welke processors moet ik kiezen voor mijn servers? In zijn nieuwste techguide gaat GIGABYTE Technology, een marktleider in serveroplossingen die de meest geavanceerde processors ondersteunen, in op de grondbeginselen van serverprocessors en worden de verschillen tussen diverse typen processors behandeld aan de hand van enkele GIGABYTE-producten die geschikt zijn voor verschillende gebruiksscenario’s en individuele behoeften.
In de moderne wereld van IT-technologie hebben ondernemingen de noodzaak ingezien om hun digitale transformatie zo snel mogelijk in gang te zetten. De tools die zij kiezen zijn vaak goed presterende, uiterst betrouwbare servers – bij voorkeur servers met een kleinere, milieuvriendelijkere CO2-voetafdruk. Deze servers zijn de drijvende kracht achter supercomputers en datacenters. De kern van hun kracht komt van de serverprocessors, ook bekend als server-cpu’s, die in elke server zitten.
Wat zijn serverprocessors?
De serverprocessor is de centrale verwerkingseenheid of cpu in het hart van elke server. De rol van de cpu is het uitvoeren van ‘instructiecycli’ – dat wil zeggen, het samenwerken met de andere componenten in een server om de berekeningen uit te voeren die de primaire workload van een server vormen. Zo voeren servers tal van verschillende taken uit, van het opslaan van gegevens en het hosten van webpagina’s, tot het onderzoeken van oplossingen voor klimaatverandering en het helpen van wetenschappers bij het verkennen van de ruimte.
De cpu zelf is op het eerste gezicht niet veel om naar te kijken: het is een chip die je in de palm van je hand past. Binnenin bevindt zich een complete set tools voor het uitvoeren van berekeningen, zoals de programmateller, het cpu-register en de rekenkundige logische eenheid, ofwel Arithmetic Logic Unit (ALU).
Deze tools worden gebruikt om instructiecycli uit te voeren. Elke cyclus wordt onderverdeeld in vier stappen: ophalen, decoderen, uitvoeren en terugschrijven. Daarom wordt de instructiecyclus ook wel met de Engelstalige term ‘fetch-decode-execute-cycle’ aangeduid.
Telkens wanneer er een programma wordt uitgevoerd, ‘haalt’ de cpu instructies en gegevens op uit het RAM-geheugen. Hij ‘decodeert’ de instructies om te begrijpen wat hij moet doen. Afhankelijk van het ontwerp van de instructieset-architectuur (Instruction Set Architecture, ISA) van de processor kunnen de instructies in CISC- of RISC-formaat zijn.
In de ‘execute’-fase gebruikt de cpu zijn interne componenten, zoals de ALU, om de berekening uit te voeren en de opdracht te verwerken. Ten slotte ‘schrijft’ de cpu de resultaten terug naar het RAM, waarmee de instructiecyclus is voltooid. Een serverprocessor kan miljarden instructiecycli in één seconde afwerken.
Wat de ISA’s betreft, is het het vermelden waard dat de vraag of een serverprocessor de RISC- of CISC-architectuur volgt, van invloed is op de structuur van de gebruikte gegevens en de manier waarop de cpu met het RAM samenwerkt. CISC-processors ondersteunen complexe instructies die over meerdere klokcycli kunnen worden uitgevoerd, waardoor ze met veel kleinere codegroottes kunnen werken en minder geheugen nodig hebben om alle instructieregels op te slaan.
Het RISC-formaat gebruikt juist eenvoudige instructies die binnen één klokcyclus kunnen worden uitgevoerd, waardoor de code groter kan zijn, maar wat meer geheugencapaciteit vereist. De prestaties van de twee typen serverprocessors zijn uiteindelijk ongeveer gelijk, waarbij RISC-processors vanwege de minder gecompliceerde architectuur een voorsprong hebben op het gebied van energie-efficiëntie en warmteafvoer.
Het overheersende type CISC-processors staat bekend als ‘x86’, genoemd naar een reeks Intel-processors die de chipfabrikant in de jaren tachtig heeft uitgebracht. Momenteel zijn Intel en AMD de twee drijvende krachten op de x86-markt.
