Optimalizace Xeonu a Opteronu
Mnohohlavá monstra
Překotné snižování cen procesorů Intel Xeon společně s uváděním neustále většího množství relativně levných základních desek pro tento procesor na trh nutí uživatele přemýšlet o koupi takového řešení.

Současné procesory Xeon jsou vyrobeny stejně jako Pentium 4, s použitím stejné mikroarchitektury NetBurst, nicméně ve srovnání s desktopovými modely obsahují řadu odlišností. Hlavní z nich je možnost práce ve víceprocesorových systémech (režim SMP - symetrický multiprocesing), dále jde o zvětšený objem vyrovnávací paměti. Nižší modely obsahují 512 kB vyrovnávací paměti druhé úrovně. Vyšší modely mohou být vybaveny dodatečnou vyrovnávací pamětí třetí úrovně, jejíž velikost může být 1024 nebo 2048 kB. Kromě toho podporuje Xeon, stejně jako procesory Pentium 4, technologii Hyper-Threading. Takže zakoupíte-li dva procesory Xeon, získáte fakticky plnohodnotný čtyřprocesorový systém.
Se základními deskami to není nejlepší. Společnost Intel nabízí pro víceprocesorové systémy dvě čipové sady - E7501 a E7505. Najít však základní desku, která není orientována na serverový trh, ale je určena k vytvoření grafické stanice, je téměř nemožné. Mnohé modely jsou ochuzeny o slot AGP, takže na takovou základní desku se nedá instalovat moderní grafická karta.
Štěstí se usmálo na uživatele uvažující o využití architektury Xeon v grafických stanicích, a to díky dvěma výrobcům základních desek, kteří uvedli na trh neobvyklá řešení pro procesory Xeon. Základní desky s čipovou sadou Intel 875P, optimalizované pro použití s procesory Xeon, nabízejí společnosti Iwill a Asustek.

ALTERNATIVA: AMD OPTERON
Hlavním tahounem AMD je nová 64bitová architektura. Stejně jako Intel Xeon i procesory Opteron mohou pracovat ve víceprocesorových konfiguracích. Objem vyrovnávací paměti mají také zvětšený, její velikost je 1 MB. U procesoru Opteron se musíme zmínit ještě o jedné zajímavé zvláštnosti, a tou je integrovaný řadič operační paměti. To znamená, že procesor sám řídí paměť a nevyužívá k tomu čipovou sadu. Tato strategie umožňuje zmenšit prodlevy při práci s pamětí a díky tomu zvětšit výkonnost systému.
Je tu však i druhá strana mince. Jestliže je řadič paměti implantován v procesoru, bude každý procesor potřebovat vlastní paměť. Kromě toho procesor pracuje pouze s registrovanou (registered) pamětí, která je podstatně dražší než obyčejná.
Základní desky pro Opteron vyrábí mnozí známí výrobci. Například společnost Iwill nabízí několik modelů pro všechny segmenty trhu, a to na bázi několika čipových sad.

CO A ZA KOLIK?
INTEL XEON DP
Porovnáme-li cenu nejvyšších modelů Pentium 4 (platforma 478) a Xeon DP (platforma Socket 604), pracujících na stejné frekvenci, je vidět, že rozdíl v ceně je okolo 100 %. A to je samozřejmě hodně. Ale pokud provedeme stejnou operaci s modely Xeon 2,4 - 2,8 GHz a Pentium 4 2,8 - 3 GHz, bude rozdíl zhruba 25 - 30 %.
Zcela jinou věcí jsou základní desky. Modely s čipovými sadami E7501/E7505 stojí nekřesťanské peníze. Ceny za tyto desky začínají od 400 USD, navíc za tuto nemalou částku obdržíte pouze desku, určenou pro vytvoření entry-level serveru. Jiná situace je s hybridy neschválenými Intelem, vytvořenými pomocí čipové sady 875P. Model Asus PC-DL Deluxe stojí okolo 200 USD, stabilnější a funkčnější řešení Iwill DH800 pak do 400 USD.

AMD OPTERON
Procesory AMD Opteron jsou podstatně dražší. Základní modely pracující na frekvenci 1,4 GHz, které umožňují práci v jednoa dvouprocesorových konfiguracích, stojí od 200 USD. Vyspělejší exempláře, například model Opteron 248, pracující na taktovacím kmitočtu 2,2 GHz, stojí okolo 1000 USD. Nejvhodnější základní deskou pro vytvoření výkonné pracovní stanice je Iwill DK8K. Tato základní deska umožňuje instalovat dva procesory Opteron a do 16 GB operační paměti. Samozřejmě že pro každý procesor je možné instalovat pouze polovinu tohoto objemu operační paměti. Deska je osazena slotem AGP 8x/Pro a všemi současnými řadiči, včetně Serial ATA a USB 2.0. Cena se pohybuje kolem 650 USD.

