Leistungsstarke Intel Xeon Phi Prozessoren für parallele Programmierung

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
2. Vorstellung von Intel Xeon Phi Prozessoren
   • Hardware-Implementierung
   • Leistungsmerkmale
3. Vergleich mit anderen Architekturen
   • Performance pro Watt
   • Performance pro Rackspace
4. Gemeinsamkeiten mit Xeon-Prozessoren
   • Unterstützte Programmiersprachen
   • Unterstützte Parallelisierungs-Frameworks
   • Zugriff auf Speicher
   • Anzahl der Kerne und Threads
   • Vektoroperationen
5. Fallstudie: Partikelsimulation
6. Zusammenfassung und Ausblick
7. Verfügbarkeit von Intel Xeon Phi Prozessoren
   • Modelle und Leistungsmerkmale
   • Systemkonfigurationen

🇩🇪 Einleitung

Herzlich willkommen zu unserem Video-Kurs "Parallele Programmierung und Optimierung mit Intel Xeon Phi Prozessoren"! In dieser Episode werden wir Ihnen die Intel Xeon Phi Prozessoren vorstellen, die auf der Intel Many Integrated Core (MIC) Architektur basieren. Wir werden uns mit den spezifischen Hardware-Implementierungen befassen und einen Überblick über die Leistungsmerkmale dieser Prozessoren geben.

🇩🇪 Vorstellung von Intel Xeon Phi Prozessoren

Die Intel MIC Architektur ist eine hochparallele und effiziente Prozessorarchitektur, die durch die Verwendung einer großen Anzahl von Kernen, Vektorregistern und einem hohen Bandbreiten-On-Package-Speicher eine hohe Leistung erreicht. Die Intel Xeon Phi Prozessoren sind die Computing-Beschleuniger, die auf der Intel MIC Architektur basieren. In diesem Kurs werden wir die Begriffe "Intel Xeon Phi Prozessoren" und "Intel MIC Architektur" synonym verwenden.

Die aktuellen Intel Xeon Phi Prozessoren basieren auf dem Codenamen "Knight's Corner" (KNC). Die nächste Generation der Intel MIC Architektur wird auf dem Chip "Knight's Landing" (KNL) basieren. Die Intel Xeon Phi Prozessoren sind PCI Express-basierte Geräte und werden hauptsächlich zur Entlastung von leistungskritischen Teilen von Anwendungen und für die heterogene Clusterbildung in hochparallelen Anwendungen eingesetzt.

🇩🇪 Hardware-Implementierung

Die Intel Xeon Phi Prozessoren bieten theoretische Spitzenleistungen von bis zu 1,2 Teraflops pro Sekunde in Double Precision und 2,4 Teraflops pro Sekunde in Single Precision. Der theoretische Spitzen-Durchsatz des integrierten Speichers beträgt bis zu 384 Gigabyte pro Sekunde. Die Konnektivität mit dem Host-System wird über eine x16 PCI Express Gen 2-Verbindung mit einer Geschwindigkeit von etwa 160-180 Gigabyte pro Sekunde bereitgestellt.

Im Vergleich zu herkömmlichen Multi-Core-Prozessoren bietet der Intel Xeon Phi Prozessor eine bessere Leistung pro Watt, da seine Kerne einfacher aufgebaut sind als die Kerne der Xeon-Prozessoren. Darüber hinaus kann der Xeon Phi Prozessor eine bessere Leistung pro Rack-Einheit erzielen, da mehrere Co-Prozessoren in einem einzigen Rechenknoten verwendet werden können.

🇩🇪 Leistungsmerkmale

Beim Vergleich der beiden Architekturen zeigen Benchmark-Tests, dass der Xeon Phi Prozessor eine dreimal schnellere Leistung als zwei Intel Xeon CPUs der E5-Serie bietet und doppelt so schnell wie zwei Intel Ivy Bridge Prozessoren ist. Beide Architekturen können Anwendungen aus demselben Quellcode ausführen, unabhängig von der Programmiersprache. Sowohl der Xeon als auch der Xeon Phi Prozessor unterstützen C++, parallele Frameworks wie OpenMP und MPI.

Der Xeon Prozessor bietet direkten Zugriff auf bis zu 768 Gigabyte Hauptspeicher pro Sockel, während der Xeon Phi Prozessor über 6, 8 oder 16 Gigabyte gecachten GDDR5-Speicher verfügt und keinen direkten Zugriff auf den Hauptspeicher hat. Beide Prozessoren unterstützen Vektoroperationen, wobei der Xeon Prozessor Vektorinstruktionen mit einer Breite von 8 in Single Precision und der Xeon Phi Prozessor Vektorinstruktionen mit einer Breite von 16 unterstützt.

🇩🇪 Fallstudie: Partikelsimulation

Um die Leistungsfähigkeit der Intel Xeon Phi Prozessoren zu verdeutlichen, möchten wir Ihnen eine Fallstudie vorstellen, bei der eine Partikelsimulation auf beiden Architekturen ausgeführt wurde. Dabei wurde derselbe C-Code auf den beiden Architekturen benchmarkt, wobei die Simulation sogar auf mehreren Xeon Phi Co-Prozessoren skaliert wurde.

In der Implementierung haben wir eine Partikelsimulation mit 40.000 Teilchen entwickelt, bei der die Teilchen miteinander wechselwirken. Die Komplexität des Algorithmus beträgt O(N^2). Bei der Durchführung des Benchmarks auf zwei Intel Xeon CPUs erreichten wir eine Leistung von etwa 6 Schritten pro Sekunde.