Het populairste type RISC-processors is de ARM-processor, die veel wordt gebruikt in smartphones en andere mobiele apparaten. Tussen 1985 en 2021 zijn er wereldwijd 200 miljard ARM-chips verscheept. ARM-processors maken ook vorderingen op de servermarkt. ‘Fugaku’, een van ‘s werelds krachtigste supercomputers, draait op ARM-processors.
Serverprocessors versus pc-processors
Nu zullen de meeste lezers weten dat er servers en pc’s zijn, maar zich wellicht afvragen wat het verschil is tussen een serverprocessor en een pc-processor. Hier zijn vier cruciale manieren waarop ze niet hetzelfde zijn:
● Aantal gebruikers en hoeveelheid gegevens
Het grootste verschil ten opzichte van een pc-processor is de hoeveelheid gegevens en het aantal gebruikers waarmee een serverprocessor moet werken. Servers werken met terabytes aan gegevens en worden benaderd door honderden, zo niet duizenden gebruikers tegelijk. Daarom moeten server-cpu’s sneller rekenen en veel meer gegevens verwerken, op een niveau dat soms ook bekend staat als High Performance Computing (HPC).
● Beschikbaarheid en betrouwbaarheid
Betrouwbare werking is een onmisbare eigenschap van de serverprocessor. Cpu’s in servers werken 24 uur per dag, 7 dagen per week. ‘Hoge beschikbaarheid’ is een basisvereiste in de meeste datacenters omdat offline servers een enorm aantal gebruikers ongemak kunnen bezorgen en een onberekenbare hoeveelheid financiële schade kunnen veroorzaken. Ter vergelijking: zoals elke pc-gebruiker weet, kan een pc wel eens crashen, maar dat is over het algemeen snel te verhelpen. In een bedrijf is dan ook maar een persoon getroffen, niet tientallen of honderden tegelijk.
● Cpu-cache
Het cache in een cpu is een klein stukje geheugen dat fungeert als tussentijdse opslag tussen het RAM en de cpu. Door veelgebruikte instructies of gegevens in de cpu-cache op te slaan, wordt de tijd of energie die nodig is om informatie uit het werkgeheugen op te halen verminderd, wat de prestaties verbetert. Serverprocessors hanteren over het algemeen een hiërarchie van cache-niveaus, van niveau 1 (L1) tot niveau 3 (L3), waarbij een lager nummer staat voor een kleinere cache-omvang maar een hogere snelheid. Pc-processors maken vaak ook gebruik van multi-level cache, maar daarvan zijn de eisen veel minder zwaar.
● Cpu-sockets
De gedachte gaat als volgt: als één processor goed is, moeten twee beter zijn. Er zijn nauwelijks moederborden voor desktop-pc’s waar je meer dan één processor op kunt plaatsen. De moederborden van servers hebben vaak juist meerdere sockets voor meer dan een cpu. Gangbare typen cpu-sockets hebben een Pin Grid Array-ontwerp (PGA), waarbij er pinnen op de processor zitten en gaten in de socket, of ze hebben een Land Grid Array (LGA), waarbij de pinnen in de socket zitten. Cpu-sockets maken het gemakkelijker om processors te verwisselen wanneer dat nodig is.
Core, Thread, Kloksnelheid
Het verschil in rekenkracht tussen een serverprocessor en een pc-processor is zo groot, dat ook veel van de randapparatuur en functies verschillend zijn. Daarvoor moeten we kort ingaan op de verschillende elementen waaruit een serverprocessor bestaat. Naast cpu-caches en cpu-sockets zijn ook andere factoren zoals het aantal kernen, threads en de kloksnelheid van invloed op de prestaties van een serverprocessor.
Het aantal cores, threads en de kloksnelheid zijn de drie criteria die de prestaties van een serverprocessor beïnvloeden. Hoewel de algemene vuistregel is ‘meer en groter is beter’, hangt het ook af van het specifieke werk dat de server moet uitvoeren.
● Core
De core of kern is het centrum van de cpu waarin de instructiecycli worden uitgevoerd. Vroeger bezat een enkele cpu een enkele kern; tegenwoordig kan een cpu een groot aantal kernen bevatten, die elk hun eigen instructiecycli kunnen uitvoeren. Dit vermenigvuldigt de prestaties van de server tot ongekende hoogten. Grotere workloads kunnen door meerdere kernen tegelijk worden uitgevoerd door middel van een proces dat bekend staat als parallel computing. Het aantal kernen is een belangrijke bepalende factor voor de prestaties van de serverprocessor, maar ook het aantal threads en de kloksnelheid moeten in aanmerking worden genomen.