OPERAČNÍ SYSTÉMY
Oba procesory (Xeon i Opteron) pracují s mnohými operačními systémy, počínaje Windows a konče Solarisem. Abychom se více přiblížili uživatelům, použili jsme při přípravě našich materiálů standardní operační systémy Windows XP a beta verzi Windows XP 64-bit Edition pro Xeon a Opteron.

SKRYTÉ PROBLÉMY
Mnozí ani netuší, s jakými problémy se mohou setkat při použití jmenovaných operačních systémů. Hlavní z nich je potřeba výkonného napájecího zdroje serverového typu. Hlavní odlišnost těchto napájecích zdrojů spočívá v tom, že se napájení základní desky přivádí 24kontaktním konektorem ATX EPS a k procesoru 8pinovým kontaktním konektorem. Pro srovnání - pro obyčejné desktopové systémy se používají 20a 4pinové konektory.
Při přípravě materiálu jsme použili napájecí zdroj o výkonu 460 W, výrobce Enhance Electronics Co, který stojí zhruba 3000 korun. A musíme podotknout, že ne vždy byl jeho výkon dostačující. Tak například když úroveň zatížení procesorů dosahovala kritické hranice, spotřeba elektrické energie prudce vzrostla. Napájecí zdroj nebyl schopen zásobovat všechny prvky systému požadovaným množstvím elektrické energie. Následně se během provádění testů zastavovala grafická karta a vypínal se pevný disk. Tento problém jsme vyřešili pomocí dodatečného napájecího zdroje, který odpovídal za komponenty, jež byly vystaveny náhlému odpojení elektrické energie.
Další problém představovalo upevnění větráku procesoru. Jestliže se s instalací chladicích zařízení na procesor Opteron vyrovná dokonce i málo zkušený uživatel, pak k instalaci pružinových úchytek na chladič Xeonu je zapotřebí jak inteligence, tak i nemalé fyzické úsilí.

APLIKACE
Aby počítač fungoval na plný výkon, je zapotřebí, aby používané aplikace byly optimalizované pro práci na shodné platformě. Tak fungují například všechny herní konzole. Nicméně v našem případě je realizace podobného řešení poněkud složitější - konkrétně kvůli většímu množství existujících procesorů, kdy každý z těchto procesorů je vytvořen na bázi vlastní architektury.
Následně jsou vývojáři programů nuceni jít tou nejjednodušší cestou - vytvářet programy, které fungují na kterémkoli zařízení. Je pochopitelné, že o využívání jakýchkoli doplňkových konstrukčních zvláštností se vůbec nedá mluvit. Díky tomu fungují obyčejné programy stejně rychle jak na obyčejných systémech, tak i na speciálních grafických stanicích.
Východisko ze vzniklé situace přece jenom existuje - použít pouze optimalizované speciální programové vybavení. Pro operační systém Windows, na který jsou všichni zvyklí, nemusí však bohužel takový program vůbec existovat.
Takže například programy, které skutečně používají všechny výhody 64bitové architektury AMD a pracují pod Windows XP 64-bit Edition, se dají spočítat na prstech jedné ruky. Požadovat navíc, aby tyto programy byly optimalizované pro procesor Opteron, je zhola nemožné. Takové prostě neexistují.

APLIKACE, KTERÉ JSME POUŽILI
Při pohledu na tabulku se možná budete divit. Údiv může mimochodem vyvolat i fakt, že mezi uvedenými testovacími aplikacemi nejsou "drtící" testovací balíčky, jako například SPECapc pro Solid Edge nebo SolidWorks. Odpověď je velmi jednoduchá. Myslíme si, že průměrný počítačový uživatel pracuje hlavně s kancelářskými aplikacemi a s počítačovými hrami. Ano, nepochybně jsou uživatelé, kteří musí dlouhé hodiny projektovat ty nejsložitější mechanismy. Ale těch je málo a pracují se specializovanými programy. Proto abychom uspokojili největší počet čtenářů, kladli jsme důraz na potřeby průměrného uživatele.
Dohady mohou vzniknout i kvůli tomu, proč jsme použili jako testovací program zastaralou hru Quake III, a ne například současnou Unreal Tournament 2004. Odpověď je jednoduchá: Částečně kvůli tomu, že se dá jádro velmi pohodlně řídit. Tak například se dá hra požádat o to, aby používala několik procesorů místo jednoho, a to pomocí příkazu r_smp 1. V mnoha jiných hrách je to prostě nemožné.

