Comment optimiser les performances des serveurs ibm équipés de processeurs intel xeon série 5500

Comment la configuration de la mémoire peut avoir un effet sur les performances des serveurs System x et BladeCenterMars 2009

Optimiser les performances des serveurs équipés de processeurs Intel Xeon 5500 SeriesApplication aux IBM System x et BladeCenter

Ganesh BalakrishnanPerformance IBM System x et BladeCenter

Ralph M. BegunDéveloppement d’IBM System x

Optimiser les performances des serveurs IBM System x et BladeCenter équipés des processeurs Intel Xeon 5500 Series

1.0 Introduction

Les processeurs Intel® Xeon® 5500 series sont des processeurs quad-core de dernière génération prévus pour serveurs bi-processeurs. Ils équipent aujourd’hui un grand nombre de plateformes IBM, dont le serveur lame IBM® BladeCenter® HS22, les serveurs rack 1U x3550 M2 et 2U x3650 M2, le serveur tour x3400/3500 M2 et le serveur IBM iDataPlex™ dx360 M2. Grâce aux processeurs Xeon 5500 series, Intel est passé de son architecture traditionnelle SMP (Symmetric Multiprocessing)à une architecture NUMA (Non-Uniform Memory Access). Dans le cas de serveurs bi-socket, les processeurs Xeon 5500 series sont connectés grâce à lien d’interconnexion série appelé QPI (QuickPath Interconnect). Le QPI peut atteindre 6.4, 5.6 ou 4.8 GT/s (gigatransferts par seconde), selon le modèle de processeur. Le processeur Xeon 5500 series intègre un contrôleur de mémoire, permettant ainsi la présence de deux contrôleurs de mémoire dans un système à deux sockets. Chaque contrôleur de mémoire possède trois canaux et prend en charge la mémoire DDR-3. Selon le modèle de processeur, le type de mémoire utilisée et la quantité de mémoire, celle-ci peut être réglée à 1333MHz, 1066MHz ou 800MHz. Chaque canal de mémoire prend en charge jusqu’à 3 DPC (DIMM per channel), pour un maximum théorique de 9 DIMM par processeur ou 18 par serveur à 2 sockets. (Voir l’illustration sur la Figure 1.) Cependant, le nombre maximum de DIMM par système dépend de la conception de ce dernier.

Figure 1. Architecture Xeon 5500 illustrant la capacité de mémoire maximum

2.0 Architecture du système

Nous allons explorer ici les architectures système de différents serveurs IBM System x® et BladeCenter équipés des processeurs Xeon 5500 series, en partant de la mémoire.

2.1 Lame HS22

HS22 est conçu avec 12 emplacements DIMM (Voir Figure 2 et Figure 3). La configuration à 12 DIMM offre la possibilité d’avoir 6 DIMM par socket processeur et 2 DPC (DIMM per Channel).


Figure 2. Architecture des emplacements DIMM HS22

Figure 3. Configuration physique des emplacements DIMM HS22

2.2 Serveurs IBM x3550 M2, x3650 M2, x3500 M2, x3400M2 et iDataPlex dx360 M2

Comme l’illustrent les Figure 4 et Figure 5 ci-dessous, les autres serveurs IBM équipés de processeurs Xeon 5500 series offrent chacun la possibilité d’avoir 16 emplacements DIMM. Comme pour le HS22, chaque processeur possède le même nombre d’emplacements DIMM. Cependant, contrairement au HS22, tous les canaux de mémoire n’ont pas les mêmes DPC (nombre de DIMM par canal).


Figure 4. Architecture des emplacements DIMM x3550 M2/x3650 M2, x3500 M2, dx360 M2

Figure 5. Configuration physique des emplacements DIMM x3550 M2/x3650 M2/x3500 M2/dx360 M2

3.0 Le point sur les performances de la mémoire

Les nombreuses configurations de mémoire possibles nous conduisent à examiner quels crittères importent le plus pour obtenir de bonnes performances. Ces critères sont : la vitesse de la mémoire, l’entrelacement de la mémoire, les rangées de mémoire et la quantité de mémoire dans les différents canaux de mémoire des processeurs. Selon le modèle de processeur et le nombre de DIMM, on observe des écarts significatifs de performances au sein d’une même plateforme Xeon 5500. Nous nous intéresserons plus attentivement à chacun de ces facteurs dans les sections suivantes.

