Evaluación del rendimiento de procesadores Intel Nehalem. Modelos x7550, x5670 y x5570

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1 Evaluación del rendimiento de procesadores Intel Nehalem. Modelos x7550, x5670 y x5570 Juan Carlos Fernández Rodríguez. Área de HPC. Centro Informático Científico de Andalucía (CICA) Junta de Andalucía Av. Reina Mercedes s/n Sevilla Mayo 2010

2 1. INTRODUCCIÓN. Este documento presenta los resultados de la evaluación del rendimiento para tareas de HPC (tareas fuertemente paralelas) de las nuevas familias de procesadores INTEL: Nehalem (familia Xeon X55xx), Westmere (familia Xeon X56xx) y Nehalem EX (familia Xeon X75xx). Dicha evaluación se ha realizado en el CICA (Centro Informático Científico de Andalucía Junta de Andalucía) sobre dos máquina cedidas al efecto por INTEL (con procesadores 7550 y 5670) y otro cedida por la empresa extremeña Infostock con procesadores INTEL Para determinar las prestaciones ofrecidas por los procesadores se ha ejecutado la suite Hpcc. 2. DESCRIPCIÓN DE LAS MÁQUINAS Para las pruebas se usaron 3 máquinas equipadas con procesadores Nehalem de diferentes modelos. A continuación detallamos las características físicas de las máquinas: 1.Nehalem32: 4 procesadores Intel Xeon ,00 Ghz. Total 32 cores. 64 GB DDR Mhz 2.Nehalem12: 2 procesadores Intel Xeon ,93GHz. Total 12 cores. 6 GB DDR MHz 3.Nehalem8: 2 procesadores Intel Xeon ,93GHz. Total 8 cores. 12 GB DDR Mhz. Características software: S.O. Centos 5.4. Compiladores intel. HPCC OpenMPI Librerías MKL 10,1. 3. DESCRIPCIÓN Y RESULTADOS DE HPCC La suite HPC Challenge (HPCC) consta de un conjunto de benchmarks que evalúan el rendimiento de diferentes aspectos de una máquina desde el punto de vista de su adecuación para tareas de HPC fuertemente paralelas. A continuación se describen las operaciones correspondientes a cada batería de pruebas: PTRANS: Realiza la traspuesta de una matriz aplicando paralelismo de grano fino. Debido a que este benchmark requiere de la comunicación entre pares de procesos es interesante para medir la capacidad de la interconexión de la red. Se mide en Gflops. HPL: High Performance Linpack. Mide las operaciones en punto flotante capaz de realizar el sistema probado resolviendo un sistema lineal de ecuaciones. Este Benchmark es usado por Top500.org para realizar la clasificación. Se mide en Gflops.

3 DGEMM: Multiplicación de matrices de doble precisión. El algoritmo usado está diseñado para minimizar el número de accesos de memoria, logrando un alto grado de reutilización de los datos, siendo el valor obtenido muy utilizado como el valor máximo teórico de operaciones en aritmética de punto flotante por core. Tiene dos versiones, una multicore (StarDGEMM) y otra de un solo core (SingleDGEMM), pero debido a que la comunicación entre los procesos es mínima los resultados son muy similares. Se mide en Gflops. STREAM: Mide ancho de banda sostenido en el acceso a memoria mediante la realización de operaciones de punto flotante sobre vectores. Hay dos versiones de este test, SingleSTREAM, mide el ancho de banda máximo usado por un solo proceso haciendo uso exclusivo de memoria, y StarSTREAM que realiza la misma prueba pero en paralelo con todos los cores. Se trata de un benchmark sintético que realiza las cuatro siguientes pruebas: Copy: a(i) = b(i) Scale: a(i) = q*b(i) Add: a(i) = b(i) + c(i) Triad: a(i) = b(i) + q*c(i) El valor System STREAM deriva de multiplicar el número de cores por el StarSTREAM para obtener el ancho de banda total del que es capaz el sistema. MPIFFT y StarFFT: Ambas pruebas resuelven transformadas de Fourier con aritmética flotante en doble precisión. Se diferencian en el grado de paralelismo que emplean: MPIFFT emplea diferentes cores y MPI para distribuir la resolución de un solo problema, mientras que StarFFT resuelve diferentes problemas a la vez usando varios cores de forma paralela aunque no distribuida. El objetivo de este test es evaluar la eficiencia del procesador. Se mide en Gflops. Ancho de banda/latencia MPI: Evalúa la latencia y el ancho de banda de la red de interconexión. La latencia se mide en microsegundos (mejor valores bajos) y el ancho de banda en GB/s (mejor valores mayores). Mostramos a continuación los resultados de la ejecución de HPCC Nº Cores: 32 Intel Xeon ,00GHz 3,84 HPL (Gflops) 221,37 SingleSTREAM (GB/s) 7,49 7,63 0,92 0,92 1,04 1,05 5,18 5,1 5,08 4,98 33,6 System STREAM Triad (GB/s) MPIFFT (Gflops) 8,97 0,52 0, , ,00137 MPI BANDWIDTH (MB/s) 3871, , ,75