S JEDNÍM PROCESOREM
Pro srovnání jsme uvedli výsledky, které ukazují ty samé aplikace na třech různých jednoprocesorových konfiguracích. Použili jsme platformu Socket 478, procesor Pentium 4 3,2 GHz s jádrem Prescott a základní desku DFI LanParty PRO875B, dále platformu Socket A s procesorem AMD Athlon XP 3200+ (jádro Barton) a desku Asus A7N8X, a nakonec to nejnovější řešení od Intelu - platformu LGA775. Do naší testovací laboratoře se dostala nová deska Albatron PX915G a procesor Intel Pentium 4 3,4 GHz (jádro Prescott). Podrobněji jste si o něm mohli přečíst v předcházejícím Chipu (9/04) v článku "Přijíždí expres".
Pro všechny systémy bez výjimky byl použit pevný disk WD Raptor. Na něj byl nainstalován operační systém, potom se prováděla všechna měření. Jako grafický adaptér byla použita grafická karta nVidia GeForce FX 5950 Ultra, vyrobená společností Gigabyte. A pouze u desky na bázi čipové sady 915G jsme museli použít integrované grafické jádro Intel Extreme Graphics. K tomuto řešení by se však spíše hodila grafická karta PCI Express, a proto se prosím nedívejte až tak přezíravě na ne příliš dobré výsledky této platformy.

ZÁVĚR
Použití dvouprocesorových systémů v domácích nebo kancelářských podmínkách je zcela neopodstatněné. Většina existujících klientských programů k dnešnímu dni prostě neumí pracovat se dvěma a více procesory. Dokonce programové balíky určené pro konverzi videa jsou lhostejné k víceprocesorovým konfiguracím. Prohlédli jsme spoustu programů, jako například DVD2AVI a DVD Decryptor, a zjistili jsme, že nepoužívají doplňkové možnosti technologie symetrického multiprocesingu.
Snad jen komprimační programy (například WinRar 3.3) jsou schopné využít několik procesorů. Jestliže se podíváme na úroveň zatížení procesorů během komprimace, můžeme si všimnout, že program postupně používá oba dostupné procesory. Je to samozřejmě přednost. Ale, mimochodem, její váha je nevelká - stolní jednoprocesorové systémy vítězí nad Xeony a Opterony především kvůli vyššímu taktovacímu kmitočtu.
Ostatní testovací programy, které jsme použili, přehledně demonstrují optimalizaci pro obyčejné procesory. Je zřejmé, že v programu 3DMark03 na sebe bere hlavní roli grafická karta a zároveň i procesor má velký vliv. Výsledky měření také záleží na tom, nakolik je provedena optimalizace ovladačů videokarty pro použití s konkrétním procesorem. V případě programu 3DMark03 je vidět, že ovladače nVidia nic moc nevědí o dvouprocesorových systémech na bázi Opteronu. Zcela jistě by jinak tento systém nezaostával za obyčejným o 12 %.
Vše se ale neobešlo bez překvapení. Testovací program Quake III ukázal, že použití druhého procesoru přidává přibližně 50 % celkového výkonu. Zkontrolovali jsme několikrát výsledky, které jsme získali při použití příkazu r_smp 0 (vypnutí používání symetrického multiprocesingu) a s příkazem r_smp 1. A výsledky se skutečně měnily - 360 a 554 snímků za sekundu. Můžeme tedy konstatovat, že je to jediná hra, které není lhostejná ani architektura Opteronu, ani dva procesory v systému.
Pokud se však nezabýváte náročnými výpočty, programováním na nízké úrovni a nepracujete s operačními systémy třídy Solaris, sotva budete potřebovat počítač se dvěma a více procesory. Ve všech typických programech pro Windows je použití dvouprocesorových systémů absolutně neodůvodněné.

Nikolaj Levskij

Typy MXM	
Testovací aplikace	2x Xeon 2,8 GHz 
Iwill DH800	2x Opteron 248 2,2 GHz
Iwill DK8K	1x Pentium 4 (Prescott) 3,2 GHz
DFI LanParty PRO 875B	1x Athlon XP 3200+ (Barton)
Asus A7N8X	1x Pentium 4 3,4 GHz (Prescott)
Albatron PX915G	
Chip Benchmark, MB/s	978	1553	1787	742	1816	
3D Mark 2003, body	6189	5525	6350	4664	1374	
Aquamark 3, fps	45,46	- *	43,69	27,12	9,04	
CodeCreatures Benchmark, body	4156	3983	4103	2939	- **	
Quake III, fps	394,1	554,3	365	252,8	160,9	
SpecViewPerf 7.1 DRV-09, body	46,73	32,06	41,84	23,17	17,18	
SpecViewPerf 7.1 UGS03, body	8,58	8,82	9,19	6,26	0,91	
SpecViewPerf 7.1 Dx08, body	40,97	40,97	49,5	27,22	26,11	
WinRar, s	3,17	3,24	2,41	3,26	2,28	
* – Aquamark 3 nepracuje s operačním systémem Windows XP 64-bit Edition. 
** – CodeCreatures Benchmark odmítl pracovat s integrovanou grafickou kartou čipové sady 915G.