● Thread
Threads zijn de kleinste reeks instructies die onafhankelijk binnen elke kern kunnen worden uitgevoerd. Gewoonlijk bevat een geavanceerde cpu-kern twee threads: de core start een nieuwe instructiecyclus voordat de vorige volledig is afgerond. Door een proces dat bekend staat als multithreading (of hyperthreading), kan een core zijn prestaties in wezen verdubbelen. Veel HPC-servers benutten hun cores en threads volledig om het niveau van supercomputers te bereiken.
● Kloksnelheid
Kloksnelheid is een algemene indicator voor de snelheid van een processor. Het verwijst naar de frequentie waarmee de processor de kloksignalen (ook wel ‘pulsen’) genereert, die de bewerkingen binnen de processor synchroniseren. De meeteenheid is ‘klokcycli per seconde’, of hertz (Hz). Aangezien de kloksnelheid van moderne serverprocessors gewoonlijk wordt gemeten in gigahertz (GHz), betekent dit dat zij miljarden klokcycli per seconde uitvoeren! Het kan verleidelijk zijn om te kiezen voor cpu’s met de hoogste kloksnelheid, maar zoals bij alles wat met serverprocessors te maken heeft, is geen enkele individuele indicator allesbepalend. Doorvoer tussen processors en RAM, de cache-architectuur, de aard van de workload – al deze factoren moeten worden overwogen bij het kiezen van de optimale processor voor een server.
Serveroplossingen voor verschillende processors
GIGABYTE Technology heeft een verscheidenheid aan serveroplossingen die enkele van de meest geavanceerde serverprocessors op de markt ondersteunen. Of je nu op zoek bent naar x86-processors gebaseerd op CISC, zoals de AMD EPYC en Intel Xeon Scalable-serie producten; of naar ARM-processors gebaseerd op RISC, die worden vertegenwoordigd door producten van Ampere Computing, GIGABYTE biedt een volledig scala aan serverarchitecturen.
Zowel RISC- als CISC-processors zijn uitstekende keuzes voor moderne servers. Over het algemeen zijn x86 cpu’s alomtegenwoordig in de huidige datacenters en IT-infrastructuur omdat ze profiteren van het complete hardware- en software-ecosysteem dat het resultaat is van de jarenlange ontwikkeling van Intel en AMD. Ze bieden een ongelooflijk snelle reactietijd en blinken uit in het aanpakken van complexe workloads door middel van multithreading.
ARM-processors zijn gespecialiseerd in hoge prestaties met een lager energieverbruik en minder warmteontwikkeling. Aangezien de overgrote meerderheid van de mobiele apparaten op ARM is gebaseerd, worden ARM-processors ook wel als ‘cloud-native’ aangeduid. ARM-cpu’s bieden over het algemeen een hoger aantal kernen, betere prestaties per watt, uitstekende energie-efficiëntie en warmteafvoer, en een lagere Total Cost of Ownership. Ze zijn gaandeweg een steeds belangrijkere rol gaan spelen in de serverprocessormarkt.
GIGABYTE Technology heeft serveroplossingen die Ampere Altra- en Ampere Altra Max ARM-processors ondersteunen, of met Intel Xeon Scalable- en AMD Epyc x86-processors. Hieronder kijken we naar enkele van hun sterke punten en toepassingsgebieden.
GIGABYTE Technology biedt serverproducten met RISC-ISA ARM-processors zoals de Ampere Altra en Ampere Altra Max. Daarnaast biedt GIGABYTE ook CISC-servers met de x86-architectuur, zoals de Intel Xeon Scalable of AMD Epyc-cpu’s.
ARM-cpu’s: Ampere Altra en Ampere Altra Max
Zoals gezegd worden ARM-processors veel gebruikt in mobiele apparaten zoals smartphones en tablets omdat RISC draait om eenvoudigere instructiecycli, waardoor de cpu minder stroom verbruikt en minder warmte afgeeft. Bij gebruik in servers kunnen ARM-cpu’s rekenkracht bieden die vergelijkbaar is met die van de beste x86-processors.
