Intel® Xeon Phi™

Xeon sunucu ailesinin yeni üyesi ve tek başına bir süper bilgisayar gücündeki  İntel Xeon Phi. Uluslararası Süper Bilgisayar Konferansı’nda tanıtımı yapılan Intel’in Xeon Phi sunucu işlemcisi gelecekteki Entegre Core mimarisine sahip işlemcilerin yeni yüzü olarak belirtildi. Phi ,  60 çekirdekli işlemciye sahip olması ,her bir çekirdeğin büyük L2'si olması, değişik  ring-bus sisteminin olması sabebiyle önemli özellikleri barındırıyor. X86 programlama modelleri ile tamamıyla uyumlu Intel Xeon Phi, ana işletim sisteminden bağımsız olarak kendi Linux tabanlı bir işletim sistemi ile çalışıyor. Intel Xeon Phi işlemcisi en yüksek performansı sağlamak için tasarlanmıştır.

İntel Xeon Phi İşlemcisinin özellikleri aşağıdaki resimde belirtilmiştir.

SİSTEM YAPILANDIRMA

Intel iş istasyonu iki Intel Xeon işlemci, ™ bir PCIe * x16 veri yolu bağlı coprocessors ve bir GPU grafik ekran için bir veya iki Intel ® Xeon Phi.

 Şekil1:Yazılım Bloğu

Şekil 1'de gösterildiği gibi Intel ® Xeon Phi ™ işlemci yazılım yığını katmanlı   yazılım mimarisinden oluşur.

Çok Entegreli Çekirdek Mimarisine Genel Bakış

Intel ® Xeon Phi ™ işlemci 61 tane , ® 1GHz (en fazla 1.3GHz için) çalışan MIC Mimarlık işlemci çekirdeğine sahiptir.Intel ® MIC Mimari 64-bit adresleme ve yeni 512-bit genişliğinde SIMD vektör talimatları ve  kayıtları ile uzatılabilir x 86 ISA, dayanmaktadır. Her bir çekirdek 4 donanım konularını destekler.Çekirdekte  ek olarak, on kalıp hafıza kontrol ve diğer bileşenler vardır.

Şekil 2: Çok çekirdekli mimarinin gösterimi

Her bir çekirdek yeni tasarlanmış Vektör İşlem Birimi (VPU) içerir. Her vektör ünitesi 32 512-bit vektör kayıtları içerir. Yeni vektör işleme modeli desteklemek için, yeni bir 512-bit SIMD ISA tanıtıldı. VPU Intel ® MIC Mimarlık-tabanlı çekirdek önemli bir özelliğidir. Tam vektör birimi kullanan en iyi Intel ® Xeon Phi ™ işlemciye performans için önemlidir. Bu Intel ® MIC Mimarlık çekirdeği diğer SIMD ISA’yı (örneğin, MMX ™, Intel ® SSE, veya Intel ® AVX gibi)  desteklemeyen birimler için önemlidir.

Her bir çekirdek bir 32 KB L1 veri önbelleği, bir 32 KB L1 yönerge önbelleği ve 512 KB L2 önbelleğe sahiptir. Tüm çekirdek L2 önbellek birbirleri ile bağlantılı ve bir çift yönlü halka  ile bellek denetleyicileri vardır. Yüksek ön belleğe sahip olması önemlidir. . Xeon Phi de , SB/IB'deki gibi bi tür ring bus var. Çekirdekler ana bellek veya birbirleri ile bu ring-bus üstünden iletişim kuruyorlar.  Her bir çekirdek kendine has 512kb L2 önbelleği vardır.( 60 çekirdek için 30mb L2 var). Her çekirdek yüksek  L2 'ye sahiptir. Her çekirdeğin yüksek  L2 'ye sahip olması, simulasyon sırasında her  çekirdeğin daha az  kartın ana belleğine erişmesini sağlıyor. Bu da inanılmaz  performans ve güç tasarrufu demektir. Kepler GK110 ile karşılaştırırsanız gk110 da 1.5MB L2 var. Simulasyon sırasında her bir işlem grubunun işi bitince mutlaka karttaki belleğe çıkması erişmesi yeni veri alması gerekiyor ki, Phi'de çekirdeklerin belleğine çıkma ihtiyacı çok daha az. İlave olarak çekirdekler birbirleri ile bir tür Coherent Bus ile bağlı, yani bir çekirdek başka bir çekirdeğin ne tür veriyi tuttuğunu biliyor. Bir şekilde o veriye ihtiyaç duyulursa kartın ana belleğine çıkmadan ulaşılabiliyor. 

