22核心Xeon伺服器平臺來了！

針對資料中心的2路伺服器應用，英特爾今天（3月31日）正式推出v4系列的新一代Xeon E5-2600處理器（代號為Broadwell-EP），距離先前的v3系列（代號為Haswell-EP）首度發布，v4系列花了超過1年半的，比起前幾個系列之間的間隔，都要來得長久。

這次Xeon E5-2600 v4的推出，各種應用層面的效能提升，自然是重頭戲。跟v3相比，運算速度超越的幅度最高可達44％；在虛擬化應用環境當中，因為支援直接送入中斷請求（Posted Interrupts）的機制，延遲可降低到8倍之多；在網路互連的環境下，v4處理器搭配英特爾Omni-Path Architecture的網路Fabric架構，能夠比v3處理器平臺傳輸的訊息量高出24％。

對於儲存應用上，Xeon E5-2600 v4繼續強化了ISA-L程式庫（Intelligent Storage Acceleration Library）的性能。跟開始支援ISA-L的Xeon E5-2600 v3相比，效能提升了一些，但相較於不支援ISA-L的Xeon E5-2600 v2或是停用ISA-L的v4環境下，增長幅度更為明顯。例如針對密碼雜湊運算處理工作，像是SHA-256、SHA-512、MD5，啟用ISA-L的v4最高可提供8.2倍效能；對於資料保護的作業，像是RAID-5、RAID-6、Erasure Code，啟用ISA-L的v4效能是3.3倍。

擁有88個執行緒的2路伺服器

在英特爾最新發表的Xeon處理器當中，E5-2699 v4這款產品最高可提供22顆實體核心、44個執行緒，因此，若在2路伺服器搭配兩顆E5-2699 v4，理論上可獲得44顆核心、88個執行緒。而我們在英特爾舉辦的新品發表工作坊活動期間，看到他們在現場特別設置了一臺測試設備，裡面安裝Windows Server 2012 R2作業系統，我們不只親眼目睹搭配這顆處理器的2路伺服器，並且從工作管理員看到系統的確能支援88個執行緒。

採用14奈米製程，內建運算核心衝破20大關

這批處理器都導入Broadwell微架構，並使用了更為先進的14奈米製程（v3系列是22奈米），現有Xeon E5-2600 v3處理器所搭配的LGA 2011-v3插槽（或稱為Socket R3），新的v4系列處理器一樣相容，因此現有針對Xeon E5-2600 v3系列處理器所設計的伺服器，均能搭配。

除了設計製程，v4系列處理器在硬體規格與過去產品最為顯著的差異是，頂級的Xeon E5-2699 v4內含的實體核心，最大可達22顆，L3記憶體容量高達55 MB，若啟用超執行緒（Hyper-Threading）技術之後，可提供44個執行緒；若以搭配2顆2699 v4的伺服器組態而言，單臺設備就擁有44核88緒。

而在前代Xeon E5-2600 v3系列處理器當中，頂級的2699 v3最大可提供18顆實體核心、36個執行緒，L3記憶體容量為45 MB。新舊款Xeon E5-2699處理器的基礎頻率分別為2.2 GHz與2.3 GHz，有些出入，但熱設計功耗都是145瓦。

2路伺服器配1.5 TB記憶體不是夢！英特爾鬆手，Xeon E5正式支援更大量的記憶體

就搭配的系統記憶體規格而言，Xeon E5- 2600 v3和v4都是DDR4，但在支援的最高存取速度規格又更上一層樓，到達2400 MT/s（v3支援到2133 MT/s）。而對於DDR4記憶體規格的支援，Xeon E5- 2600 v3已經開始支援4通道的存取方式，而對於每條通道，可支援3支RDIMM或LRDIMM規格記憶體的配置，到了v4，又額外支援了3DS（three-dimensional stacking）LRDIMM規格的記憶體──它是近年來相當受到矚目的記憶體，相較於傳統的封裝堆疊方式，3DS LRDIMM不只提供更大的容量，能源使用效率與執行效能也較佳。

在記憶體的穩定度與可靠度確保機制上，Xeon E5- 2600 v3支援錯誤修正檢查（ECC）、巡查抹除（Patrol Scrubbing）、需求抹除（Demand Scrubbing），以及冗餘（Sparing）、鏡射（Mirroring）、連續同步模式（Lockstep Mode）、針對x4/x8記憶體的單一裝置資料修正（SDDC）。到了v4，英特爾增加針對DDR4記憶體寫入的循環冗餘校驗（CRC）容錯支援。

此外，對於新推出的v4系列處理器，英特爾終於正式放寬了2路伺服器搭配的記憶體容量，最大可達1.5TB。因為，若你使用的伺服器是v3以前的Xeon E5-2600系列處理器平臺，最大記憶體僅支援到768 GB。

