Durch die Weiterentwicklung der Industriestandard-Technologie von 32 auf 64 Bit will AMD mit ihrem neuen Opteron-Prozessor die Messlatte für den Wettbewerb hoch anlegen. Das 64-Bit-Computing soll sowohl Betriebssystemen als auch der Applikationssoftware die Verarbeitung von größeren Datenmengen und den Zugriff auf erheblich mehr Speicher ermöglichen. Mit dem Erfolg, dass nun auch HP neben IBM und Sun ihre Produkte auf das AMD-System aufsetzt. Doch nicht nur im 64-Bit-Umfeld zeigt die neue Prozessorarchitektur ihre Stärken.

Ferrari ist bereits auf den Geschmack gekommen: Beim Formel-1-Team des Autoherstellers laufen die Aerodynamiksimulationen für die Rennwagenoptimierung über Opteron-Prozessoren. Und das Sauber-Team hat nachgezogen und ebenfalls einen großen Cluster auf Basis von 530 Opteron-Prozessoren in Betrieb genommen. Denn genau bei solchen anspruchsvollen Anwendungen zeigen sich die Vorteile der neuen Architektur. Die Antwortzeiten der Opteron-basierten Server sind nach AMD-Angaben – unabhängig von ihrer 64-Bit-Fähigkeit – auch in 32-Bit-Benchmarks bis zu 40 Prozent leistungsfähiger als gleichwertige Prozessoren der Wettbewerber. So setzen auch bei SAP-Benchmarks mittlerweile Opteron-basierte 2-Wege- und 4-Wege-Serversysteme die Rekorde. Die AMD-Systempartner HP, IBM und Sun bestätigen denn auch: 64-Bit-Systeme auf Basis der x86-Prozessorarchitektur halten Einzug in die IT-Landschaft. Der Investitionsstau der vergangenen Jahre scheint sich langsam aufzulösen, der Bedarf an moderner, effizienter Computertechnologie wächst mit den seit Anfang des Jahres wieder aufgestockten Budgets der IT-Abteilungen.

Schneller Speicherzugriff

Mit dem rasanten Datenwachstum müssen immer mehr Informationen verarbeitet werden. Datenbanken mit vielen Terabyte sind keine Seltenheit mehr. In Simulationen werden immer mehr Variablen berücksichtigt und ERP-Systeme sammeln Unmengen an Informationen über Produkte, Kunden und Lagerbestände. Daten werden immer seltener gelöscht, sondern für Data-Mining und Geschäftsanalysen archiviert. Der schnelle, direkte Zugriff auf diese Daten muss gewährleistet sein. Die Datenflut stellt naturgemäß hohe Ansprüche an die Server: Die CPUs werden immer schneller und damit wird der ungebremste Zugriff auf die Daten immer wichtiger. Da die Preise für Arbeitsspeicher fallen, ist es heute erschwinglich, Systeme mit vielen Gigabyte RAM Hauptspeicher auszustatten, um ihre Geschwindigkeit zu optimieren. Je mehr Daten jedoch auf Speichersysteme ausgelagert werden, um so mehr Zeit verbringt der Prozessor im Leerlauf. Noch mehr Rechenzeit wird verschwendet, wenn die Daten aus Platzgründen auf die Festplatte ausgelagert werden.

Der Ausweg: Prozessoren müssen die Ressourcen intelligenter nutzen und einen schnelleren Speicherzugriff garantieren. Genau hier stoßen Bus-basierte Computer-Systeme an ihre Grenzen. Außerdem stehen bei 32-Bit-Systemen maximal 4 GByte Speicheradressierung zur Verfügung. Für komplexe Anwendungen ist das nicht mehr ausreichend. Diese Größe hängt zudem vom zugrunde liegenden Betriebssystem ab. So lässt ein 32-Bit-Windows-System sogar nur 2 GByte adressierbaren Hauptspeicher für eine Applikation zu, was eine zusätzliche Einschränkung bedeutet.

64-Bit-Architektur für Highend-Anwendungen

Die neue Prozessorgeneration AMD-Opteron soll diese Einschränkung der maximalen Speicheradressierung aus der Welt schaffen. Neu bei der Architektur sind vor allem drei Komponenten:

• Die Direct-Connect-Architektur, durch die der Speicher und die I/O direkt mit der CPU verbunden sind (Wegfall des »Bottlenecks« Front-Side-Bus),

• der integrierte 128-Bit-DDR-DRAM-Speicher-Controller mit einer verfügbaren Speicherbandbreite bis zu 6,4 GByte/s (mit PC3200) pro Prozessor sowie

• die Hypertransport-Technologie für eine skalierbare Bandbreitenverbindung zwischen Prozessoren, I/O-Subsystemen und anderen Chipsätzen.