Yüksek-Paralel Uygulamalar için İntel Xeon Phi

Yüksek paralel uygulamalardan yüksek performans yakalamak İntel Xeon Phi ile çok daha kolay.Dayanan Intel ® Xeon Phi ™ işlemcisi 5110P, Intel Çok Entegreli Çekirdek (MIC) mimarisine sahiptir.Intel ® Xeon ® işlemci performansı ve enerji performansı zorlu paralel uygulamalarda çok daha iyi.

     X86 programlama modelleri ile tamamıyla uyumlu Intel Xeon Phi, ana işletim sisteminden bağımsız olarak kendi Linux tabanlı bir işletim sistemi ile çalışıyor. HPC için optimize edilmiş, yüksek-paralel, ayrı işlem düğümü gibi komplex uygulamaların üstesinden geliyor. PCIe form faktöründeki Xeon Phi,  Intel’in yeni 22nm, 3-D tri-gate transistör teknolojisini kullanıyor. İçerisinde 50′den fazla çekirdek ve 8GB GDDR5 bellek içeren Xeon Phi, 1 teraflop’luk (saniyede 1 trilyon kayan nokta işlemi) işlem gücü ile tek başına bir süper bilgisayar gücüne ulaşabiliyor. 2012 yılının ikinci yarısında çıkan Xeon Phi için Intel, aralarında Bull, Cray, Dell, HP, IBM, Inspur, SGI ve NEC’in de yer aldığı 44 kadar destekçiyi de arkalarına alarak sektörün lideri olduğunu da bir kez daha kanıtlamış oldu. Son olarak 2013 yılı içerisinde Intel, Xeon işlemci ailesinin Petabayt sınıfı süper bilgisayarı kategorisine Intel Xeon Phi ailesinin en yeni üyesi  “Stampede” kod adlı işlemcisi ile noktayı koyacak.

Temel İntel Xeon Phi İşlemci mimarisinin blok diyagramı gösterilmiştir.

"Intel Xeon Phi oturarak ve birkaç satır ekleyerek birkaç dakika da çok büyük işler başarabilirsiniz. Hareketli bir GPU için bir kod bir projedir.                                                           

                                                                                                                              Dan Stanzione,

-          Müdür Yardımcısı  Texas Advanced Computing Center

Tüm Kodunuz için Tek Programlama Modeli

Programlama dilleri, modelleri ve araçları geniş bir ürün yelpazesinde Intel mimarisini destekler ve hepsi Intel Xeon işlemci ve Intel Xeon Phi de kullanılabilir.Bir işlemci ailesi üzerinde çalışan uygulamalar büyük ölçüde optimize ve yazılım bakımı, geliştirme karmaşıklığını azaltabilir.Paralel uygulamalarda büyük başarı sağlanır. 

Şekilde de görüldüğü gibi yüksek paralel uygulamalarda İnet Xeon Phi en iyi performansı gösterir.

İntel Xeon Phi Performans Bilgileri

Şekilde hassasiyet ve hafıza bant genişliğinin grefikleri ve İntel Xeon Phi inin yüksek performansı görülmektedir.

                                                                          Yapay Deney Özet

İntel Matematik Çekirdek Kütüphanesi

İşlemcisi sonucu: İşlemci merkezden yardım almadan %100 işlem yapıyor .

İŞLEMCİ GÜÇ DEĞERLERİ(WATT BAŞINA PERFORMANS) 

İntel Xeon Phi İşlemcisi:   Uygulama Performansları 10x e kadar artar.

