Xeon Phi - Xeon Phi

Xeon Phi

Obecná informace
Spuštěno	2010
Přerušeno	2020
Výkon
Max. Taktovací frekvence CPU	1,053 GHz až 1,7 GHz
Mezipaměti
Mezipaměť L1	32  KB na jádro
Mezipaměť L2	512  kB na jádro
Architektura a klasifikace
Architektura	x86-64
Rozšíření
Fyzické specifikace
Tranzistory
Jádra
Zásuvka
Produkty, modely, varianty
Název značky

Xeon Phi je řada x86 manycore procesorů navržených a vyrobených společností Intel . Je určen pro použití v superpočítačích, serverech a špičkových pracovních stanicích. Jeho architektura umožňuje použití standardních programovacích jazyků a aplikačních programovacích rozhraní (API), jako je OpenMP .

Protože byl původně založen na dřívějším návrhu GPU (s kódovým označením „Larrabee“ ) od společnosti Intel, který byl zrušen v roce 2009, sdílí aplikační oblasti s GPU. Hlavní rozdíl mezi Xeon Phi a GPGPU, jako je Nvidia Tesla, je ten, že Xeon Phi s jádrem kompatibilním s x86 může s menšími úpravami spouštět software, který byl původně zaměřen na standardní procesor x86. Bylo přerušeno kvůli nedostatku poptávky a problémům Intelu s jeho 10nm uzlem.

Zpočátku ve formě přídavných karet založených na PCIe byl v červnu 2013 oznámen produkt druhé generace s kódovým označením Knights Landing . Tyto čipy druhé generace mohly být použity spíše jako samostatný procesor než jen jako doplněk Kartu.

V červnu 2013 byl superpočítač Tianhe-2 v Národním superpočítačovém centru v Guangzhou (NSCC-GZ) vyhlášen nejrychlejším superpočítačem na světě (od června 2018 je to č. 4). K dosažení 33,86 petaFLOPS používalo koprocesory Intel Xeon Phi a procesory Ivy Bridge -EP Xeon.

Produktová řada Xeon Phi přímo konkuroval Nvidia s Tesla a AMD Radeon Instinct linek hlubokého učení a GPGPU karet.

Dějiny

Krycí jméno	Technologie	Komentáře
Rytíři Ferry	45 nm	nabízen jako karta PCIe; odvozeno z projektu Larrabee
Rytířský koutek	22 nm	odvozeno od P54C; jednotka pro zpracování vektorů; první zařízení, které bude oznámeno jako Xeon Phi
Přistání rytířů	14 nm	odvozeno od Silvermont/Airmont (Intel Atom); AVX-512
Rytířský mlýn	14 nm	téměř identický s Knights Landing, ale optimalizovaný pro hluboké učení
Knights Hill	10 nm	zrušeno

Pozadí

Larrabee mikroarchitektuře (ve vývoji od roku 2006) představil velmi široký (512-bit) SIMD jednotky až po x86 designu architektura na bázi procesoru, prodloužena do mezipaměti koherentní multiprocesorovém systému připojeného přes kruhový autobus do paměti; každé jádro bylo schopné čtyřcestného multithreadingu. Vzhledem k tomu, že design byl určen pro GPU i pro obecné účely, čipy Larrabee obsahovaly také specializovaný hardware pro vzorkování textur. Projekt výroby maloobchodního produktu GPU přímo z výzkumného projektu Larrabee byl ukončen v květnu 2010.

Další současný Intel výzkumný projekt zavádění x86 architektury na mnoho-vícejádrové procesory byl ‚ Single-chip Cloud Computer ‘ (prototyp představen 2009), design napodobující cloud computing počítačová datacentrum na jediném čipu s několika nezávislými jádry: prototyp návrhu zahrnuty 48 jader na čip s hardwarovou podporou pro selektivní řízení frekvence a napětí jader pro maximalizaci energetické účinnosti a integrovaná síťová síť pro mezičipové zasílání zpráv. Návrh postrádal koherentní jádra v mezipaměti a soustředil se na principy, které by umožnily návrh škálovat na mnohem více jader.