3.1 Vitesse de la mémoireLa vitesse de la mémoire est déterminée par la combinaison entre le modèle de processeur Xeon, la vitesse des DIMM et les DPC.


3.1.1 Modèle de processeurLes processeurs Xeon 5500 series se classent en 3 catégories différentes que l’on peut appeler Performance, Volume et Valeur. Pour chaque catégorie, la vitesse d’horloge mémoire maximale peut être déterminée:

• 1333MHz (Modèles de processeur X55xx)

• 1066MHz (E552x ou L552x et supérieurs)

• 800MHz (E550x)

Ainsi, c’est le modèle choisi de processeur qui limite la fréquence maximum de la mémoire.

Remarque : À cause des contrôleurs de mémoire intégrés, l’ancien FSB (front-side bus) n’existe plus.

3.1.2 Vitesse mémoire DIMM DDR3La mémoire DDR-3 est disponible dans des capacités différentes et peut atteindre 1333MHz ou 1066MHz. 1333MHz, valeurs maximales à laquelle la mémoire peut fonctioner. Cependant, la mémoire ne pourra pas être réglée à une vitesse dépassant les capacités du modèle de processeur, et sera correctement configurée par le BIOS.

3.1.3 DIMMs par canal (abréviation DPC)Le nombre, le type de DIMM, et les canaux dans lesquels elles sont placées vont également déterminer la vitesse à laquelle la mémoire sera réglée. Le Tableau 1 décrit le comportement de la plateforme pour un modèle de processeur à 1333MHz (X55xx). Si un modèle de processeur plus lent est utilisé, alors la vitesse d’horloge mémoire sera réglée au plus bas de la gamme de vitesses possibles et de la capacité de vitesse mémoire liée au modèle de processeur. Si le DPC n’est pas identique dans tous les canaux, alors le système se règlera à la fréquence du canal le plus lent

.

Tableau 1. Vitesse d’horloge mémoire pour un Xeon 55xx. (Les configurations à pleine vitesse sont indiquées en gras.)

3.1.4 Mesures au niveau du chip mémoire

Pour comprendre l’impact de la vitesse d’horloge mémoire sur les performances d’un serveur à base d’Intel Xeon 5500 series, nous utiliserons des outils de mesure au niveau hardware, ainsi que des tests de performance au niveau des applications.


Deux mesures clés au niveau de la mémoire sont utilisée pour mesurer la performance : le temps de latence et le débit de la mémoire. Pour cette étude, nous utilisons un système bi-socket Xeon 5500 à 2.93GHz et 1333MHz . Les configurations mémoire pour les tests de performance sont :

• 1333MHz – 6 DIMM dual-rank 1333MHz 4Go

• 1066MHz – 12DIMM dual-rank 2Go pour 1066MHz

• 800MHz – 12 DIMM dual-rank 2Go réglées à 800MHz dans le BIOS

Remarque : pour plus d’informations sur les rangées de mémoire, se reporter à la section 3.3.

Comme l’illustre la Figure 6 ci-dessous, le temps de latence en mode « non chargé » est mesuré par son son impact sur l’application. Les mécanismes automatiques de préchargement par le processeur ont été inhibés dans ce contexte précis de test. D’après la figure, la différence entre la vitesse la plus lente et la vitesse la plus rapide est d’environ 10%. Cette valeur maximale est atteinte pour les charges de travail les plus sensibles au temps de latence. Il faut noter que le temps de latence est 50% inférieur à celui de la génération précédente de processeurs Xeon.

Figure 6. Latence de la mémoire Xeon 5500 series en fonction de la vitesse de mémoire

Le débit mémoire est un meilleur indicateur de performance pour les applications. La mesure du débit mémoire part du principe que toute la mémoire interne ainsi que les 8 cœurs des processeurs utilisent la mémoire principale. Comme l’illustre la Figure 7, le gain de performance obtenu en exécutant la mémoire à 1066MHz au lieu de 800MHz est de 28%, et le gain de performance en l’exécutant à 1333MHz au lieu de 1066MHz est de 9%. Ainsi, la pénalité de performance lorsque l’on règle la mémoire à 800 MHz est beaucoup plus grande que lorsqu’elle est réglée à 1066 MHz.