Als je op zoek bent naar een uiterst energie-efficiënte serveroplossing, of als je van plan bent te werken met ARM-gebaseerde mobiele of edge-apparaten, zijn GIGABYTE-servers die draaien op Ampere Altra en Ampere Altra Max-cpu’s een goede keuze. Zo biedt GIGABYTE serversystemen op basis van de Ampere Altra Max-cpu, zoals de H262-P61, een server speciaal ontworpen voor HDC- of hybride/privécloud-toepassingen. Daarnaast is er ook de R182-P91, die geoptimaliseerd is voor netwerk-applicaties.
GIGABYTE is sinds 2013 een pionier op het gebied van ARM-servertechnologie. Een opmerkelijke casestudy is het Graduate Institute of Networking and Multimedia van de universiteit van Taiwan (NTU), die de G242-P32-server van GIGABYTE en de Arm HPC Developer Kit gebruikte om een zeer nauwkeurig verkeersstroommodel te ontwikkelen als onderdeel van een intelligent transportsysteem.
Ampere’s Altra-serie processors zijn ontworpen om voorspelbare prestaties, hoge schaalbaarheid en energie-efficiëntie te leveren, zoals deze GIGABYTE R182-P91 dual Ampere Altra-server. Ampere’s leiderschap op al deze punten levert uitzonderlijke resultaten op en verlaagt de TCO voor Cloud Service Providers.
x86-cpu’s: AMD EPYC en Intel Xeon schaalbare cpu’s
Aangezien x86-processors gebaseerd zijn op CISC, zijn zij in staat complexe instructies over meerdere klokcycli uit te voeren. Ze kunnen daarmee dankzij technieken als multithreading zeer krachtige prestaties leveren met minder kernen dan ARM-cpu’s. Een andere grote kracht van x86-cpu’s zijn de schaalbaarheid en compatibiliteit – er is een reden waarom x86 serverprocessors nog steeds een leeuwendeel van de markt in handen hebben, en veel bedrijven zweren bij hun x86 cpu’s.
Bijna alle serveroplossingen van GIGABYTE ondersteunen x86-processors. Veel ondernemingen en instellingen kiezen x86 cpu’s – of het nu gaat om Intel Xeon Scalable of AMD EPYC – voor hun servers. GIGABYTE biedt een ruime keuze aan servermodellen, zoals de H263-S64-AAW1 en R183-S92-AAV1, beide voorzien van elk twee 4e generatie Intel Xeon Scalable-processors, waarbij de H263 met name geschikt is voor cloud-toepassingen en de R183 optimale prestaties levert bij netwerktoepassingen.
Intel heeft een ongelooflijke sprong gemaakt in processorprestaties. Met de GIGABYTE H263-S64 met Intel Xeon Scalable-processor profiteren AI en deep-learningprestaties van de ingebouwde AI-versnellingsengines, terwijl netwerken, opslag en analytics gebruik maken van andere gespecialiseerde versnellers in de 4e generatie Intel Xeon Scalable-cpu..
De cpu’s van AMD zijn terug te vinden in servermodellen zoals de R163-Z32-AAC1, die krachtige prestaties levert in netwerktoepassingen net als de R283-Z96-AAE1, en de H273-Z82-AAW1, die bij (hybride) cloud-toepassingen optimaal presteert. Deze servers maken gebruik van de krachtige AMD EPYC 9004-serie serverprocessors, waarbij de H273 en de R283 over twee processors per node beschikken.
De weg naar AMD’s 5 nm Zen 4-architectuur werd geplaveid met vele succesvolle generaties EPYC innovaties en chiplet ontwerpen. De GIGABYTE H273-Z82 met de AMD EPYC 9004-serie processors zetten deze progressie voort. De nieuwe EPYC-processors leveren nog betere cpu-prestaties per watt..
We hopen dat deze technische gids de basisprincipes van serverprocessors heeft kunnen uitleggen, hoe ze verschillen van pc-processors en wat hun prestaties beïnvloedt. Ga naar GIGABYTE Technology voor verdere informatie en contactgegevens.