Teraflopech Research Chip (prototyp představen 2007) je experimentální 80-core čip s dvěma s plovoucí čárkou se jednotek na jádro, se provádí 96-bit VLIW architekturu místo x86. Projekt zkoumal metody intercore komunikace, správu napájení na čip a dosáhl 1,01  TFLOPS při 3,16 GHz při spotřebě 62 W energie.

Rytíři Ferry

Prototypová deska společnosti Intel s mnoha integrovanými jádry (MIC), pojmenovaná Knights Ferry , obsahující procesor s kódovým označením Aubrey Isle, byla oznámena 31. května 2010. Tento produkt byl uveden jako derivát projektu Larrabee a dalšího výzkumu společnosti Intel včetně cloudového počítače s jedním čipem .

Vývojový produkt byl nabízen jako karta PCIe s 32 jádry v pořadí na frekvenci až 1,2 GHz se čtyřmi vlákny na jádro, 2 GB paměti GDDR5 a 8 MB soudržné mezipaměti L2 (256 kB na jádro s 32 kB mezipaměti L1) a příkon ~ 300 W, postavený na 45 nm procesu. V jádru Aubrey Isle propojuje procesory s hlavní pamětí 1024bitová kruhová sběrnice (512bitová obousměrná). Výkon jedné desky překročil 750 GFLOPS. Prototypové desky podporují pouze pokyny s plovoucí desetinnou čárkou s jednoduchou přesností .

Počáteční vývojáři zahrnovali CERN , Korea Institute of Science and Technology Information (KISTI) a Leibniz Supercomputing Center . Mezi výrobce hardwaru prototypových desek patřily společnosti IBM, SGI, HP, Dell a další.

Rytířský koutek

Knights Corner produkt je vyráběn v 22 nm velikosti procesu, pomocí Intel Tri-gate technologie s více než 50 jader na čipu, a je první řada-jádra komerční produkt společnosti Intel.

V červnu 2011 společnost SGI oznámila partnerství se společností Intel, aby ve svých vysoce výkonných výpočetních produktech používala architekturu MIC. V září 2011 bylo oznámeno, že Texas Advanced Computing Center (TACC) bude používat karty Knights Corner ve svém superpočítači „Stampede“ s 10 petaFLOPS a poskytne 8 petaFLOPS výpočetního výkonu. Podle „Stampede: A Comprehensive Petascale Computing Environment“ budou „MIC druhé generace Intel (Knights Landing) přidány, až budou k dispozici, což zvýší celkový špičkový výkon Stampede na minimálně 15 PetaFLOPS“.

Dne 15. listopadu 2011 společnost Intel ukázala ranou křemíkovou verzi procesoru Knights Corner.

Dne 5. června 2012 společnost Intel vydala open source software a dokumentaci týkající se Knights Corner.

Dne 18. června 2012 společnost Intel na mezinárodní superpočítačové konferenci v Hamburku v roce 2012 oznámila, že Xeon Phi bude obchodní značka používaná pro všechny produkty na základě jejich architektury Many Integrated Core. V červnu 2012 Cray oznámil, že bude nabízet 22 nm čipy 'Knight's Corner' (značené jako 'Xeon Phi') jako koprocesor ve svých systémech 'Cascade'.

V červnu 2012 ScaleMP oznámil aktualizaci virtualizace, která umožňuje Xeon Phi jako transparentní rozšíření procesoru a umožňuje spouštění staršího kódu MMX / SSE bez změn kódu. Důležitou součástí jádra koprocesoru Intel Xeon Phi je jeho jednotka pro zpracování vektorů (VPU). VPU obsahuje novou 512bitovou sadu instrukcí SIMD, oficiálně známou jako Intel Initial Many Core Instructions (Intel IMCI). VPU tedy může provést 16 operací s jednou přesností (SP) nebo 8 operací s dvojitou přesností (DP) za cyklus. VPU také podporuje pokyny FMA (Fused Multiply-Add), a proto může provádět 32 SP nebo 16 DP operací s pohyblivou řádovou čárkou za cyklus. Poskytuje také podporu celých čísel. VPU také obsahuje rozšířenou matematickou jednotku (EMU), která může provádět operace, jako je reciproční, odmocnina a logaritmus, což umožňuje provádění těchto operací vektorovým způsobem s velkou šířkou pásma. EMU funguje na základě výpočtu polynomických aproximací těchto funkcí.