有趣的是，許多廠商在先前推出的Xeon E5伺服器當中，有不少機型的記憶體規格上，已經標示最大容量可達到1TB或1.5TB，但是，相對地，在英特爾官方公布的規格裡面，始終沒有正式認可這件事。

不論過去如何，2路伺服器能搭配超過1TB的記憶體容量，終究成為定局。在更早之前，用戶必須購買支援Xeon E7系列處理器的伺服器，才能獲得如此巨大的記憶體延展性，而這類設備通常搭配的是4路或8路的處理器組態。

但現在居然在Xeon E5-2600系列處理器平臺上，利用較為平價的2路伺服器，就能支援TB等級的記憶體，對於想要大規模導入記憶體內運算（In-Memory Computing）應用的企業來說，將是一大福音，因為當企業能以價格相對低廉的2路伺服器，來支配超大量的記憶體資源使用，將可省下相當多費用。

針對虛擬化，新增直接置入中斷請求與記憶體分頁修改記錄

在Xeon處理器架構與功能推陳出新的過程中，強化伺服器虛擬化應用效能，一直是歷代伺服器平臺發展的重頭戲，最知名的研發成果，就是VT（Virtualization Technology）系列指令集。

到了Haswell微架構之後，該公司又加入了VMCS（Virtual Machine Control Shadowing），因此採用該架構的Xeon E5-2600 v3處理器平臺，對於巢狀虛擬化應用（nested virtualization，也就是在虛擬化環境當中，再建立一層虛擬化環境）更加得心應手。

因為，這麼一來，能將最外層／最底層（根）Hypervisor的權限控管，延伸到所模擬的裡層（Guest）Hypervisor上──在這裡所執行的應用程式，將會耗用最少的效能，不會嚴重影響到整體伺服器與其他虛擬機器的運作。該功能有助於雲端服務業者使用，因為IaaS租戶將因此能對本身所用的Hypervisor環境，獲得更大的主控權，而不需要業者介入協助。

而在下一代的Broadwell微架構當中，英特爾又加入新的虛擬化應用特色，例如：直接置入中斷請求（Posted Interrupts）、記憶體分頁修改記錄（Page Modification Logging，PML），以及虛擬機器進出延遲減緩（VM Enter/Exit latency Reduction）。這些新的加速機制，都在採用該架構的Xeon E5-2600 v4系列處理器開始提供。

直接置入中斷請求

以Posted Interrupts來說，是在Hypervisor存取虛擬機器時，若進入VM-exit狀態時，不需要每次都提出中斷處理請求，系統可將中斷處理視為已經寫入到記憶體上，只在必要時，才會對虛擬機器送出中斷處理。

不論是系統要指派裝置，或是在執行遷移虛擬處理器的作業，都可以更有效率地導引中斷請求。這種新的作法，還可以搭配Xeon E5-2600 v2之後，所新增的APIC虛擬化（Advanced Programmable Interrupt Controller Virtualization，APICv），改良虛擬環境下的中斷處理效能。

免除了VM-exit相關的中斷處理之後，成效有多大？根據英特爾本身的測試，對伺服器裡面執行的虛擬機器而言，平均的網路存取延遲可縮短8倍以上，而網路吞吐量最高可提升41％。

記憶體分頁修改記錄

Xeon E5-2600 v4與虛擬化應用相關的新特色當中，PML是針對兩臺虛擬化主機之間的自動容錯切換。在兩臺相互備援的伺服器虛擬環境下，處理器將會針對另一臺提供容錯機制的次要虛擬化主機（secondary host），定期進行快速檢查（Rapid Checkpointing），查核主要的虛擬化主機（primary host）的可靠度（Availability），以及網路連結（Link），確認狀態是否異常。一般而言，檢查點的資料將會傳送到備援的主機上，等到檢查點套用後，來自主站點的I/O作業就會停止，不會持續連線、佔用頻寬；一旦主要虛擬化主機發生故障，備援虛擬化主機就能透過這種方式回復、接手相關的工作。

比起純粹基於VM層級的容錯備援機制，現在能運用這種方式，將可減少許多不必要的負擔。就運作原理而言，Page Modification Logging的功能，主要是建立在Haswell架構新增的EPT A/D（Extended Paged Table Accessed/Dirty bits），透過硬體機制，提供記憶體區塊殘留位元資料（Dirty bits）的分頁記錄表，可加速虛擬化軟體執行切換這些工作負載的效率，甚至還可以提升虛擬機器的線上不停機遷移（Live Migration）效率，連帶受惠。

虛擬機器進出延遲減緩

Xeon E5-2600 v4新增的第三個虛擬化特色，則是VM enter/exit Latency Reduction，主要效果是減少VM存取狀態改變時所引發的額外負擔。