Der 64 Bit breite Daten- und Adresspfad erlaubt eine physische 40-Bit- und eine virtuelle 48-Bit-Adressierung des Opteron und ermöglicht damit eine physische Speichergröße von bis zu 1 TByte und einen virtuellen Speicheradressraum von 256 TByte. High-Performance-Anwendungen profitieren folglich heute bereits von der größeren Hauptspeicher-Adressierung des 64-Bit-Prozessors.

Ebenfalls entscheidend für die Prozessorleistung bei rechenintensiven Anwendungen ist das Antwortzeitverhalten des Speichers. Dieses liegt beim Opteron im Bereich von um die 70 Nanosekunden, was vergleichbar ist mit dem Antwortzeitverhalten von Level-3-Cache. Damit wird zum einen weniger Level-2-Cache benötigt, zum anderen wird teurer L3-Cache überflüssig. Ein nützlicher Nebeneffekt: Je kleiner der Cache ist, desto weniger Transistoren werden benötigt – was die Herstellungskosten und die thermische Verlustleistung der Prozessoren senkt.

Die Faktoren Verlustleistung und Wärmeerzeugung der Prozessoren sind für die Wirtschaftlichkeit vor allem bei großen Installationen in Rechenzentren entscheidend. Viele Rechenzentren sind auf Grund klimatechnischer Einschränkungen in den Server-Räumen an die Grenzen ihrer Kapazität gelangt. Dr. Ulrich Knechtel, Enterprise Program Manager EMEA bei AMD, sieht dafür einen klaren Grund: »Die Taktraten herkömmlicher Prozessorarchitekturen sind in den letzten Jahren enorm nach oben getrieben worden, ohne dass die Rechenleistung in gleichem Maße gestiegen ist – und die Verlustleistung dieser Hochleistungsprozessoren ist sehr hoch.«

AMD ist auch hier mit ihrer neuen Prozessorarchitektur einen eigenen Weg gegangen und hat in diesem Bereich die technologische Führungsrolle erlangt: Im Wettbewerbsvergleich zeichnet sich der Opteron-Prozessor durch einen deutlich niedrigeren Stromverbrauch aus. Da weniger Strom benötigt wird, muss auch weniger Wärme abgeführt werden, wodurch sich die Betriebskosten spürbar verringern. Eine Beispielrechnung beziffert die Verlustleistung eines Intel-Xeon inklusive Memory-Controller auf 133 Watt, während der AMD-Opteron auf unter 95 Watt kommt. Darüber hinaus bietet AMD zwei Varianten des Opteron, die hinsichtlich der Leistungseffizienz optimiert sind: den »Opteron EE« (»Energy Efficient«) und »Opteron HE« (»Highly Efficient«). Diese Prozessoren passen in den gleichen Sockel wie die Standardvarianten und die Verlustleistung liegt bei 55 W beziehungsweise 30 W. Die beiden effizienteren Prozessortypen sind auf Grund höherer Produktionskosten etwas teurer in der Anschaffung, bieten aber für bestimmte Anwendungen mit hoher Packungsdichte, wie etwa Blade-Server, gute Argumente für die Anschaffung. So wartet der Opteron-HE beispielsweise mit einer »per-Watt-Performance« auf, die ihn zur optimalen Lösung für Rack-dichte 1U-Server oder Blades in Datacenter-Umgebungen macht. Zudem hat AMD die Verfügbarkeit der »PowerNow!«-Technologie angekündigt, die ein flexibles Power-Management (ähnlich wie in Notebooks) ermöglicht.

Eine weitere Besonderheit der Architektur: Der AMD-Opteron ermöglicht die Integration von bereits eingesetzten Subkomponenten wie Ethernet oder Gigabit-Ethernet. Hierfür stehen Basis-Chipsets zur Verfügung, die – basierend auf der Direct-Connect-Architektur – dafür sorgen, dass der Hyper-Transport für den I/O zuständig ist. Damit steht eine Brücke zwischen dem Hyper-Transport als skalierbare Punkt-zu-Punkt-Kommunikationstechnik und einer Standard-I/O-Kommunikationstechnik mit Legacy-Komponenten bereit.

