AMD rivoluziona i datacenter con i processori EPYC di seconda generazione

La storia dei processori EPYC: da Zen a Zen 2

Alla fine del mese di giugno 2017 AMD ha annunciato la prima generazione dei processori EPYC, soluzioni sviluppate per l'utilizzo nei datacenter e in sistemi server. Queste CPU erano basate sull'architettura Zen, la stessa implementata da AMD nella prima generazione di processori Ryzen che erano entrati in commercio alcuni mesi prima. Per AMD si è trattato di un ritorno nel mercato dei server e dei datacenter, molto redditizio per sua natura ma dal quale era di fatto scomparsa.

Le caratteristiche tecniche dell'architettura Zen e quelle specifiche dei processori EPYC ne avevano decretato un notevole interesse da parte del mercato. Merito di tutto questo era legato alle prestazioni ed efficienza molto interessanti a livello di core, con il plus di versioni dotate al proprio interno di un massimo di 32 core (e capaci di gestire sino a 64 threads in parallelo) con controller memoria DDR4 a 8 canali e controller PCI Express capace di gestire sino a 128 linee per ogni processore. Sulla carta, pertanto, le specifiche tecniche della prima generazione di processori EPYC erano tali da catturare l'attenzione del mercato e rendere EPYC una alternativa ai processori Intel Xeon in modo simile a quello che Ryzen era rispetto alle proposte Intel Core. In alcuni ambiti applicativi le CPU EPYC di prima generazione sono state capaci di offrire un rapporto tra prestazioni e costo più competitivo di quelle Intel Xeon, mentre in altri ambiti le caratteristiche delle CPU Intel hanno permesso di mantenere un margine di vantaggio sull'offeerta di AMD.

Il mercato dei produttori di sistemi server è notoriamente molto lento ai cambiamenti: al debutto di una nuova architettura l'interesse iniziale per la novità si trasforma in spinta commerciale solo dopo lungo tempo. L'inerzia è quindi ben più elevata rispetto a quanto si può sperimentare nel mercato consumer: per questo motivo che AMD ha continuato a lavorare negli ultimi due anni sia per collaborare al meglio con i produttori di server, sia per rendere la propria piattaforma EPYC una valida alternativa ai processori Intel non solo con l'offerta della prima generazione di processori ma anche guardando al futuro. Il debutto dei primi processori EPYC ha quindi rappresentato per AMD il passaggio fondamentale per costruire una propria nuova presenza nel mondo dei sistemi server, indispensabile per una crescita in termini di quota di mercato.

Da questo la scelta di non presentare, nel 2018, processori EPYC basati su architettura Zen+ così come avvenuto invece con i processori Ryzen della serie 2000. Arriviamo quindi all'annuncio odierno della seconda generazione di processori EPYC, basati su architettura Zen 2 che già abbiamo avuto modo di conoscere con i processori Ryzen 3000 ma che qui si abbina ad importati novità a livello di come i core sono combinati sul package del processore, in un design basato su chiplets.

Il cambiamento è radicale: con l'utilizzo dell'architettura Zen 2 e il passaggio alla tecnologia produttiva a 7 nanometri le CPU EPYC hanno permesso di fatto di raddoppiare le prestazioni. Il numero dei core è raddoppiato, arrivando ad un massimo di 64 nelle versioni top di gamma, con la positiva ricaduta dell'aumento dell'IPC nel passaggio dall'architettura Zen a quella Zen 2 che possiamo quantificare nel 15% a livello di singolo core. Non solo: le capacità prestazionali con calcoli in virgola mobile sono quadruplicate come picco massimo: un x2 è dato dal raddoppio dei core mentre un ulteriore raddoppio è stato ottenuto con la novità dell'architettura Zen 2 che vede implementato il supporto AVX 256 con un raddoppio del data path.

Tutto questo è reso possibile seguendo una dinamica speculare a quanto visto con i processori Ryzen: AMD mantiene la stessa infrastruttura a livello di socket, quello SP3, permettendo ai partner e ai clienti di aggiornare i sistemi già in commercio semplicemente aggiornando il bios e installando i nuovi processori. Contestualmente sono resi disponibili nuovi sistemi basati sulle nuove CPU EYPC, che ne sfruttano al meglio le caratteristiche tecniche come il supporto alla memoria DDR4-3200 e la compatibilità con le periferiche PCI Express Gen 4.0.