İntel Xeon Phi İşlemci PCIe Transfer Kapasitesi

 

Phi adını alan yonga Intel’in alışageldiğimiz işlemcilerinden farklı bir yapıya sahip. Aslına bakılacak olursa yonga bir CPU’dan çok yapısal olarak bir GPU’ya daha çok benziyor. Ayrıca, işlemci kendine ait bir PCB ile beraber kullanılıyor. Phi’nin 2009 yılında sona erdirilen ve Intel’in tek başına pazarlayacağı GPU projesi olan Larabee’den elde edilen tecrübe ile geliştirildiği belirtiliyor.Phi deki işlemciler basit yapılı eski pentiumlardan oluşuyor(P54c ilk pentiumlar ) , vektör üniteleri, L2 önbellek, iletişim birimleri. x86 / x86-64 / x87 desteği var, SIMD üniteleri farklı. Bizim bildiğimiz bizim bilgisayarlardaki işlemcilerdeki SSE / AVX yerine 512bit başka bir SIMD ünitesi var.Pci-ex slotuna takılıyor, harici güç girişi var, 225-300w güç tüketimi var, 6-8 gb gddram takılıdır.  Kartın üstünde Linux işletim sistemi çalışıyor, kartın takıldığı ana bilgisayar ile SSH terminalinden faln iletişim kuruluyor. Network için takılı olduğu ana bilgisayarın kaynaklarını kullanıyor. Ana bilgisayarla  iletişim kurması  gerekirse pci-e üstünden veri aktarıyor. 
Mevcut bir program bunun üstünde çalışacak şekilde uyarlanmak isteniyorsa, eğer SSE vs. kullanmıyorsa hiçbir şey yapmadan direk çalışabilir. Eğer SSE vs. kullanıyorsa program recompile edilerek yine çalıştırılabilir oluyor.  Phi'nin en büyük getirisi simulasyon gibi işlerdeki yüksek performansıdır. Her bir çekirdeğin kendine has 512kb L2 önbelleği var(çarparsanz da 60 çekirdek için 30mb L2 var). Her çekirdeğin yüksek  L2 'ye sahip olması, simulasyon sırasında her  çekirdeğin daha az  kartın ana belleğine erişmesini sağlıyor. Bu da inanılmaz  performans ve güç tasarrufu demektir. Kepler GK110 ile karşılaştırırsanız gk110 da 1.5MB L2 var. Simulasyon sırasında her bir işlem grubunun işi bitince mutlaka karttaki belleğe çıkması erişmesi yeni veri alması gerekiyor ki, Phi'de çekirdeklerin belleğine çıkma ihtiyacı çok daha az. İlave olarak çekirdekler birbirleri ile bir tür Coherent Bus ile bağlı, yani bir çekirdek başka bir çekirdeğin ne tür veriyi tuttuğunu biliyor. Bir şekilde o veriye ihtiyaç duyulursa kartın ana belleğine çıkmadan ulaşılabiliyor. 
Intel Xeon Phi'yi AMD veya Nvidia'dan en büyük şekilde ayıran kısmı bu zaten, onlarla kıyaslanınca devasa  toplam L2 belleğe sahip olması ki bunun ne kadar avantaj getirdiği çok açıktır. 