Cette nouvelle conception de processeur apporte un compromis entre la capacité de mémoire, sa performance et le coût de la mémoire : par exemple, des DIMM avec un coût et une capacité plus faible impliquent une vitesse de mémoire plus faible. D’un autre côté, un nombre plus réduit de DIMM haute capacité coûte plus cher, mais offre de meilleures performances.


Indépendamment de la vitesse de mémoire, la plateforme Xeon 5500 apporte une amélioration importante de la bande passante de la mémoire, comparée à la précédente génération à base Xeon 5400. À 1333 MHz, l’amélioration est quasiment de 500% par rapport à la génération précédente. Cette amélioration importante est due principalement aux deux contrôleurs de mémoire intégrés et à la mémoire DDR-3 1333 MHz, plus rapide. Cette amélioration se traduit par une extensibilité et une performance d’application améliorées.

Figure 7. Débit de mémoire calculé grâce à la triade des flux

3.1.5 Performance des applications

Nous allons examiner ici l’impact de la vitesse mémoire sur les performances à travers trois tests de performance les plus souvent utilisés: le SPECint®2006_rate, le SPECfp®2006_rate et le SPECjbb®2005. Dans chaque cas, les résultats des tests sont comparés au résultat obtenu à 800 MHz, servant de référence basse (voir Figure 8).

SPECint2006_rate est souvent utilisé pour mesurer la performances des applications de type gestion commerciale. Il a tendance à être plus sensible à la fréquence du processeur et moins à la bande passante de la mémoire. Comme ce type d’application du SPECint2006_rate sollicite peu la bande passante mémoire, les variations de performance applicative en fonction de la vitesse mémoire sont faibles, sauf sur quelques parties de code, plus sensibles à la fréquence mémoire. On constate une amélioration de 8%, entre 800 MHz et 1333 MHz, bien que la bande passante mémoire soit 40% supérieure en passant de 800 à 1333 Mhz.

SPECfp_rate est utilisé comme indicateur pour les charges de travail de type calcul intensif ou HPC (high-performance computing). Il nécessite beaucoup de bande passante mémoire et devrait permettre d’obtenir des améliorations importantes, au fur et à mesure de l’augmentation de la fréquence d’horloge mémoire. Comme l’on pouvait s’y attendre, un grand nombre de tests sur des parties de code démontrent des améliorations du même ordre de grandeur que la différence de la bande passante mémoire. Comme l’illustre la Figure 8, l’on constate un gain de 13%, entre 800 MHz et 1066 MHz, et une autre amélioration de 6% à 1333 MHz. SPECfp_rate récupère presque 50% de l’amélioration de la bande passante de mémoire.

SPECjbb2005 est une charge de travail qui ne met pas l’accent sur la mémoire mais conserve une utilisation raisonnable du bus de données. Cette charge de travail permet d’obtenir un niveau équilibré, et le gain de performance reflète cette tendance. Comme l’illustre la figure 8, l’on constate a un gain de 8%, entre 800 MHz et 1066 MHz et un autre gain de 2% à 1333 MHz.


Figure 8. Performance des applications en fonction de la vitesse de mémoire

3.2 Les effets de l’entrelacement de la mémoireL’entrelacement de la mémoire fait référence à la façon dont la mémoire physique est entrelacée au sein des DIMM physiques. Un système est équilibré lorsque l’entrelacement est optimal. Un système à processeur Xeon 5500 series est équilibré lorsque tous les canaux de mémoire d’un socket ont la même quantité de mémoire. Le moyen le plus simple d’obtenir un entrelacement optimal est d’installer 6 DIMM identiques à 1333 MHz, 12 DIMM à 1066 MHz et 18 DIMM (où elles sont prises en charge par une plateforme) à 800 MHz.

3.2.1 Serveur lame HS22Pour HS22, qui possède une configuration DIMM équilibrée, il est facile d’équilibrer le système pour les trois fréquences de mémoire. La quantité conseillée de DIMM est indiquée dans le Tableau 2, en supposant que les DIMM possèdent les même caractéristiques.