Nelle CPU EPYC di seconda generazione, basate su architettura Zen 2, troviamo le stesse caratteristiche tecniche implementate all'interno dei processori Ryzen 3000 per sistemi desktop. Ovviamente non mancano le peculiarità specifiche di questa piattaforma, che vanno dal superiore numero di core integrati all'interno di ogni processore al controller memoria DDR4 a 8 canali al controller PCI Express Gen 4.0 che offre supporto sino a 128 linee contemporaneamente.

L'architettura delle CPU EPYC

Cuore dei processori AMD EPYC è l'architettura basata su chiplets, con la quale un chip costruito con tecnologia produttiva a 14 nanometri dedicato alla circuiteria di I/O viene collegato sullo stesso package a vari die computazionali, ciascuno dei quali integra un massimo di 8 core. Questo approccio è comune a quanto adottato per le CPU Ryzen 3000, anch'esse basate su architettura Zen 2, ma in questo caso cambia il numero massimo di die CPU integrati: dai 2 delle soluzioni Ryzen 3000 si arriva come massimo a 8 con EPYC.

Le novità a livello di architettura implementate da AMD nel passaggio da Zen a Zen 2 hanno permesso di ottenere un incremento medio dell'IPC pari al 15%, a parità di frequenza di clock, con applicazioni single threaded. Passando ad ambiti di utilizzo di tipo multithreaded AMD indica un aumento dell'IPC, a parità di numero di core e di frequenza di clock, che tocca il 23% quale media.

ll nuovo design cambia anche il funzionamento Numa tra i processori, con passaggio da 3 differenti latenze a 2 sole con le nuove CPU, e una riduzione da 8 domain NUMA per socket a 2 domain. La latenza complessiva è leggermente superiore con il primo livello NUMA (da 90 a 104ns) ma si mantiene costante all'interno di ogni socket mentre con la prima generazione tendeva a variare da 90 a 141ns a seconda del tipo di core chiamato in causa.

A livello di NUMA2 la latenza delle nuove CPU è pari a 201ns, contro i 234ns delle prime generazioni di CPU EPYC:; la risultante è un calo della latenza del 19% e del 14% rispettivamente per i due livelli, con un mantenimento della latenza all'interno dei socket che replica in questo la dinamica che si verifica con un design di tipo monolitico. Il cambio di modalità di gestione NUMA implementato da AMD nella seconda generazione di CPU EPYC è una novità molto importante in quanto rende molto più costanti e prevedibili le prestazioni complessive con quelle applicazioni che sono fortemente dipendenti dal comportamento del controller memoria.

Le nuove CPU EPYC di seconda generazione abilitano collegamento Infinity Fabric da socket a socket sino a 18GT/s, cintro un dato di 10,7GT/s della prima generazione di questi processori. Tale caratteristica ha ricadute positive soprattutto in scenari dual socket, nei quali si ottiene una migliore scalabilità delle prestazioni all'aumentare del numero dei core.

Il controller memoria implementa supporto ufficiale alla memoria DDR4-3200, con un aumento della bandwidth complessiva in configurazione a due socket sino a 410GB/s contro i 340GB/s della precedente generazione di piattaforma EPYC. Il controller PCI Express è di tipo Gen 4.0, capace di gestire sino a 128 linee per ogni socket: permette di configurare sino ad un massimo di 8 periferiche PCIe 4.0 con 16 link ciascuna, oppure creare più configurazioni per periferiche con link x8, x4 oppure x1 a seconda delle necessità della piattaforma che viene configurata.

All'interno di ogni SoC è implementato l'AMD Secure Processor, un microcontroller ARM che gestisce direttamente dal chip la sicurezza delle transazioni interne alla CPU. In generale è stata dedicata grande attenzione alle problematiche legate alla sicurezza dei dati: sono implementate a livello hardware tutte le protezioni richieste per le ben note problematiche di sicurezza che hanno afflitto i processori x86 a partire da inizio 2018, con quelle Spectre e Meltdown in testa.

Le versioni di CPU EPYC in commercio

La gamma di processori EPYC di seconda generazione varia da un minimo di 8 sino ad un massimo di 64 core; alcune versioni, caratterizzate dalla lettera P nel nome di modello, sono compatibili unicamente con configurazioni a singolo socket mentre tutte le altre sono compatibili con sistemi a due socket.