Am Beispiel PCI wird dieser Vorteil deutlich: Die Chipsätze sind in der Lage, PCI-Karten (33 MHz, 32 Bit) zu unterstützen, aber auch Karten der Standards PCIX (133 MHz, 64 Bit) und PCI-X 2.0 (266 MHz, 64 Bit). Auf Grund der Rückwärtskompatibilität können auch ältere PCI-Karten eingesteckt werden. Die Performance wird dadurch nicht beschränkt. »Beträgt die nutzbare Bandbreite beispielsweise 6,4 GBit/s und davon wird nur 1 GBit/s genutzt, ist die I/O-Bandbreite zwar limitiert, aber nicht durch das System, denn die Kommunikation zwischen den Prozessoren und damit die Latenzzeit zu den Speichern ist davon nicht berührt«, erklärt Dr. Knechtel. »Im umgekehrten Fall besteht bei einem Bus-basierten System eine Limitierung zwischen den Prozessoren, da die Kommunikation komplett über den Front-Side-Bus abgewickelt wird, was sich wiederum negativ auf die Systemperformance auswirkt.« Erste Plattformen, die den neuen Standard PCI-Express unterstützen, stehen ebenfalls zur Verfügung.

Für die Kooperationspartner HP, IBM und Sun zählt neben den genannten neuen Features natürlich auch die hohe Skalierbarkeit der Architektur zu einem wichtigen Grund, Opteron zu forcieren. Im heutigen Markt liegt der Hauptfokus auf 2-Wege-Servern, während zunehmend auf 4-Wege-Server umgesattelt wird. AMDs Kooperationspartner bieten aktuell Server für bis zu vier Opteron-Prozessoren mit bis zu 64 GByte Hauptspeicher. Wenn einem Serversystem zusätzliche Prozessoren hinzugefügt werden, steht gleichzeitig auch ein Plus an Größe und Bandbreite des Hauptspeichers zur Verfügung. Dadurch ergibt sich eine nahezu lineare Skalierbarkeit. AMD unterstützt mit dem Opteron bis zu 8-Wege-Server-Systeme.

Neue Architektur

Die neue Prozessorgeneration ermöglicht auf Grund der Direct-Connect-Technologie eine völlig neue Systemarchitektur für Server, unabhängig davon, ob das System im 32-Bit- oder im 64-Bit-Modus läuft. Der Hauptspeicher ist direkt an den Prozessor angebunden und die Prozessoren können über die hoch performante Hypertransport-Verbindung direkt miteinander kommunizieren. Flaschenhälse, die in heutigen x86-Systemen bestehen, etwa am Front-Side-Bus, North- und South-Bridge und die hohe Latenzzeit beim Zugriff auf den Speicher, gehören damit der Vergangenheit an. Das hervorragende Antwortzeitverhalten bestätigen auch Applikations-Benchmarks wie die eingangs erwähnte Ferrari-Anwendung, bei denen die Opteron-Prozessoren sehr I/O-intensiven Code aus dem Bereich Fluid-Dynamics verarbeiten müssen. Auch im Bereich E-Mail und Internet-Dienste ist weniger die 64-Bit-Technologie entscheidend, als vielmehr die I/O-Performance. Für Service-Provider steht beispielsweise das Ziel im Vordergrund, möglichst viele User mit sehr gutem Antwortzeitverhalten zu bedienen. Diese Fähigkeit spiegelt sich in der Hit-Rate wider, die abhängig vom I/O-Zeitverhalten eines Server-Systems ist. Auf Grund der Direct-Connect-Architektur kann der AMD-Opteron auch hier seine Vorteile ausspielen. So besteht die Möglichkeit, einen Server als pure »I/O-Maschine« zu konfigurieren, so dass speziell bei großen Daten-File-Transfers eine hohe Performance erzielt wird.

Die Vorteile von 64 Bit in der Praxis

Viele IT-Administratoren und IT-Manager wissen genau, wo sie heute 64-Bit-Systeme einsetzen wollen: Die Umstellung wird unter anderem durch Datenbankanwendungen vorangetrieben – und das zum Teil schon seit mehreren Jahren. So bietet Oracle bereits seit 1995 ein 64-Bit-Datenbank-Betriebssystem an. Datawarehouse-Lösungen, mit denen mehrere Terabytes Daten verwaltet werden, und Transaktionssysteme zählen dabei heute zu den bevorzugten 64-Bit-Anwendungen. Neben Datenbanken kommt die größere Hauptspeicher-Adressierung mit 64 Bit auch bei allen anderen Anwendungen mit hohem Rechenleistungsbedarf zur Geltung – wie etwa Virtualisierung komplexer Serverumgebungen, High-Performance-Technical-Computing (HPTC) sowie dynamische Web-Services.