4 Nº Cores: Nº Cores: 12 Intel Xeon ,93GHz 2,14 HPL (Gflops) 115,29 SingleSTREAM (GB/s) 10,66 11,02 1,86 1,86 2,1 2,1 9,02 8,95 9,64 9,6 25,2 System STREAM Triad (GB/s) MPIFFT (Gflops) 4,42 1,09 0, , ,00080 MPI BANDWIDTH (MB/s) 4634, , ,29 8 Intel Xeon ,93 Ghz 2,03 HPL (Gflops) 83,28 SingleSTREAM (GB/s) 11,18 11,27 2,9 2,92 3,2 3,37 8,25 8,15 8,63 8,42 26,96 System STREAM Triad (GB/s) MPIFFT (Gflops) 4,71 1,35 0, , ,00075 MPI BANDWIDTH (MB/s) 5064, , ,54 Podemos observar que los resultados de DGEMM son inferiores en el modelo 7550, esto es debido a la menor velocidad de los cores de este modelo, siendo compensada esta pérdida de prestaciones por core por el aumento del número de estos por CPU. En relación a los modelos 5570 y 5670 observamos prestaciones similares, por lo que podemos decir que el aumento del número de cores por CPU no plantea inconvenientes, manteniéndose las prestaciones por core y aumentando la capacidad de cálculo teórica del procesador en casi un 50%. Respecto a los valores obtenidos para STREAM en primer lugar hemos de tener en cuenta que la frecuencia de la RAM del equipo con el procesador 5570 es de 1333 Mhz, a diferencia de los otros equipos que es de 1067 Mhz. Podemos observar que pese a ello el System STREAM Triad es similar entre los modelos 5570 y 5670, lo cual nos indica que este último modelo debe de conseguir mejores anchos de banda si se usasen el mismo tipo de RAM. En el modelo 7550 sin embargo observamos una mejora en este aspecto (mayor throughput global del servidor), pero en contra se aprecia que el valor StarSTREAM se reduce considerablemente, lo cual no necesariamente ha de suponer un cuello de botella mayor que en los otros modelos, puesto que cada proceso requerirá menos ancho de banda al ejecutarse en cores con menor capacidad de cálculo.

5 Pese al mayor System STREAM en el modelo 7550, hemos de tener en cuenta que este máximo no siempre será alcanzado, ya que esto depende del número total de procesos haciendo uso de la memoria y, si la paralelización no es muy alta, se obtendrá mayor ancho de banda en los otros modelos. Para ilustrarlo supongamos que se ejecutan 4 procesos haciendo uso intensivo de memoria, en la máquina con el modelo 7550 el ancho de banda máximo usado será de 19,6 GB/s, 4 procesos cada uno accediendo a memoria a 4,9 GB/s que es el máximo a lo que estos pueden acceder según nos indica el parámetro SingleSTREAM, quedando en desuso 14 GB/s. Sin embargo, en los otros modelos consumimos todo el ancho de banda debido a que cada proceso puede acceder a memoria con más velocidad, por ej. en el modelo 5750 tenemos un ancho de banda de 26,96GB/s repartido entre los 4 procesos obtenemos que cada uno puede acceder a memoria a 6,74GB/s. En los resultados del test MPIFFT lo más interesante es que se observa una pequeña pérdida de prestaciones del modelo 5670 respecto al 5570, siendo esto debido a la naturaleza del test que paraleliza en un número de procesos potencia de 2, al disponer el primero de los procesadores de 12 cores usa tan solo 8 de estos, que teniendo en cuenta los valores observados para DGEMM el usar el mismo número de cores esto supone una pequeña pérdida de prestaciones. Observando la latencia de MPI y el ancho de banda hemos de tener en cuenta que la máquina con procesador x7550 posee 4 procesadores, mientras que las otras máquinas tienen solo 2 procesadores, y por tanto se produce más tráfico entre cores de distintos procesadores, lo que hace que se incremente la latencia y disminuya el ancho de banda. Finalmente, activamos el hyperthreading en la máquina de 12 cores comprobando que se produce una pérdida importante de prestaciones en varios de los aspectos como en la capacidad de cálculo total de la máquina, donde tenemos una pérdida de mas del 10%. Analizando un poco más en profundidad los resultados, podemos comprobar que el test StarDGEMM y SingleDGEMM, cuyas finalidades son la de aproximar al máximo teórico la potencia de cálculo, decrecen las prestaciones al 50%, lo cual nos vuelve a poner de manifiesto que el hyperthreading no nos aporta mayor capacidad de cálculo, pues nos permite tener el doble de procesadores a costa de que estos tengan la mitad potencia, a lo que debemos añadir la pérdida de prestaciones debido a la paralelización, lo que desemboca en una pérdida de prestaciones como se puede comprobar en los test. Nº Cores: 12 (No hyperthreading) 24 (hyperthreading) Modelo procesador Intel Xeon ,93GHz Intel Xeon ,93GHz 2,14 1,71 HPL (Gflops) 115,29 103,73 10,66 5,96 11,02 5,33 1,86 1,86 2,1 2,1 2,42 2,46 2,58 2,66 MPIFFT (Gflops) 4,42 0,2 1,09 0,57 0, , , , , ,00097 MPI BANDWIDTH (MB/s) 4634, , , , , ,36 Hyperthreading Independientemente de estos resultados, es cada aplicación concreta la que debe evaluarse frente a los distintos modelos de procesadores INTEL, quedando pendiente para el futuro inmediato recabar las experiencias que están teniendo los investigadores de las universidades andaluzas que usan recursos de computación HPC y que están probando sus aplicaciones con los distintos modelos: Gaussian, SIESTA, VASP y aplicaciones propias.

6 También queda pendiente hacer de nuevo la batería de pruebas de rendimiento con el servidor X7500 usando más o menos cores, quedando en reposo los cores no usados. Estos nuevos resultados se pondrán a disposición de los interesados en cuanto estén disponibles.

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