Tableau 2. Configurations de la mémoire pour obtenir une performance équilibrée du HS22

3.2.2 x3650 M2/x3550 M2/dx360 M2 Rack SystemsPour les systèmes avec des emplacements à 16 DIMM, il faut faire attention lorsque l’on équipe ces emplacements, et plus particulièrement lors de la configuration de plusieurs DIMM à 800 MHz. L’erreur la plus courante consiste à équiper tous les emplacements avec des DIMM identiques. Une telle configuration provoque un déséquilibre du système, dans lequel deux canaux de mémoire ont une moins grande capacité de mémoire que les quatre autres. En d’autres termes, deux canaux avec 3 DIMM de 4 Go et un canal avec 2 DIMM de 4 Go.


La performance est diminuée. La Figure 9 illustre la conséquence d’un entrelacement mal conçu. La première configuration représente une configuration de référence, équilibrée, où la mémoire est réglée à 800 MHz dans le BIOS. Dans la seconde configuration, quatre canaux sont équipés avec 50% de mémoire supplémentaire par rapport aux deux autres canaux, ce qui cause un déséquilibre. La troisième configuration équilibre la mémoire sur tous les canaux, en équipant le canal à 2 DPC (au lieu de 3) avecdes DIMMs de capacité deux fois plus grande que sur les autres canaux. Par exemple, deux canaux avec 3 DIMM de 4 Go et un canal avec une DIMM de 4 Go et une DIMMde 8 Go. Cela permet d’assurer que tous les canaux ont accès à la même capacité mémoire. Comme l’illustre la Figure 9, les configurations équilibrées 1 et 3 sont beaucoup plus performantes qu’une configuration déséquilibrée. Selon la sollicitation de la mémoire par l’application et le schéma d’accès à la mémoire, l’impact devrait être plus ou moins élevé que les deux applications citées dans la figure.

Figure 9. Conséquence d’une configuration de mémoire déséquilibrée

La quantité de DIMM conseillée est indiquée dans le Tableau 3.

Tableau 3. Configurations de la mémoire pour obtenir une performance équilibrée dans les serveurs System x

3.3 Rangées de mémoireUne rangée de mémoire est simplement un segment de mémoire pris en charge par un bit d’adresse spécifique. Les DIMM possèdent généralement 1, 2 ou 4 rangées de mémoire, avec cette information inscrite dessus.


• Description typique d’une mémoire DIMM : DIMM 2Go 4R x8

• La désignation 4R représente le nombre de rangées pour ces DIMM (4R pour 4 rangées)

• La désignation x8 représente la largeur de données de la rangée

Pour obtenir une performance optimale, il est important de s’assurer que chaque canal est équipé de DIMM avec un nombre approprié de rangées. Il est recommandé d’utiliser des DIMM dual-rank dans le système, dès que possible. Les DIMM dual-rank offrent un meilleur entrelacement et, par conséquent, une meilleure performance qu’avec des DIMM single-rank. Par exemple, un système avec 6 DIMM dual-rank de 2 Go permet d’obtenir de meilleurs résultats qu’un système avec 6 DIMM single-rank de 2 Go de (+7% pour SPECjbb2005). Les DIMMs dual-rank sont également préférables aux DIMMs quad-rank, car ces dernières provoquent un réglage trop bas de la vitesse de mémoire. Il est également important d’équiper un même canal avec des DIMM ayant le même nombre de rangées. Par exemple, il faut éviter de mélanger des DIMM single-rank et dual-rank dans un canal.

3.4 Répartition de la mémoire dans les canauxIl est important de s’assurer que les trois canaux de mémoire de chaque processeur sont équipés. La comparaison de bande passante mémoire, dans la Figure 10, illustre la perte de bande passante lorsque le nombre de canaux équipés diminue. Ceci est dû au fait que la bande passante de tous les canaux de mémoire est utilisée pour prendre en charge les capacités du processeur. Ainsi, si les canaux mémoire ne sont pas tous utilisés, la bande passante requise augmente automatiquement sur les canaux restants, ce qui provoque un goulet d’étranglement.