Çok Çekirdekli İşlemci Mimarisi

Tilera vs. gibi yapılara Tiled Mimariler deniyor, toplam çip 8x8 şeklinde dizili, toplam 64 çekirdek var, her bir çekirdek komşu 4 çekirdeğe bir tür router ile bağlı. Xeon Phi bu tür tiled mimariler ile tamamen alakasız farklı bir yapısı var. Xeon Phi de , SB/IB'deki gibi bi tür ring bus var. Çekirdekler ana bellek veya birbirleri ile bu ring-bus üstünden iletişim kuruyorlar. Tilera ile Phi birbiri ile tamamen alakasız olduğu gibi, tiled mimarilerin sorunlu olduğu bir sürü alan var (problemin özel olarak dizayn edilen bir çözümle çözülmeye çalışlması, özel bi şekilde kodlanması özel compiler kullanılması gibi). Phi'de ise mesela, x86 için olan bir kod, Intel Parallel Studio vs. ile Phi için yeniden compile edilerek (derlenerek) bu Phi kartı üstünde çalışacak hale getirilebiliyor ki en büyük avantajıdır. Phi ile diğer Tiled mimarili çipler veya mips/arm karşılaştırılabilir bir durumda değildir.Tek ortak noktaları hepsinin özel amaçlar için kullanılacak olması. Phi'nin Intel'in ürünü olmasından , hem x86 uyumlu olmasından, hem Paralel Studio gibi gelişmiş bir ürünle desteklenmesi gibi devasa avantajları var. 
Ayrıca HPC/Süper bilgisayar alanını hedeflerken daha alt düzeye bizim seviyemize indirilebilme imkanı var, bu da çok ilginç bir noktaya taşıyor. GPU kullanmayan birçok süper bilgisayar var, Xeon E5 kullanan, bunların programlama modelleri kodları üzerinde hemen hemen hiç belki çok çok az değişiklik ile Phi üstüne taşınabilir hale getirilebilir oluyor. Esnek çalışma modları var, programın tamamen ana sistemin CPU 'su çalıştırsın (sadece 2x Xeon ), off load-programın işlem gücü isteyen kısmı Phi üstünde çalışsın, simetrik-hem Ana Makinadaki 2x Xeon hem Phi aynı anda işlem hesap yapsın, MIC-only, bütün işi programı sadece Phi çalıştırsın gibi. 
Bizim seviyemize inmesini değerlendirecek olursak, açık kaynak olmayan commerical programlar için bizim yapabileceğimiz bir şey yoktur. Vray Cpu işinin bir kısmını bu karta yüklemesi modifiye etmesi gerekir. Ama ilginç olan kısmı, Phi'nin simetrik / offload gibi işleri destekledğinden, OpenCL / Cuda'nın aksine yapılacak işi yeniden kod yazma gerektirmeden programın Phi'ye taşınmasına imkan veriyor olması. Vray de mesela kullanıcılar  render motorunun opencl/cuda için özel olarak yeniden tasarlamak zorunda kaldılar, render kısmını Gpu ya nasıl taşınacağı, nasıl bir grid oluşturulup işlem yapılacağı vs. vs. Phi için de benzerini yapacaklar ama bunu yapması çok  daha kolay. Phi, kartı hızlandırıcı olarak kullandırtmak, GPGPU'ya göre çok daha kolay, ikincisi de CPU gücü konusunda Xeon ile ciddi anlamda karşılaştırılabilecek kapasitesi var. Gerçek dünya yüklerinde 2 soket E5 2600 serisi işlemcilere göre 2.5-3x gibi performans farkı ölçülmüş. Bu son kullanıcı taraflı işlerde, her durumda tam olarak GPU kullanılamayan durumlarda(render gibi mesela, yada bazı finansal araçlar yada GPGPU için yeniden kod yazmanın kısıtlayıcı olduğu durumlar vs. vs. gibi), 2 soket Xeon E5'in fiyatını düşününce çok büyük bi avantaj demek. GPU üstünde tam olarak yapılamayan bi işi, 3000$ lık 2x Xeon E5 sistemden 2.5-3x daha hızlı yapmak, üstelik de bunu 2000$ seviyeli bir kart ile yapmak çok cazip görünüyor. Xeon Phi 3100 model adıyla önümüzdeki sene piyasaya çıkacağı açıklanan işlemci yongası sanırım Cambridge Üniversitesi gibi elinde süper bilgisayarları olan yerlerden büyük talep görücektir.
Phi , her bir çekirdeğin büyük L2'si olması, değişik  ring-bus olması sistemde, düşük teorik SP değerine rağmen belki GPU render ile karşılaştırılabilecek CPU render performansı verebilir.

