AMD Shanghai vs. Intel Nehalem

Samuli Kotilainen • Mittaukset: Tero Mäkikangas • Kuvat: Mikko Hannula

AMD Shanghai vs. Intel Nehalem
Titaanien taistelu

AMD on pitkään pitänyt sirujätti Inteliä pilkkanaan palvelinprosessoreissa. Intelin vastaisku on tuima. Huipputehokas Nehalem on Intelin tärkein palvelinsiru 14 vuoteen.

Nykyisten pc-palvelimien vallankumous alkoi toden teolla vuonna 1995. Intel julkisti Pentium Pro -sirun, joka oli ensimmäinen palvelimia varten suunniteltu pc-prosessori. Sen seuraajat ovat syrjäyttäneet perinteiset palvelintekniikat ja täyttäneet maailman edullisilla Windows- ja Linux-palvelinkoneilla. Nykyisin 80 prosenttia palvelimista perustuu Intelin ja AMD:n pc-tekniikkaan, ja koneita myydään yli kahdeksan miljoonaa vuodessa.

Tänä keväänä tapahtui Intelin mukaan Pentium Prohon verrattava mullistus: Uuteen Nehalem-arkkitehtuuriin perustuva Intel Xeon 5500 -prosessori on tärkein uudistus 14 vuoteen. Se nostaa suorituskykyä enemmän kuin yksikään prosessori aiemmin, parhaimmillaan jopa 2,5-kertaisesti. Mutta onko tällä mitään merkitystä?

Palvelinprosessori on internetin moottori

Palvelinsiruilla on väliä. Kysy vaikka Googlelta, joka tarvitsee joidenkin arvioiden mukaan yli miljoona palvelinta. Kun arkiset toimet siirtyvät sähköisiksi internetpalveluiksi, niiden pyörittämiseen tarvitaan massiivisia määriä palvelinkoneita. Konetehon tarve on niin kova, että palvelimia voi ostaa jopa konteittain. Tavallisetkin yritykset hankkivat palvelimia kymmenillä tai sadoilla tuhansille euroilla – sähkölasku ja ylläpito vähintään kaksinkertaistavat kustannukset.

Jos palvelinprosessorin suorituskyky nousee kaksinkertaiseksi, saattaa konetarve puoliintua. Säästöt voivat olla valtavia. Ei ihme, että yritykset miettivät tarkkaan, millä suorittimella varustettuja palvelimia ostetaan.

Viime vuosina etulyöntiasema on varsin yllättäen ollut haastaja AMD:llä ja sen Opteron-prosessoreilla. Viime keväänä yhtiö esitteli Barcelona-mallit ja loppuvuonna uudet Shanghai-sirut. Nämä ovat olleet Inteliä tehokkaampia varsinkin virtualisoinnissa ja tieteellisessä laskennassa.

Intelin kevään vastaus on kuitenkin armoton. Intel Xeon -palvelinprosesorit uudistettiin Nehalem-arkkitehtuurin mukaisiksi. Nehalem korjaa oikeastaan kaikki Intelin tekniset heikkoudet ja parantaa AMD:n kehittämiä tekniikoita. Lopputuloksena on melkoinen tehoylivoima. Uudet prosessorit nostavat esille tosin myös uudenlaisen ongelman.

Jakomielitauti uhkaa sovelluksia

AMD:n ja Intelin uutuuksissa yhdellä piipalalla on neljä prosessoriydintä. Intel käyttää lisäksi hyperthreading-tekniikkaa, jossa jokainen ydin voi ajaa kahta ohjelmasäiettä yhtä aikaa. Tietokoneen näkökulmasta yksi suoritin näyttääkin kahdeksalta prosessorilta. Tavallisessa kahden prosessorin palvelimessa ytimiä on jo 16.
Ongelma on siinä, että sovellusohjelmat eivät useinkaan osaa haaroittaa suoritettavaa tehtävää näin moneen osaan. Ja vaikka ohjelma osaisikin jakaa suorituksen 16 haaraan, suuri osa tehosta voi hukkua tehtävien koordinoimiseen.

