从CPU到GPU 8路互联都是终极目标

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8路互联架构作为目前开放架构下的最强体系，在x86的服务器和GPU领域都是顶尖的存在。CPU和GPU面对的是不同的工作负载，CPU面对的依然是通用计算，而8路CPU服务器更是直接面对高性能主机领域；而GPU则是随着AI热潮快 ...

服务器 架构 GPU 高性能 并行计算

8路互联架构作为目前开放架构下的最强体系，在x86的服务器和GPU领域都是顶尖的存在。CPU和GPU面对的是不同的工作负载，CPU面对的依然是通用计算，而8路CPU服务器更是直接面对高性能主机领域；而GPU则是随着AI热潮快速发展起来的大规模并行计算领域，通过海量算法模拟行为的计算。
有这么一个比喻：CPU是数学教授，可以进行复杂的公式计算；GPU是小学生，加减计算都很熟练；
一名教授算1000道加法题，需要一道一道的算；1000名小学生算1000道加法题，一人一道，瞬间完成。
当需要更多公式计算的复杂数学问题时，小学生就比不上教授了，而教授也不能像1000名小学生那样刷海量的题库。
这样的比喻对CPU和GPU的特点一目了然。
CPU奠定计算基础英特尔从2011年推出市场的XeonE7处理器平台开始，就引入了3条总线（QPI）架构，奠定了今天多路服务器的基础，目前市售的4路和8路的x86高性能服务器产品都属于此架构框架。这样的架构随着处理器一代代的发展，虽然计算性能一直在增长，但是并没有改变3条QPI的设计架构，直到的XeonSP（可扩展至强家族）诞生后，QPI（Quick Path Interconnect快速通道互联）变成了UPI（Ultra Path Interconnect，超级通道互连)，但是3条总线的设计依然如故。
上图是Skylake处理器的典型架构。旗舰型号Xeon 8180 28核56线程，主频2.5GHz，TDP 205W
新一代的Xeon SP的4路和8路服务器脱胎于同一套架构。铂金版的Xeon SP处理器都有3条UPI通道（每条UPI 10.4GT/s，3条总带宽124.8GB/s总带宽），在4路架构上可以实现四颗处理器交叉互联，形成一个高效的MESH架构，在处理器性能和并行能力上达到了一个最优化的选择；
而8路服务器显然不能再用MESH架构了，毕竟一颗处理器上只有3根UPI通道，8颗处理器的优化连接方式如图所示，英特尔将这样的8路架构称为RING，即环形架构，每4颗处理器组成一个环型总线，两组环形总线间使用4条UPI通道交叉互联，这样能在8颗处理器时，提供最优化的交叉互联架构。
目前已经上市的8路Skylake处理器的典型产品是联想 SR950服务器。它同时具有4路MESH架构和8路RING架构两组配置。SR950最神奇的地方是无论4路OR 8路配置，外形都是一样的4U机架式外观，只是计算密度和扩展能力不同，用户可以根据业务类型选择最适合自己的SR950服务器。
注：UPI带宽是双向的，也就是说10.4GT/s*（8byte/2）=41.6GB/s，那么两条就是83.2GB/s。三条就是124.8GB/s。而且UPI和PCIe不同，具有更低的延时，因此虽然16X的PCIe3.0能有15.8GB/s的带宽，但是延时和转换的效率显然不能与UPI相比。 
这么珍贵的UPI总线，英特尔4路以上的服务器上都不够用，自然不会开放给第三方，其他的设备就只能在PCIe总线上想办法了，一颗处理器给你提供48条PCIe 3.0，怎么组合使用就看服务器厂商的设计了。
GPU另辟坦途早期的GPU就是PCIe接口的显卡。一条16X的PCIe 3.0只有15.8GB/s的带宽，GPU间需要更高带宽来进行互联并行计算，如果只是基于PCIe总线，那么GPU的并行计算的带宽和延时上都会受到限制。
2011年时，nVidia引入了CUDA UVA（Unified Virtual Addressing）技术，允许多个GPU节点之间在一定程度上共享彼此的显存，同时允许GPU直接访问并利用系统内存（题外话：实际上单节点本地内存不足的现象在大规模并行计算中相当常见，而且已经成了困扰并行化进程的一大瓶颈，亦即“存储墙”）。
第一代的GPU并行计算是通过PCIe16X总线来实现的。当某个GPU节点在应用中出现本地显存容量不足时，可以通过PCIe总线使用其他GPU的显存。显而易见，GPU单一节点能够获得的有效带宽只能是PCIe 16X的带宽。
翻越存储墙并不是催生NVlink的全部理由，GPU走入高性能、通用计算、AI领域的诱人前景也是NVlink诞生的重要诱因。
NVlink是一个GPU间互联的高速通道，具有20GB/s的单向带宽，40GB/s的双向带宽――敲黑板，注意了――第一代NVlink架构的GPU上有4条NVlink总线，每颗GPU可以直接和另外4颗GPU链接，是互联效率较高的CUBEMesh架构。
一代GPU V100的NVlink（300GB/s，两倍于上一代）总线达到了6条，无限接近了8块GPU相互直接的状态，从连接跳数来看，与4条NVlink的CUBE MESH相似，但是两个交叉互联的4路GPU间的互联带宽增加了一倍，更适合GPU大规模并行计算应用。