Önemli bir nokta: Phi diğer işlemcilerde olduğu gibi normal kullanıcılar için  değil, bir tür yardımcı hızlandırıcı niteliğindedir.

Örnek yazılımsal olarak kullanımı

Doğru kullanım	Yanlış kullanım
Intel® Xeon Phi™ coprocessor	Xeon® Phi™
Intel® Xeon Phi™ coprocessor	Phi™
Intel® Xeon Phi™ coprocessor	Intel® Xeon Phi coprocessor
Server with Intel® Xeon Phi™ coprocessors	Intel Xeon™ Phi™ server
Intel® Xeon Phi™ product family	Intel® Xeon® product family
Intel® Xeon Phi™ coprocessor	Xeon® Phi™ coprocessor
ABC system with an Intel® Xeon Phi™ coprocessor	ABC Intel® Xeon® Phi™ based system

UYUMLU ÜRÜNLER

Server/Workstation Board (Ürünler: 11)

Intel® Server Board S5520UR

Intel® Server Board S5520HC

Intel® Workstation Board S5520SC

                  Intel® Server Board S5500BC                       

Intel® Server Board S5500WB

Intel® Server Board S5500HCV

Intel® Server Board S5500HV

Intel® Server Board S5500WB12V

Intel® Compute Module MFS5520VIR

Intel® Server Board S5520HCT

Intel® Server Board S5520URT

Sistem

Intel® Server System SR1680MV

Intel® Workstation System SC5650SCWS

Intel® Server System SR1630BCR

Intel® Server System SC5650BCDPR

Intel® Server System SC5650HCBRPR

Intel® Server System SR2625URLXR

Intel® Server System SR2625URLXT

Intel® Server System SR2625URBRPR

Intel® Server System SR1600URR

Intel® Server System SR1600URHSR

Intel® Server System SR1625URR

Intel® Server System SR1625URSASR

Intel® Server System SR2600URBRPR

Intel® Server System SR2600URLXR

Intel® Server System SR2600URSATAR

Intel® Server System SR2612URR

Intel® Server System SR1695WBAC

Intel® Server System SR1695WBDC

Intel® Server System SR1690WBR

Uyumlu Yonga Setleri

Intel® 5520 Chipset

     Kaynakça:

·         http://www.intel.com/content/www/us/en/high-performance-computing/high-performance-xeon-phi-coprocessor-brief.html

·         http://www.colfax-intl.com/xeonphi/book.html?gclid=CN-g-_XWrrcCFYZa3godoCoAXQ

·         http://software.intel.com/en-us/mic-developer

·         https://www.google.com.tr/#gs_rn=12&gs_ri=psy-ab&cp=13&gs_id=1e&xhr=t&q=intel+xeon+phi&es_nrs=true&pf=p&output=search&sclient=psy-ab&oq=intel+xeon+ph&gs_l=&pbx=1&bav=on.2,or.r_qf.&bvm=bv.47008514,d.ZWU&fp=5ef5ffc24062c2aa&biw=1366&bih=677

·         http://www.xbitlabs.com/news/cpu/display/20130326050047_Intel_to_Refresh_Xeon_Phi_Coprocessor_Line_in_Mid_2013.html

·         https://www.google.com.tr/#gs_rn=12&gs_ri=psy-ab&cp=13&gs_id=1e&xhr=t&q=intel+xeon+phi&es_nrs=true&pf=p&output=search&sclient=psy-ab&oq=intel+xeon+ph&gs_l=&pbx=1&bav=on.2,or.r_qf.&bvm=bv.47008514,d.ZWU&fp=5ef5ffc24062c2aa&biw=1366&bih=677

·         http://ark.intel.com/tr/products/71993/Intel-Xeon-Phi-Coprocessor-SE10X-8GB-1_100-GHz-61-core

Not: Xeon-Phi-Software-Developers-guide mayıs 2013 de yayınlanmıştır.Ekte bulabilirsiniz.

Hazırlayan:Aysun Düşmez