Dne 12. listopadu 2012 společnost Intel oznámila dvě rodiny koprocesorů Xeon Phi využívající velikost procesu 22 nm: Xeon Phi 3100 a Xeon Phi 5110P. Xeon Phi 3100 bude schopen více než 1 teraFLOPS instrukcí s plovoucí desetinnou čárkou s dvojitou přesností a šířkou pásma paměti 240 GB/s při 300 W. Xeon Phi 5110P bude schopen 1,01 teraFLOPS instrukcí s dvojitou přesností s plovoucí desetinnou čárkou s Šířka pásma paměti 320 GB/s při 225 W. Xeon Phi 7120P bude schopen 1,2 teraFLOPS instrukcí s dvojitou přesností s plovoucí desetinnou čárkou s šířkou pásma paměti 352 GB/s při 300 W.

Dne 17. června 2013 byl superpočítač Tianhe-2 vyhlášen společností TOP500 jako nejrychlejší na světě. Tianhe-2 použil procesory Intel Ivy Bridge Xeon a Xeon Phi k dosažení 33,86 petaFLOPS. Bylo to nejrychlejší na seznamu za dva a půl roku, naposledy v listopadu 2015.

Návrh a programování

Jádra Knights Corner vycházejí z upravené verze designu P54C , použité v původním Pentiu. Základem architektury Intel MIC je využít dědictví x86 vytvořením architektury více procesorů kompatibilní s x86, která může využívat stávající softwarové nástroje pro paralelizaci. Mezi programovací nástroje patří OpenMP , OpenCL , Cilk / Cilk Plus a specializované verze knihoven Intel Fortran, C ++ a math.

Mezi konstrukční prvky převzaté z projektu Larrabee patří x86 ISA, 4cestný SMT na jádro, 512bitové jednotky SIMD, instrukční mezipaměť 32 kB L1, datová mezipaměť 32 kB L1, soudržná mezipaměť L2 (512 kB na jádro) a ultraširoký kruhová sběrnice spojující procesory a paměť.

Pokyny 512bitové SIMD Knights Corner sdílejí mnoho vnitřních funkcí s rozšířením AVX-512. Dokumentace instrukční sady je k dispozici od společnosti Intel pod názvem rozšíření KNC.

Modely řady Xeon Phi
X100

název	Sériové číslo	Jádra ( vlákna @ 4x jádro)	Hodiny (MHz)		Mezipaměť L2	Paměť GDDR5 ECC			Peak DP Compute (GFLOPS)	TDP (W)	Chladicí systém	Form Factor	Vydáno
			Základna	Turbo		Množství	Kanály	ČB GB/s
Xeon Phi 3110X	SE3110X	061 (244)	1053	-	30,5 MB	06 GB	12	240	1028	300	Holé prkno	Karta PCIe 2.0 x16	Listopadu 2012
						08 GB	16	320
Xeon Phi 3120A	SC3120A	057 (228)	1100	-	28,5 MB	06 GB	12	240	1003	300	Ventilátor/chladič		17. června 2013
Xeon Phi 3120P	SC3120P	057 (228)	1100	-	28,5 MB	06 GB	12	240	1003	300	Pasivní chladič		17. června 2013
Xeon Phi 31S1P	BC31S1P	057 (228)	1100	-	28,5 MB	08 GB	16	320	1003	270	Pasivní chladič		17. června 2013
Xeon Phi 5110P	SC5110P	060 (240)	1053	-	30,0 MB	08 GB	16	320	1011	225	Pasivní chladič		12. listopadu 2012
Xeon Phi 5120D	SC5120D	060 (240)	1053	-	30,0 MB	08 GB	16	352	1011	245	Holé prkno	SFF 230pinová karta	17. června 2013
	BC5120D
Xeon Phi SE10P	SE10P	061 (244)	1100	-	30,5 MB	08 GB	16	352	1074	300	Pasivní chladič	Karta PCIe 2.0 x16	12. listopadu 2012
Xeon Phi SE10X	SE10X	061 (244)	1100	-	30,5 MB	08 GB	16	352	1074	300	Holé prkno		12. listopadu 2012
Xeon Phi 7110P	SC7110P	061 (244)	1100	1250	30,5 MB	16 GB	16	352	1220	300	Pasivní chladič		???
Xeon Phi 7110X	SC7110X	061 (244)	1250	???	30,5 MB	16 GB	16	352	1220	300	Holé prkno		???
Xeon Phi 7120A	SC7120A	061 (244)	1238	1333	30,5 MB	16 GB	16	352	1208	300	Ventilátor/chladič		06.04.2014
Xeon Phi 7120D	SC7120D	061 (244)	1238	1333	30,5 MB	16 GB	16	352	1208	270	Holé prkno	SFF 230pinová karta	Březen ??, 2014
Xeon Phi 7120P	SC7120P	061 (244)	1238	1333	30,5 MB	16 GB	16	352	1208	300	Pasivní chladič	Karta PCIe 2.0 x16	17. června 2013
Xeon Phi 7120X	SC7120X	061 (244)	1238	1333	30,5 MB	16 GB	16	352	1208	300	Holé prkno		17. června 2013