Was die Leistung im Grafikbereich betrifft, sind zwei wesentliche Anwendungen zu nennen, in denen signifikante Performance-Vorteile mit der AMD64-Architektur erzielt werden können. Hierzu zählt zum einen das Betreiben von Render-Farmen sowie der Bereich Animation und die Video-Post-Production. Dabei sind eine hohe Leistung des Prozessors bei der Fließkommaberechnung und die Fähigkeit, die Daten schnell wieder auf Festplatte zu übertragen, entscheidend.

Sanfter Übergang durch Mischbetrieb

Natürlich wird nicht jeder Anwender von heute auf morgen auf 64 Bit wechseln – dieser Tatsache ist sich auch AMD bewusst. Nicht umsonst ist der Opteron mehr als ein 64-Bit-Prozessor: Er ist sowohl 32-Bit- als auch 64-Bit-fähig und bietet unabhängig von der 64-Bit-Technologie eine völlig neue Systemarchitektur, die in der Lage ist, die Engpässe der heutigen Systeme zu beseitigen. Ein Vorteil des neuen Prozessors ist die Flexibilität der AMD64-Plattform. Wenn man folglich ein 32-Bit-Server-System einsetzt und mit dem adressierbaren Hauptspeicher am Limit ist, dann kommt die 64-Bit-Fähigkeit zum Tragen.

Die Möglichkeit, auf 64 Bit zu wechseln, wird jedoch nicht durch die Hardware vorgegeben. Der Kunde entscheidet, wann und mit welchen Applikationen die Migration erfolgen soll. Mit dem Opteron kommt AMD dem für nahezu jeden IT-Leiter wichtigen Faktor Investitionsschutz entgegen, da die bereits bestehende 32-Bit-Software, die auf der x86-Architektur läuft, weiter genutzt werden kann.

Investitionsschutz auch für zukünftige Prozessoren

Der nächste Schritt von AMD, den Endanwendern eine höhere Performance anzubieten, ist die Einführung der Dual-Core-Prozessoren im Jahr 2005. Im Gegensatz zu anderen Konzepten, wo über Hyperthreading aus einem physischen Prozessor zwei virtuelle gemacht werden, werden beim Dual-Core-Prozessor wirklich zwei physische Prozessorkerne auf einem Die untergebracht. Dieser Prozessor, der nun seine Rechenleistung nahezu verdoppeln kann, passt aber nach wie vor in den gleichen Sockel wie ein herkömmlicher Single-Core-Prozessor. Alle heute verkaufbaren Server und Workstationsysteme können also nach Verfügbarkeit der Dual-Core-CPUs mit diesen ausgestattet, also auch auf- beziehungsweise nachgerüstet werden. Hierzu ist lediglich ein BIOS-Update erforderlich.

Plattform für Linux, Solaris und Windows

Es gibt etwa eine Million verschiedene x86-basierte Codes, die alle auf dem Opteron lauffähig sind. Der Opteron-Prozessor unterstützt eine Vielzahl von Betriebssystemen wie Windows-2003-Server, Linux-Distributionen (viele bereits in 64-Bit-Technik), Solaris-x86 (als Solaris-10 für Opteron in 64-Bit-Technik und funktionsgleich zur Version für SPARC) und Netware.

Was bedeutet der Einstieg von AMD in die 64-Bit-Ära für die Anwendergemeinden, die unter Unix, Windows und Linux arbeiten? Dazu AMD-Manager Knechtel: »Im Unix-Umfeld könnte der Opteron durchaus dafür sorgen, dass die Anwender auf ein 64-Bit-System wechseln, das mit Solaris-10, Linux oder Windows-64 läuft. Da sie schon Erfahrungen mit 64-Bit-Anwendungen gesammelt haben, hätten sie auf diese Weise die Möglichkeit, ihre Anwendungen auf die AMD64-Plattform zu migrieren und außerdem neue 64-Bit-Anwendungen einzusetzen, die nicht für Unix verfügbar sind.« Stephan Ehgartner