nVidia V100 GPU，NVlink版，640个Tensor内核，5120个CUDA内核，16GB内存，TDP 300W
x86家族的4路8路服务器从x86挑起通用服务器的大梁开始，4路服务器基本都使用英特尔CPU（AMD在Opteron时代有过一些4路服务器，因为中间有较长时间的断档，这里不再累述），如何在x86的平台上搭出更强的单一计算平台，唯有看英特尔的官方技术了。
其实很简单，为了区分高端平台，英特尔只在Xeon E7架构上支持了3通道的QPI（新的Xeon SP升级为UPI）。从某种角度讲，Xeon E7和XeonE5的较大区别就是QPI总线数量。Xeon E7家族是3根QPI，可以实现4路/8路的x86服务器平台，而Xeon E5家族只有两条QPI，基本限定在2路（最多4路RING）服务器。
上图是企事录为Xeon SP发布做的架构解析图，入门级的黄金/白银家族的Xeon SP处理器只支持2根UPI；黄金61xx和白金版81xx处理器才有3条UPI（英特尔官方8路计算平台只有白金版才能支持）
从图中第二个架构可以看出，二条UPI的处理器只能搭建4路RING环形架构服务器（处理器非一对一互联，存在多跳几率，典型的如51XX系列，相对应的是早期的Xeon E5-46XX家族），而三条UPI的处理器就能组件高效的4路Mesh架构服务器（处理器间一对一，效率较高，61XX和81XX均可，相对应的是早期的XeonE7 家族）。
对于较高级的8路服务器平台，只有支持三条UPI的处理器才能搭建出高效的计算环境，这套架构偏向RING体系。如果用只有两条UPI的处理器搭建8路服务器将会形成一个巨大的环状结构，无实用价值，和服务器间的Scale-out架构也没什么不同了。
在英特尔的Skylake家族中，顶配的白金版Xeon 8180提供28核56线程的计算核心，三条UPI总线，6通道DDR4-2666内存。
那么4路Mesh架构服务器就可以提供224线程，24通道内存的服务器平台，已经可以覆盖绝大多数用户对计算性能和内存容量的需求了。
可惜计算和内存容量永远都不能满足所有的用户，这也是8路服务器存在并持续发展的一个重要原因。在8路架构下，用户可以获得最多448线程，48通道内存的服务器平台（单处理器较高支持1.5TB内存，8路可支持较大12TB内存）。8路服务器典型应用就是关键业务虚拟化和内存型数据库。
多路的瓶颈多路处理器的服务器一方面是需求更高的计算性能，因此通过QPI/UPI总线互联，可以提供给用户更多的计算核心。
从第一代Xeon到今天的Skylake，单处理器的计算性能有了近3倍的提升
但是，在Xeon SP之前的四代处理器都只提供4通道/单CPU的内存设计，随着计算核心密度的提升，内存带宽容易出现瓶颈，和前文中高性能HPC领域中的“内存墙”问题非常相似。所以这一代Xeon SP处理器的6通道内存是非常重大的技术升级，相比上一代Xeon E7 v4的4通道内存，内存综合性能提升了115%。这样巨大的提升也让8路服务器在x86计算领域有了更强大的性能。