Přistání rytířů

Kódový název produktu druhé generace architektury MIC od společnosti Intel. Společnost Intel oficiálně poprvé odhalila podrobnosti o svých produktech druhé generace Intel Xeon Phi dne 17. června 2013. Intel uvedl, že příští generace produktů založených na architektuře Intel MIC Architecture bude k dispozici ve dvou formách, jako koprocesor nebo hostitelský procesor (CPU), a musí být vyroben s použitím Intel 14 nm výrobní technologie. Produkty Knights Landing budou zahrnovat integrovanou paměť v balíčku pro výrazně vyšší šířku pásma paměti.

Knights Landing obsahuje až 72 jader Airmont (Atom) se čtyřmi vlákny na jádro, využívající patici LGA 3647 podporující až 384 GB „vzdálené“ paměti DDR4 2133 RAM a 8–16 GB skládané „blízké“ 3D  MCDRAM , verze Hybridní paměťová kostka . Každé jádro má dvě 512bitové vektorové jednotky a podporuje instrukce AVX-512 SIMD, konkrétně Intel AVX-512 Foundational Instructions (AVX-512F) s Intel AVX-512 Conflict Detection Instructions (AVX-512CD), Intel AVX-512 Exponential a Reciproční instrukce (AVX-512ER) a Intel AVX-512 Prefetch Instructions (AVX-512PF). Podpora pro IMCI byla odebrána ve prospěch AVX-512.

National Energy Research Scientific Computing Center oznámila, že fáze 2 svého nejnovějšího superpočítačového systému "Cori" by používal Knights Landing Xeon Phi koprocesory.

Dne 20. června 2016 společnost Intel uvedla na trh řadu produktů Intel Xeon Phi x200 založenou na architektuře Knights Landing, přičemž zdůraznila její použitelnost nejen na tradiční úlohy simulace, ale také na strojové učení . Modelová řada oznámená při spuštění zahrnovala pouze Xeon Phi zaváděcího formátu, ale dvě její verze: standardní procesory a procesory s integrovanou architekturou Intel Omni-Path . Ten je označen příponou F v čísle modelu. Očekává se, že integrovaná tkanina poskytne lepší latenci za nižší cenu než diskrétní vysoce výkonné síťové karty.

Dne 14. listopadu 2016 obsahoval 48. seznam TOP500 10 systémů využívajících platformy Knights Landing.

PCIe založený koprocesor varianta Rytířském přistání nebyl nikdy určen pro širokou trhu a byla ukončena v srpnu 2017. To zahrnovalo 7220A, 7240P a 7220P koprocesor karty.

Intel oznámil, že v létě 2018 ukončují hru Knights Landing.

Modely

Všechny modely mohou zvýšit své špičkové rychlosti a přidat 200 MHz k základní frekvenci, pokud běží pouze jedno nebo dvě jádra. Při běhu ze tří na maximální počet jader mohou čipy posílit pouze 100 MHz nad základní frekvenci. Všechny čipy používají kód AVX na frekvenci snížené o 200 MHz.