Ilmiö näkyi testeissä selvästi. Palvelintehtävissä pystyttiin yleensä ajamaan täydellä teholla 4–8 ydintä, ja loput kävivät vajaateholla tai kokonaan tyhjäkäynnillä. Jotkin testiohjelmat pystyvät käyttämään kaikkia 16 säiettä, mutta tulokset voivat olla erikoisia. Esimerkiksi Cinebench-testi kuormitti prosessorin aivan täysin, mutta tavallinen pc-kone yhdellä Intel Core i7 -prosessorilla pystyi parempaan tulokseen kuin kahden Xeon-prosessorin huipputehokas palvelin.

Tilanne ei tule helpottumaan. Loppuvuodeksi Intel suunnittelee jo prosessoreita, joissa ytimiä on kahdeksan, jolloin käyttöjärjestelmä näkee kahden suorittimen palvelimen 32 sirun koneena. Käytännössä uusista palvelinprosessoreista saadaan paras teho irti lähinnä virtualisoinnissa, jossa yhdessä koneessa ajetaan lukuisia virtuaalisia palvelimia. Perinteisemmässä käytössä kannattaa miettiä, tarvitaanko koneeseen todella kahta prosessoria.

Näin suorituskyky tuplataan

Intel on Nehalem-prosessoreissaan nostanut suorituskykyä enemmän kuin koskaan aiemmin – kaksinkertaiseksi tai ylikin. Millä keinoin? Pääasiassa kopioimalla pienemmän kilpailijansa AMD:n tekniikat.

Aiemmin Intelin Xeoneissa oli pahoja teknisiä rajoituksia. Intelin neliydinprosessori koottiin kahdesta erillisestä tuplaydinsirusta. Vielä suurempi ongelma oli se, että prosessorin kaikki muistiliikenne kulki erillisen muistiohjaimen (North Bridge -piiri) kautta, mistä tuli paha pullonkaula.

Nehalem-arkkitehtuurissa Intel siirtyy AMD:n jo pitkään käyttämiin ratkaisuihin. Xeon 5500 -prosessori on aidosti neliytiminen, eli yhdellä piipalalla on neljä siruydintä, niiden välimuistit (256 kilotavua) ja vielä yhteinen suuri välimuisti (8 megatavua). Lisäksi prosessorin sisään on vihdoin tuotu myös muistiohjain, eli muistit kytketään suoraan prosessoreihin. Intelin mukaan muistijärjestelmä on nyt kolme kertaa aiempaa tehokkaampi. Prosessorien ja piirisarjan välillä on uudenlainen Quickpath-liitäntä, jonka nopeus on jopa 25,6 gigatavua sekunnissa.

Vastaisku kilpailijan aseilla

Jos perustekniikat ovat nyt samanlaisia, miksi Intelin Nehalem on jopa tuplasti AMD Opteronia nopeampi? Suurimpia selittäjiä on Intelin hyperthreading-tekniikka, joka otettiin Nehalem-siruissa takaisin käyttöön. Hyperthreadingin avulla jokainen siruydin voi ajaa samanaikaisesti kahta ohjelmasäiettä, eli neliydinsiru näyttääkin kahdeksan ytimen prosessorilta. Tämä lisää suorituskykyä monesti 20–30 prosenttia.

Intelin ja AMD:n nopeimmat perusmallit käyvät molemmat 2,9 gigahertsin kellotaajuudella. Intel saa kuitenkin lisäetua Turbo Boost -tekniikasta. Se voi antaa lisänopeutta kaikille ytimille 266 megahertsiä tai yhdelle ytimelle jopa 400 megahertsiä.

Eroja löytyy myös muistitekniikasta. Intel käyttää ddr3-muistia, jonka nopeus on parhaimmillaan 1333 megahertsiä. AMD käyttää vanhempaa ddr2-muistia, jonka nopeus on 800 megahertsiä.

Intel on siis ottanut kaikki kilpailijan tekniikat ja virittänyt niitä vielä tehokkaammiksi. Mausteeksi on esitelty Turbo Boostin kaltaisia uutuuksia. Intel on onnistunut tässä hyvin, sillä Xeon 5500 -prosessori on suorituskyvyltään ylivoimainen.

Turbo Boost – ylipainetta prosessoriin

Intelin Nehalem-arkkitehtuurin ehkä mielenkiintoisiin uutuus on Turbo Boost -tekniikka. Nimi on hupaisa, mutta tekniikka parantaa suorituskykyä ja vähentää virrankulutusta sekä moniydintekniikan varjopuolia. Turbo Boostin perusidea on se, että siruytimiä käynnistellään ja sammutellaan koko ajan kuormituksen mukaan. Samalla niiden kellotaajuutta voidaan nostaa neljässä portaassa, parhaimmillaan jopa 400 megahertsiä.

