"Unindo" Memória Aprimorada com os Núcleos do Processador Intel Xeon

Nos bastidores: Engenheiro principal da Intel, Ugonna Echeruo, fala sobre acelerar a inovação na largura de banda da memória - desde os conceitos básicos até o lançamento da mais recente série de processadores Intel Xeon CPU Max.

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  • 8 de junho de 2023

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Em um mundo com uma série de desafios a serem resolvidos - curar o câncer, desacelerar o aquecimento global, garantir o estoque nuclear -, é crucial ter tecnologia que possa acompanhar e utilizar montanhas crescentes de dados. Trata-se de mais do que apenas a velocidade de processamento de dados - também é sobre a quantidade massiva de dados que podem ser processados e a taxa na qual a memória pode fornecer ao processador.

Ugonna Echeruo, engenheiro principal no Grupo de Engenharia de Design da Intel e arquiteto-chefe da série de processadores Intel® Xeon® CPU Max (codinome Sapphire Rapids com HBM), descreve o desafio da seguinte forma: Em seu nível mais básico, um processador busca informações da memória, as processa e as atualiza. Eventualmente, a quantidade de informações que a CPU pode trabalhar é limitada pelo tamanho do "tubo" que lhe traz dados. Em última instância, a quantidade de informações que a CPU pode processar é limitada pelo tamanho da "via" que traz os dados até ela.

Echeruo explica que a Intel concentrou-se em possibilitar uma nova categoria de soluções que visam cargas de trabalho limitadas pela largura de banda da memória. Atualmente, a resposta para dados limitados é a memória de alta largura de banda, ou HBM, embora ele afirme que as soluções podem mudar no futuro. Isso permite que a CPU consuma mais dados, deixando até mesmo os clientes mais exigentes satisfeitos. Embora os processadores Intel® Xeon® Scalable de 4ª geração possam lidar com cargas de trabalho pesadas por si só, Echeruo explica que o HBM está equipado para lidar especificamente com cargas de trabalho em que o desempenho é limitado pela largura de banda da memória ou por limitações tanto de largura de banda da memória quanto computacionais.

Echeruo chama o lançamento da série de processadores Max de o momento mais marcante em sua carreira de mais de 20 anos na Intel. E por uma boa razão. O processador Intel Xeon CPU Max Series é o primeiro e único processador baseado em x86 com HBM integrado no chip.

Clientes perguntam, a Intel oferece

Echeruo afirma que os clientes, como laboratórios de pesquisa governamentais, agências federais e universidades, estão na vanguarda do motivo pelo qual o processador Max Series existe hoje.

"Os clientes estão executando aplicativos que requerem muita largura de banda de memória e estão limitados pela largura de banda nos produtos existentes", ele diz. E esses mesmos clientes têm pedido à Intel para aumentar essa largura de banda para atender às suas demandas.

Considere, por exemplo, um laboratório que realiza computação de alto desempenho com quantidades imensas de dados. Com uma configuração típica (sem HBM), cada pesquisador precisaria utilizar muitos nós de computação para obter uma solução. Graças ao HBM, os CPUs da série Max melhoram o desempenho e a largura de banda da memória - sem exigir alterações de código - o que ajuda os pesquisadores a realizar a mesma tarefa usando menos recursos, aumentando assim a produtividade geral e eficiência energética do laboratório.

HBM 101: de volta ao básico

Imagine a CPU as the motor de combustão interna em seu carro. O desempenho do carro é limitado porque apenas uma certa quantidade de ar pode ser bombeada para a câmara de combustão e misturada com gás. Em seguida, vem a adição de turbos e supercompressores - ou, no caso da CPU, memória de alta largura de banda. Agora você pode forçar ainda mais ar para entrar e sair, mais rápido do que nunca!

Com o tempo, os "tubos" da CPU (lembre-se da descrição de Echeruo desde o início?) movem mais ar para a câmara de combustão figurativa. Os tubos são mais amplos e a taxa de transferência da interface entre a memória e a CPU aumenta. Com esses tubos mais amplos, as CPUs mais capazes podem lidar com mais dados e os clientes ficam mais felizes. Com o HBM, a capacidade da CPU leva esse próximo passo turbocharged.

Desafios que valem a pena resolver

Echeruo explicou que a "propriedade" ou a proximidade do HBM na CPU é fundamental para o seu sucesso. O HBM é soldado na placa de circuito, próximo ao processador, fazendo um salto rápido e conveniente para buscar as informações necessárias. E um bônus: essa proximidade economiza energia.

Mas não se engane, diz ele, não é tão fácil quanto apenas colar o HBM ao pacote da CPU.

"Houve muitos desafios para todas as diferentes equipes envolvidas", diz Echeruo. Ele explica que a equipe estava trabalhando com processadores Intel Xeon de 4ª geração após o projeto ter sido definido, então foram necessários muitos testes e validações para garantir que seu plano de HBM fosse bem-sucedido. "Queríamos levar este sistema de memória aprimorada e anexá-lo aos melhores núcleos de computação da Intel, nossos núcleos Intel Xeon e casar com os dois", diz Echeruo.

"Tivemos que analisar cada IP individual dentro do produto para garantir que não houvesse nada que entrasse em conflito com o HBM, e precisávamos garantir que pudéssemos utilizar totalmente o máximo de largura de banda possível." Ele acrescenta: "Tivemos que descobrir como fazer as mudanças necessárias para que o HBM tivesse sucesso e funcionai, ao mesmo tempo, em que não impingimos o cronograma e a entrega do produto padrão."

Empilhando-se para a competição

Falando em eficiência energética, Echeruo disse que essa é outra vantagem da CPU da série Max. Não apenas a proximidade do HBM com a CPU é um economizador de energia, mas também a economia de depender de menos sistemas e capacidades que os usuários geralmente precisam sem HBM. Assim, você provavelmente pode dizer adeus a muitos desses bastões de RAM e dizer "olá" ao HBM.

A Intel é a primeira a adicionar HBM aos processadores x86, o que Echeruo disse ser uma "grande vantagem para a Intel". À medida que olhamos para o futuro, Echeruo acredita que a chave é "aproveitar nossa pilha de software e tornar o HBM mais acessível e fácil de usar para clientes".

Por falar em simpatia do usuário, ao contrário das GPUs com HBM, a CPU da série Max não exige alterações de código com uso intensivo de mão de obra, economizando tempo e esforço. "Quanto menos trabalho os clientes têm que fazer, mais felizes são no final", diz Echeruo, "e, em última análise, isso também é ótimo para a Intel."

E a inovação não para por aqui. Algumas semanas atrás, na conferência ISC High Performance '23, a Intel apresentou um produto futuro de alta largura de banda de memória, um futuro processador Intel Xeon, com o codinome Granite Rapids com Multiplexer Combined Ranks.

Um mundo melhor, graças ao HBM

Xeon Max será usado para estender o entendimento científico básico do mundo. Echeruo diz que isso é, em parte, o que o impulsiona para a frente.

"Esses produtos serão instalados em servidores que impulsionam empresas e laboratórios nacionais a trabalhar em ciência fundamental, medicina ou infraestrutura em nuvem, tanto no presente quanto no futuro", diz Echeruo.