Figure 10. Les conséquences de l’installation de différents nombres de canaux

3.5 Entrelacement de la mémoireSachant que le Xeon 5500 utilise une architecture NUMA, il faut s’assurer que les deux contrôleurs de mémoire du système sont utilisés, et ce en fournissant de la mémoire aux deux processeurs. Si un seul processeur est installé, seuls les emplacements DIMM associés peuvent être utilisés. L’ajout d’un second processeur double non seulement la quantité de mémoire disponible à l’utilisation, mais double également le nombre de contrôleurs de mémoire, ce qui double également la bande passante de mémoire du système. Il est également important d’équiper de la même façon les deux processeurs avec de la mémoire, afin d’obtenir un système équilibré. Si l’on prend l’exemple de la Figure 11, le


processeur 0 est équipé de DIMM, mais aucune n’équipe le processeur 1. Dans ce cas, le processeur 0 aura accès à une mémoire locale avec un temps de latence court et une bande passante mémoire élevée.

Cependant, le processeur 1 a seulement accès à la mémoire distante. Ainsi, les unités d’exécution du Processeur 1 auront un temps d’attente plus long pour accéder à la mémoire, comparé aux unités du Processeur 0.

Cela est dû au temps nécessaire pour franchir les liens QPI et accéder aux données du contrôleur de mémoire distant. Le temps d’attente pour accéder à la mémoire distante est environ 75% plus élevé que le temps d’accès à la mémoire locale. La bande passante de la mémoire distante est également limitée par les capacités des liens QPI. Ainsi, il faut toujours équiper les deux processeurs avec de la mémoire.

Figure 11. Diagramme illustrant l’accès aux mémoires locales et distantes

4.0 Conclusion: recommandations des meilleures pratiquesNous résumons ci-après les différentes règles à suivre pour une configuration optimale de la mémoire sur les plateformes Xeon 5500.

4.1 Performance maximumSuivez ces instructions pour bénéficier de performances optimales :• Equipez toujours les deux processeurs avec la même quantité de mémoire pour obtenir un système NUMA équilibré.• Equipez toujours les trois canaux de mémoire de chaque processeur avec la même capacité de mémoire.• Assurez-vous que chaque canal est équipé de DIMMs ayant la même valeur de ‘rank’.• Utilisez des DIMM dual-rank autant que possible.• Pour une performance à 1333 MHz optimale, installez 6 DIMM dual-rank (3 par processeur).• Pour une performance à 1066 MHz optimale, installez 12 DIMM dual-rank (6 par processeur).• Pour une performance optimale à 800 MHz avec un nombre élevé de DIMM – Sur les plateformes à 12 DIMM, installez 12 DIMM dual-rank ou quad-rank (6 par processeur). – Sur les plateformes à 16 DIMM : - Installez 12 DIMM dual-rank ou quad-rank (6 par processeur). - Installez 14 DIMM dual-rank d’un format et 2 DIMM dual-rank du double de ce format, conformément aux descriptions de la section Entrelacement.


• Si l’on suit les instructions ci-dessus, il n’est pas possible d’avoir un système performant et optimisé avec 4 Go, 8 Go, 16 Go ou 128 Go. Avec trois canaux de mémoire et des règles d’entrelacement respectées, les clients doivent configurer des systèmes 6 Go, 12 Go, 18 Go, 24 Go, 48 Go, 72 Go, 96 Go, etc., afin d’obtenir de meilleures performances.

4.2 Considérations additionnelles

4.2.1 Dans quel ordre installer les DIMMs ?Faites attention à remplir les emplacements DIMM de chaque serveur dans un ordre précis lorsque vous ajoutez des DIMMs. Dans chaque canal, l’emplacement DIMM le plus éloigné de son processeur associé est toujours rempli en premier. Consultez la documentation fournie avec votre système pour plus de détails.