Řada Xeon Phi 7200	sSpec číslo	Jádra (vlákna)	Hodiny (MHz)		Mezipaměť L2	Paměť MCDRAM		Paměť DDR4		Špičkový výpočet DP	TDP (W)	Zásuvka	Datum vydání	Číslo dílu
			Základna	Turbo		Množství	ČB	Kapacita	ČB
Xeon Phi 7210	SR2ME (B0)	64 (256)	1300	1500	32 MB	16 GB	400+ GB/s	384 GB	102,4 GB/s	2662 GFLOPS	215	SVLCLGA3647	20. června 2016	HJ8066702859300
	SR2X4 (B0)
Xeon Phi 7210F	SR2X5 (B0)										230			HJ8066702975000
Xeon Phi 7230	SR2MF (B0)										215			HJ8066702859400
	SR2X3 (B0)
Xeon Phi 7230F	SR2X2 (B0)										230			HJ8066702269002
Xeon Phi 7250	SR2MD (B0)	68 (272)	1400	1600	34 MB					3046 GFLOPS	215			HJ8066702859200
	SR2X1 (B0)
Xeon Phi 7250F	SR2X0 (B0)										230			HJ8066702268900
Xeon Phi 7290	SR2WY (B0)	72 (288)	1500	1700	36 MB					3456 GFLOPS	245			HJ8066702974700
Xeon Phi 7290F	SR2WZ (B0)										260			HJ8066702975200

Knights Hill

Knights Hill bylo kódové označení architektury MIC třetí generace, pro kterou Intel oznámil první detaily na SC14. Měl být vyroben 10 nm procesem.

Očekávalo se, že Knights Hill bude použit v superpočítači amerického ministerstva energetiky Aurora , který bude nasazen v Národní laboratoři Argonne . Aurora však měla zpoždění ve prospěch použití „pokročilé architektury“ se zaměřením na strojové učení.

V roce 2017 společnost Intel oznámila, že Knights Hill byla zrušena ve prospěch jiné architektury postavené od základů, aby v budoucnu umožnila výpočet Exascale . Tato nová architektura se nyní očekává v letech 2020–2021.

Rytířský mlýn

Knights Mill je kódové označení společnosti Intel pro produkt Xeon Phi specializovaný na hloubkové učení , původně vydaný v prosinci 2017. Téměř identický ve specifikacích jako Knights Landing, Knights Mill obsahuje optimalizace pro lepší využití instrukcí AVX-512 a umožňuje čtyřsměrné hypervlákno . Zvýšil se výkon s plovoucí desetinnou čárkou s jednoduchou a proměnnou přesností na úkor výkonu s plovoucí desetinnou čárkou s dvojitou přesností.

Modely

Řada Xeon Phi 72x5	sSpec číslo	Jádra (vlákna)	Hodiny (MHz)		Mezipaměť L2	Paměť MCDRAM		Paměť DDR4		Špičkový výpočet DP	TDP (W)	Zásuvka	Datum vydání	Číslo dílu
			Základna	Turbo		Množství	ČB	Kapacita	ČB
Xeon Phi 7235	SR3VF (A0)	64 (256)	1300	1400	32 MB	16 GB	400+ GB/s	384 GB	102,4 GB/s	TBA	250	SVLCLGA3647	4. čtvrtletí 2017	HJ8068303823900
Xeon Phi 7285	SR3VE (A0)	68 (272)	1300	1400	34 MB				115,2 GB/s	TBA	250			HJ8068303823800
Xeon Phi 7295	SR3VD (A0)	72 (288)	1500	1600	36 MB				115,2 GB/s	TBA	320			HJ8068303823700

Programování

Vědci provedli empirickou studii výkonu a programovatelnosti, ve které autoři tvrdí, že dosažení vysokého výkonu s Xeon Phi stále potřebuje pomoc programátorů a že pouhé spoléhání se na kompilátory s tradičními programovacími modely je stále daleko od reality. Výzkum v různých oblastech, jako jsou biologické vědy, a hluboké učení však prokázaly, že využíváním paralelnosti vláken a SIMD Xeon Phi se dosáhne významného zrychlení.

Konkurenti

• Nvidia Tesla , přímý konkurent na trhu HPC
• AMD Radeon Pro a AMD Radeon Instinct jsou přímými konkurenty na trhu HPC

Viz také

• Texas Advanced Computing Center  - superpočítač „Stampede“ obsahuje čipy Xeon Phi. Stampede je schopen 10 petaFLOPS.
• AVX-512
• Buňka (mikroprocesor)
• Intel Tera-Scale
• Masivně paralelní
• Xeon

Reference

externí odkazy

• Stránky Intel: Procesory Intel Xeon Phi