AMD raggruppa le versioni di CPU EPYC in 4 distinte categorie:

• 8 core: EPYC 7262, EPYC 7252, EPYC 7252P (single socket)
• 12/16 core: EPYC 7302, EPYC 7282, EPYC 7272, EPYC 7302P (single socket)
• 24/32 core: EPYC 7542, EPYC 7502, EPYC 7452, EPYC 7402, EPYC 7352, EPYC 7502P (single socket), EPYC 7402P (single socket)
• 48/64 core: EPYC 7742, EPYC 7702, EPYC 7642, EPYC 7552, EPYC 7702P (single socket)

Le versioni top di gamma hanno TDP che arriva sino a 225 Watt partendo da un minimo di 125 Watt: molti modelli sono caratterizzati da un TDP che rimane entro i 180 Watt di TDP della prima generazione di CPU EPYC. Tutte le CPU implementano supporto multithreaded, implementando controller DDR4-3200 a 8 canali e controller PCI Express Gen 4.0 con un massimo di 128 linee.

Nel corso della presentazione ufficiale, avvenuta a San Francisco, AMD ha mostrato in funzione sistemi EPYC dei partner impegnati in differenti ambiti applicativi. I confronti prestazionali con i processori Intel Xeon non sono di certo mancati, incentrati in buona parte sulla contrapposizione tra sistemi EPYC 7742 a 64 core e proposte Intel Xeon Platinum 8280L con architettura Cascade Lake che rappresentano al momento attuale l'offerta di vertice dell'azienda americana in questo settore. La risultante, nei confronti presentati da AMD, è un margine di vantaggio che arriva anche al 100% in alcuni ambiti e che in generale vede le soluzioni AMD EPYC avantaggiarsi in modo netto su quelle concorrenti Intel.

enterprise

HPC

Cloud

Dobbiamo ricordare come la CPU Intel Xeon Platinum 8280L sia dotata di architettura a 28 core contro i 64 del modello EPYC 7742 di AMD, con la compensazione di una frequenza di clock che è più elevata nella proposta Intel. In questo scenario il confronto deve però essere incentrato sul consumo e sul costo d'acquisto: il TDP di Intel è di 205 Watt contro i 225 Watt della proposta AMD, mentre il costo vede un listino ufficiale di 10.009 dollari per la CPU Intel e di 6.950 dollari per quella AMD.

Proprio in questi giorni Intel ha annunciato la nuova famiglia di processori Xeon Platinum 9200 della famiglia Copper Lake, che debutteranno nel corso della prima metà del prossimo anno con versioni caratterizzate da un massimo di 56 core. Con queste CPU Intel offrirà quindi un raddoppio nel numero dei core integrati per socket; al momento attuale però l'azienda americana non ha ancora indicato versioni, frequenze di clock e livelli di TDP di questi processori. Queste CPU Intel andranno a posizionarsi proprio conto i processori EPYC ma questo avverrà solo nel 2020, anno nel quale ci si attende da AMD una prossima generazione di processori EPYC basati su architetura Zen 3.

Con il debutto dei processori EPYC di seconda generazione AMD si pone su un piano competitivo nuovo rispetto a quanto aveva già ottenuto con la prima generazione di queste CPU. I vantaggi dell'architettura Zen 2, l'elevato numero di core integrati e il posizionamento di prezzo rendono le proposte EPYC preferibili a quanto offerto da Intel con le soluzioni Xeon al momento attuale in commercio. Intel non resterà di certo a guardare ma almeno per il momento può rispondere solo con un riallineamento nei prezzi, in attesa che debuttino le proposte Copper Lake attese però alla metà del prossimo anno. Sarà interessante vedere sino a che punto AMD sarà in grado di guadagnare quote di mercato nel settore dei datacenter nel corso dei prossimi 12 mesi: l'obiettivo di arrivare in doppia cifra sul totale di mercato sembra essere quasi riduttivo alla luce delle capacità di queste nuove CPU.

Di certo AMD non ha intenzione di rallentare lo sviluppo tecnologico dei prossimi anni: non dovrebbe trascorrere più di 1 anno prima del debutto in commercio delle soluzioni EPYC basate su architettura Zen 3, indicate con il nome in codice di Milan, mentre a seguire troveremo Zen 4 con i processori indicati come Genoa. Quella EPYC è quindi una famiglia in continua evoluzione, che già nel passaggio da Zen a Zen 2 ha mostrato notevoli cambiamenti trasformando lo scenario competitivo nel settore dei datacenter.