Anschließend haben wir denselben performanzkritischen Code auf einem Xeon Phi Co-Prozessor ausgeführt, wobei wir das explizite Offload-Programmiermodell verwendet haben. Im Vergleich zu den Xeon CPUs konnten wir eine Vervierfachung der Leistung beobachten. Die Koordinaten und Geschwindigkeiten der Teilchen wurden bei jeder Iteration synchronisiert.

In einem weiteren Durchlauf der Simulation wurde der Code auf zwei Intel Xeon Phi Prozessoren ausgeführt, wobei die Teilchen in zwei Gruppen aufgeteilt und synchron von den Prozessoren bearbeitet wurden. Dabei erfolgte ein vollständiges Update des Systems bei jedem Schritt. Hierbei konnten wir eine nahezu doppelte Leistungssteigerung und eine beinahe lineare Skalierung beobachten, was einer Leistung von etwa sieben und einer halben Xeon CPUs entspricht.

Die Haupterkenntnis dieser Fallstudie ist, dass mit geeigneten Optimierungen eine signifikante Leistungsverbesserung durch den Einsatz von Intel Xeon Phi Co-Prozessoren mit einer einzigen Code-Basis erzielt werden kann.

🇩🇪 Zusammenfassung und Ausblick

In diesem Video haben wir Ihnen die Intel Xeon Phi Prozessoren vorgestellt, die auf der Intel MIC Architektur basieren. Wir haben die Hardware-Implementierung und die Leistungsmerkmale dieser Prozessoren erläutert. Zusätzlich haben wir die Gemeinsamkeiten mit den Xeon-Prozessoren hervorgehoben und eine Fallstudie zur Partikelsimulation präsentiert.

Im nächsten Abschnitt werden wir detailliert auf die Intel MIC Architektur aus der Perspektive eines Programmierers eingehen, gefolgt von einem Überblick über Vektorinstruktionen. Wir hoffen, Sie auch in der nächsten Episode begrüßen zu dürfen.

🇩🇪 Verfügbarkeit von Intel Xeon Phi Prozessoren

Die Intel Xeon Phi Prozessoren sind in verschiedenen Modellen und Leistungsvarianten erhältlich. Die 3000er-Serie bietet beispielsweise 57 Kerne und 6 Gigabyte RAM. Die 5000er-Serie verfügt über 60 Kerne und 8 Gigabyte RAM bei einer thermischen Verlustleistung von 225 Watt. Die 7000er-Serie bietet 61 Kerne und 16 Gigabyte RAM mit einer theoretischen Spitzenleistung von 1,2 Teraflops pro Sekunde in Double Precision.

Die Bezeichnung der Xeon Phi Modelle enthält auch Angaben zur Generation des Co-Prozessors sowie zur Art der Kühlung. Aktuell ist nur die erste Generation (Knights Corner) verfügbar. Passive Kühlung (gekennzeichnet durch den Buchstaben "P") wird nur für Server verwendet, während aktive Kühlung (gekennzeichnet durch den Buchstaben "A") in Workstations zum Einsatz kommt.

Beispiele für Systemkonfigurationen mit Intel Xeon Phi Prozessoren, die von Colfax International entwickelt wurden, sind auf der Website xeonphi.com erhältlich. Workstations können mit einem oder mehreren aktiv gekühlten Xeon Phi Co-Prozessoren ausgestattet werden, während Server mit passiv gekühlten Prozessoren ausgestattet sind. Systeme mit bis zu 8 Prozessoren sind verfügbar.

FAQ:

Frage: Welche Programmiersprachen werden von den Intel Xeon Phi Prozessoren unterstützt? Antwort: Die Intel Xeon Phi Prozessoren unterstützen C++, parallele Frameworks wie OpenMP und MPI.

Frage: Wie wird der Speicherzugriff beim Xeon Phi Prozessor gehandhabt? Antwort: Der Xeon Prozessor hat direkten Zugriff auf einen großen Hauptspeicher von bis zu 768 Gigabyte pro Sockel. Der Xeon Phi Prozessor verfügt über gecachten GDDR5 Speicher von 6, 8 oder 16 Gigabyte, hat aber keinen direkten Zugriff auf den Hauptspeicher.

Frage: Wie unterscheiden sich die Leistungsmerkmale der verschiedenen Modelle der Intel Xeon Phi Prozessoren? Antwort: Die Modelle der Intel Xeon Phi Prozessoren unterscheiden sich in der Anzahl der Kerne, der RAM-Kapazität und der theoretischen Spitzenleistung. Die 3000er-Serie hat 57 Kerne und 6 Gigabyte RAM. Die 5000er-Serie hat 60 Kerne, 8 Gigabyte RAM und eine thermische Verlustleistung von 225 Watt. Die 7000er-Serie hat 61 Kerne, 16 Gigabyte RAM und eine theoretische Spitzenleistung von 1,2 Teraflops pro Sekunde in Double Precision.

Frage: Wird die Leistung bei der Skalierung über mehrere Xeon Phi Co-Prozessoren linear gesteigert? Antwort: Ja, in der Fallstudie zur Partikelsimulation wurde festgestellt, dass die Leistung nahezu linear skaliert, wenn mehrere Intel Xeon Phi Prozessoren verwendet werden. Es konnte eine fast doppelte Leistungssteigerung im Vergleich zur Verwendung von zwei Xeon CPUs erreicht werden.

Frage: Wo kann ich Systeme mit Intel Xeon Phi Prozessoren erwerben? Antwort: Systemkonfigurationen mit Intel Xeon Phi Prozessoren können über die Website xeonphi.com von Colfax International erworben werden. Workstations können mit aktiv gekühlten Co-Prozessoren ausgestattet werden, während Server passiv gekühlte Prozessoren nutzen. Es sind auch Systeme mit bis zu 8 Prozessoren verfügbar.