以下公式源于英特尔官方网站：英特尔Xeon理论内存带宽峰值可通过下列公式进行计算：理论峰值 (GB/s) [每插座] = (MT/s) * 8 字节/时钟* <通道数量> / 10002016年的X86旗舰处理器Xeon E7-8890 V4，具有4通道内存，较高支持DDR4-1866规格，其理论内存带宽为：
1866*8*4*8/1000=59.7*8=477.7GB/s
2017年的X86旗舰处理器为Xeon 8180，具有6通道内存，较高支持DDR4-2666规格，其理论内存带宽为：
2666*8*6*8/1000=128*8=1024GB/s。 
8路服务器标杆企业用户需要更多的计算核心/内存容量时，8路服务器就具有天然的优势，的Skylake铂金版处理器Xeon 8180具有28核56线程的计算能力，当用户需要200个计算核心时，4路服务器就够了，配合价格合理的32GB内存，可以提供单机224核（线程），1.5TB内存的强性能主机；但是用户如果需要400个计算核心时，就必须使用8路的服务器了，在配置Xeon 8180处理器后，可以为用户提供448核（线程），3TB内存的高端服务器，这对于内存型数据库、关键业务虚拟化等企业业务有更好的支持。
这是企事录测试的联想SR950 8路服务器的一块系统板实拍照片，4路型号有2块系统板，8路型号有4块系统板。每块系统板上有2颗CPU，24条DIMM插槽，支持6通道DDR4-2666内存（每通道两条，全频设计。上一代E7家族虽然支持每通道3条，但是以降低内存工作频率来实现的）。联想SR950是目前市售的4路/8路服务器在内存容量/密度/性能等方面都具有领先地位的产品
目前Skylake处理器支持的DDR4-2666LRDIMM内存常用规格是16GB和32GB两种，市场价格约1500元和3000元，基本线性增长。但是64GB（10000）元和128GB（26500元）LRDIMM价格就开始翻倍增长，性价比上非常不合算。企事录测试的联想SR950 8路服务器配置了96条32GBDDR4-2666内存，共3TB内存，是目前追求大容量内存配置中，性价比较高的选择。
支持更多的PCIe 设备是新一代服务器的重要特点，联想SR950支持13条16X PCIe（8路型号），对新一代的高性能扩展设备可以提供全面的支持。
典型的新时代高性能扩展设备
只有全面支持高性能的PCIe接口才能满足未来用户在存储、网络等环节的高性能需求。相比某些服务器提供更多数量的PCIe 8X插槽，联想SR950的外部扩展能力可谓良心设计。
关公VS秦雄其实CPU和GPU在台式机领域可能还是并肩作战的战友，但是在服务器端，使用GPU的服务器显然是看不上CPU的，即便GPU还要基于x86平台承载，NVlink就是为了甩开CPU的桎梏，AI、大数据分析等GPU擅长的领域暂时没有CPU太多机会；而4路和8路服务器这样单一高性能主机领域，CPU也捍卫了关键业务的领地，没有谁能夺走CPU在这个市场上的份额。
让适合的设备做适合的事儿，8路CPU大战8路GPU，就像关公战秦雄，不一样的世界，各自为战较好。

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