Toimintaa ohjaa Xeon-prosessorin sisällä oleva tehonhallintayksikkö. Jos kuormaa on paljon – ja sekä lämpötila että virrankulutus antavat myöten – kaikkien ytimien nopeutta nostetaan 133 megahertsiä. Jos vain kaksi ytimistä on kuormitettuja, kaksi muuta ydintä voidaan sammuttaa. Toimivien ytimien nopeutta voidaan nostaa 266 megahertsiä. Jos tietokone käyttää vain yhtä ydintä, voidaan kaikki muut sammuttaa ja nostaa toimivan ytimen nopeutta 400 megahertsiä. Muutoksia tehdään koko ajan lennossa ja automaattisesti. Xeonin tehokkaimmissa malleissa nopeutta voidaan tilapäisesti nostaa 266 megahertsiä, vaikka kaikki ytimet olisivat käytössä.

Turbo Boost poistaa yhden moniydintekniikan haittapuolen. Moniydinprosessoria ei voida ajaa yhtä suurella nopeudella kuin yhden ytimen sirua, mikä hidastaa vain yhtä ydintä käyttäviä sovelluksia. Turbo Boostin avulla tällainen sovellus saa suuremman kellotaajuuden. Turbo Boost vähentää myös prosessorin virrankulutusta ja kuumenemista, kun käyttämättömät ytimet sammutetaan kokonaan.

Intel Nehalem on murskaavan ylivoimainen

Miten suuri on suorituskykyero Intelin ja AMD:n uusimpien palvelinprosessorien välillä? Selvitimme asiaa kahden Dellin tehopalvelimen avulla. Koneet kuuluvat markkinoiden suosituimpaan kahden prosessorin räkkikoneiden luokkaan.

Dell Poweredge R805 -palvelimessa on kaksi AMD Quad-Core Opteron 2384 -prosessoria (2,7 gigahertsiä) ja kahdeksan gigatavua ddr2-muistia. Poweredge R710 on periaatteessa samanlainen palvelin Intelin siruilla. Koneessa on kaksi Intel Xeon 5550 -prosessoria (2,67 gigahertsiä) ja kuusi gigatavua ddr3-muistia. Muistia on vähemmän, jotta voidaan käyttää suurinta muistinopeutta.

Palvelimet ovat tekniikaltaan kuin kaksoset. Intelin Xeon on kuitenkin murskaavan ylivoimainen. Koneilla ajettiin lukuisia erilaisia prosessori- ja muistitehoa mittaavia testejä. Muistitesteissä Intel oli 30–75 prosenttia nopeampi kuin AMD. Prosessoritesteissä Intel oli 50–110 prosenttia nopeampi – yksittäistapauksissa vieläkin enemmän.

Arkielämän sovelluksissa erot ovat hieman pienempiä. Esimerkiksi web-palvelimena Intel-kone oli reilut 30 prosenttia nopeampi kuin AMD-kone. Muiden puolueettomien tahojen sovellustesteissä tulokset ovat olleet samansuuntaisia. Intelin Nehalem-palvelimet ovat käyttötarkoituksesta riippuen 30–100 prosenttia nopeampia kuin AMD Shanghai -koneet.

Tulokset ovat AMD:n kannalta rumia. AMD:n etu on prosessorin ja ddr2-muistien edullisempi hinta, mutta ero ei riitä. Poweredge R710 -palvelimen listahinta on 6128 euroa, ja Poweredge R805 - koneen 5517 euroa. AMD-pohjainen on siis vain 611 euroa edullisempi kuin Intel-kone, joten Intelin teho-hinta-suhde on selvästi parempi. AMD-koneen virrankulutus oli kymmenisen prosenttia pienempi, mutta sekään ei auta. Intel on ylivoimainen myös teho-virrankulutus-suhteessa.

Tällä hetkellä Intel on ylivoimainen valinta melkein kaikkiin käyttötarkoituksiin. AMD:llä on todella kiire saada kuuden siruytimen Istanbul-prosessorit markkinoille – tai sitten yhtiön pitää laskea reippaasti hintoja.