4.2.2 Economiser en consommation électrique ? Voici quelques instructions à prendre en compte :• Des barrettes DIMM de plus grande capacité, et donc en nombre plus réduit (par exemple, 6 DIMM de 4Go au lieu de 12 DIMM de 2Go), consommeront généralement moins d’électricité• Les DIMM x8 (largeur de données x8, voir section 3.3) nécessiteront généralement moins d’électricité que les DIMM x4 de même capacité• Prenez en compte les paramètres de configuration BIOS (voir section 4.2.4)

4.2.3 Améliorer la fiabilitéVoici quelques instructions à prendre en compte pour garantir une fiabilité de votre système :• Utilisez des barrettes DIMM de plus grande capacité en nombre plus réduit (par exemple, l’utilisation de 6 DIMM de 4Go au lieu de 12 DIMM de 2Go)• Sur les serveurs IBM System x, les contrôleurs de mémoire Xeon 5500 series prennent en charge la technologie de protection de mémoire IBM Chipkill™ grâce à des DIMM x4 (largeur de rangée x4, voir section 3.3), et non des DIMM x8

4.2.4 Paramètrer le BIOSIl existe plusieurs paramètres de configuration BIOS possibles sur les serveurs utilisant des processeursXeon 5500 series. Ils peuvent également avoir un effet sur la performance de la mémoire ou les résultats des tests de performance. Par exemple, la plupart des serveurs autorisent un réglage de la vitesse d’horloge mémoire bien en dessous de la valeur maximale admissible par ce composant.Cela peut s’avérer utile pour faire des économies d’énergie, mais cela réduit évidemment le niveau de performance de la mémoire.


Parallèlement, des options des processeurs Intel Xeon 5500 Series, telles que Hyper-Threading Technology (anciennement Simultaneous Multi-Threading) et Turbo Boost Technology, peuvent également avoir une influence significative sur les performances. Les paramètres du BIOS pour la configuration de la mémoire les plus importants pour une amélioration des performances sont les suivants :

XSW03030-FRFR-00

Pour plus d’informationsIBM System x Servers

IBM BladeCenter Servers

IBM Standalone Solutions Configuration Tool (SSCT)

IBM Electronic Service Agent

IBM ServerProven Program

IBM Technical Support

IBM Configuration and Options Guide

ibm.com/systems/fr/x

ibm.com/systems/fr/bladecenter

ibm.com/servers/eserver/xseries/library/configtools.html

ibm.com/support/electronic

ibm.com/servers/eserver/serverproven/compat/us

ibm.com/server/support

ibm.com/servers/eserver/xseries/cog

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Certaines machines sont conçues avec une fonction de gestion de l’alimentation afin de fournir aux clients le niveau maximum de temps utilisable pour leur système. Dans des conditions de température extrême, plutôt que de s’éteindre complètement ou de se mettre en échec, ces machines réduisent la fréquence du processeur pour maintenir un niveau de température raisonnable.

La capacité de stockage s’exprime en Mo, Go et To qui représentent respectivement 1 000 000, 1 000 000 000 et 1 000 000 000 000 octets. La capacité accessible est moins élevée. 3 Go sont utilisés lors de la partition de service. La capacité actuelle de stockage peut varier en fonction de différents facteurs, et peut être moins élevée que la capacité indiquée.

Les données de performance sont exprimées en fonction d’un ratio de rendement interne dit ITR (Internal Throughput Rate) qui s’appuie sur des mesures et des prévisions déterminées par des tests de performance IBM standard réalisés en environnement contrôlé. Les niveaux réels de rendement dépendent de plusieurs facteurs, dont la quantité de tâches de multiprogrammation dans le flux de travaux de l’utilisateur, la configuration des périphériques d’entrée-sortie, la configuration de l’espace de stockage et la charge de travail traitée. Par conséquent, IBM ne peut garantir que l’utilisateur obtiendra un rendement équivalent aux valeurs de performances mentionnées dans le présent document. Les capacités maximum du disque dur interne et de la mémoire peuvent nécessiter le remplacement de n’importe quel disque dur et/ou de la mémoire et du contenu de toutes les baies de disque dur et des emplacements mémoire avec le maximum d’unités disponibles, prises en charge actuellement. Lorsque l’on fait référence aux CD-ROM, CD-R, CD-RW et DVD à vitesse variable, la vitesse de lecture varie, et celle-ci est souvent inférieure à la vitesse maximum possible.

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