這項機制是從Haswell架構就開始發展，當虛擬機器在切換為VM-enter或VM-exit時，延遲大約需要5百個週期，而到了Broadwell架構，可減少至400個週期，因此採用該架構的Xeon E5-2600 v4的VM存取延遲，也跟著降低。

提升多種運算指令集的執行效能，強化安全性處理能力

針對安全性應用的強化，也是這次Xeon E5-2600 v4發布的重點特色。根據英特爾內部進行的測試結果，相較於v3，這一代的Xeon處理器平臺在進行金鑰加密演算法時，每核心效能的提升幅度可達到70％。

這部分的改進，主要是因為英特爾在Broadwell微架構下，新增了ADCX/ADOX的指令集，並且降低ADC、SBB、PCLMULQDQ等指令集的執行延遲度，進而能夠針對現行基於RSA、ECC、SHA等演算法的各種安全通訊初始協定，提供加速處理的效果。

以ADCX和ADOX指令集為例，主要針對的是大型整數運算，可用於公鑰的加密處理，它們是基於ADC指令集而演變出來的作法，差異在於搭配不同的旗標行為（flag behavior）——ADCX運用Carry旗標，而ADOX是運用Overflow旗標，當中也運用了在Mathmatica 這類應用軟體支援的GNU多重精度程式庫（multiprecision library），以及常見的RSA公鑰加密處理技術。

而對於ADC、SBB、PCLMULQDQ的加速處理，Xeon E5-2600 v4改善的部分是針對演算法的延遲性，而且，執行相關運算的程式碼不需重新編寫。此外，處理器執行ADC/SBB指令集時，將能在單一運算週期內完成工作；至於PCLMULQDQ的運算，也將從7個週期減至5個週期。

除了這些與演算法相關的安全性特色，Xeon E5-2600 v4也針對系統執行的架構增加了保護機制，稱為管理者模式的存取防護（Supervisor Mode Access Protection，SMAP），這是一種透過處理器的機制，來保護使用者模式下的記憶體位址空間存取。

英特爾早在Xeon E5-2600 v2時期，就提供了OS Guard（Supervisor Mode Execution Prevention，SMEP）防護技術，而SMAP也是很相似的技術，但防護面向不同。

兩者的差別在於：SMEP預防的目標，主要是透過使用者記憶體分頁來執行管理者模式的行為；而SMAP所要抵擋的，則是特別針對另一種藉由管理者模式，到使用者記憶體分頁來存取資料的可疑行為。

最後，在伺服器虛擬化應用的安全防護上，Xeon E5-2600 v4也特別新增了一個名為#VE（Processor Virtualization exception）的功能。這項技術可強化伺服器平臺偵測潛藏惡意程式的能力，並且以處理器即時判斷的機制，預防零時差的應用程式漏洞攻擊，透過這種不需完全仰賴作業系統層級以上的記憶體深度檢測機制，英特爾希望能降低相關的防護負擔。

虛擬化效能增強是Xeon E5歷代發展重點

在系統的效能強化上，每一代Xeon E5-2600系列處理器都會增添一些針對伺服器虛擬化應用環境的特色，早期是發展與擴充VT系列指令集，到了最近則是聚焦在更細緻的底層資源管理，像是v2新增的APICv，v3加入的VMCS、EPT A/D，而最新推出的v4系列，則增添了Posted Interrupts、Page Modification Logging，以及VM enter/exit Latency Reduction等特色。

Posted Interrupts演進歷程

關於伺服器虛擬化環境的中斷處理作法，可分為3個時期：最早是基於Hypervisor（VMM）的軟體APICv，來進行所有的外部中斷處理，VM-exit也會經過VMM執行的軟體APICv，對於少量的VM-exit切換還可以應付。

接下來，從Xeon E5-2600 v2開始，是能夠搭配處理器內建的硬體式APICv機制，可因應少量的VM-exit切換，但外部中斷處理仍須經由VMM的軟體APICv來遞送。

在Xeon E5-2600 v4所支援的Posted Interrupts下，可透過軟體傳送或直接進行外部中斷處理，並同時搭配上述的處理器硬體APICv的作法，如此將能支援SR-IOV的網路介面應用，以及直接穿透虛擬層的Direct I/O周邊裝置指定。

專攻虛擬化主機備援容錯的PML架構

Xeon E5-2600 v4加入了Page Modification Logging（PML），可針對工作負載的層級，提供系統容錯能力，如此能為虛擬化的企業關鍵應用系統環境，提供高可靠度的保護機制。PML主要運用了Rapid Checkpointing的作法，對於VM層級容錯機制所產生的額外負擔，可望因此降低。

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