Xeon 3,6 Ghz vs Opteron 250

Lo scorso 14 Febbraio Intel ha ufficialmente presentato la nuova evoluzione dei processori Xeon per sistemi biprocessore, introducendo una nuova versione di cpu Xeon 3,6 GHz dotata di cache L2 da 2 Mbytes. Parallelamente, AMD ha presentato una nuova versione di processore Opteron, modello 252, invariata a livello architetturale rispetto al predecessore fatta eccezione per la frequenza di clock passata a 2,6 Ghz. La nuova cpu Opteron è anche la prima a utilizzare il nuovo stepping E1, che introduce processo produttivo a 0.09 micron e supporto al set di istruzioni SSE3.

In queste pagine sono state provate le nuove cpu Xeon 3,6 Ghz, a diretto confronto con il processore Opteron 250 operante a 2,4 GHz di clock. Non è stato possibile avere a disposizione le cpu Opteron 252 in tempo utile per la realizzazione di questo articolo, quindi rimandiamo ad una futura analisi lo studio del comportamento delle nuove cpu Opteron 252.

L'obiettivo di questo articolo è quello di introdurre alle caratteristiche di questi processori Intel e AMD per sistemi biprocessore, analizzandone le prestazioni velocistiche in ambiente Windows 32bit. Nei prossimi mesi Microsoft rilascerà la versione ufficiale del sistema operativo Windows XP Professional x64 Edition per processori AMD64 e Intel EMT64, e questa rappresenterà la vera spinta verso la diffusione di sistemi a 64bit anche in ambiente domestico e in workstation a due processori. Il vero limite, quantomeno al momento attuale, sembra essere quello legato alla disponibilità di software scritti in modo nativo a 64bit, che si possano realmente avantaggiare delle architetture delle cpu Intel e AMD proponendo tangibili incrementi prestazionali.

Il quadro non pare essere granché ottimistico: sono molto pochi i programmi disponibili in versione a 64bit, e difficilmente si potrà assistere ad una diffusione massiccia di porting a 64bit per tutti i software abitualmente utilizzati dagli utenti. In ogni caso, la prossima disponibilità di una versione a 64bit ufficiale di Windows XP non potrà che trainare le vendite di questi processori, anche in ambienti a singola cpu.

Le nuove cpu Xeon 3,6 GHz non differiscono, all'analisi esteriore, dalle precedenti versioni con 1 Mbyte di cache L2. Il package è quello a 604 pin, con l'apposito Socket montato sulla scheda madre. La cache L2 da 2 Mbytes è integrata all'interno del Core, quindi non visibile dall'esterno in quanto il Die è ricoperto da una placca di dissipazione in alluminio.

La frequenza di bus Quad Pumped è quella di 800 MHz, come riportato dall'utility Cpu-Z. Il moltiplicatore di frequenza del processore è impostabile manualmente da 14x a 18x, ma si tratta di una caratteristica peculiare del processore utilizzato nei test, un Engineering Sample di Intel.

La cache L2 è in quantitativo di 2 Mbytes, di tipo associativo a 8 vie; fatta eccezione per la quantità raddoppiata, le caratteristiche tecniche sono invariate rispetto alla precedente versione di cpu Xeon 3,6 GHz.

Il sistema di test Intel è basato su memoria DDR2 ECC Registered, di tipo DDR2-400. I timings di accesso riportati dal tool Cpu-Z sono molto simili a quelli delle memorie DDR2-400 standard per sistemi Pentium 4, con latenza di accesso CAS pari a 3.

Nulla di nuovo per la cpu Opteron 250, ultima versione di processore AMD costruita con processo produttivo a 0.13 micron: la frequenza di clock è pari a 2.400 MHz, con cache L2 integrata di 1 Mbyte di capacità e bus Hypertransport operante a 800 MHz di clock.

Come segnalato in apertura, AMD ha ufficialmente presentato una nuova versione di processore Opteron, modello x52, basata su frequenza di clock di 2,6 GHz e abbinata a bus Hypertransport a 1 GHz di clock. Queste nuove cpu sono costruite con processo produttivo a 0.09 micron e integrano supporto anche al set di istruzioni SSE3.

Il sistema utilizzato nei test del processore Xeon 3,6 GHz ci è stato fornito direttamente da Intel, consistente in un sistema Rack a 2 unità. Questa soluzione è adatta all'utilizzo di software che fanno del puro calcolo la loro componente principale, ma non di certo quale workstation grafica essendo sprovvista del tutto della possibilità di utilizzare un  sottosistema video esterno.

On board sono integrati il chip video ATI Rage XL, un classico per schede madri biprocessore, e due schede di rete Gigabit con chip Intel.

La parte interna del Case è caratterizzata dal massiccio sistema di raffreddamento, con 3 ventole che soffiano aria direttamente sui dissipatori di calore dei processori; una quarta ventola assicura il necessario ricambio d'aria nella restante parte del sistema, quella nella quale si trovano i chip di controllo e le eventuali altre periferiche di espansione.

L'aria viene aspirata dalle ventole attraverso alcune feritoie poste nella parte frontale, così che scorrendo all'interno possa anche raffreddare gli hard disk montati nel sistema. L'espulsione viene assicurata dalle griglie presenti nella parte posteriore.

Nella parte frontale del Case troviamo la predisposizione per 6 cassettini hot swap, da abbinare ad hard disk SCSI con interfaccia SCA; nel sistema è montato un modello Seagate Cheetah da 73 Gbytes di capacità, con velocità di rotazione dei piatti pari a 15.000 giri al minuto.

La memoria utilizzata è di tipo DDR-2 400 ECC Registered, specifica per l'impiego in ambienti server di questo tipo. I chip hanno package BGA e sono prodotti dalla tedesca Infineon.

Per le due cpu AMD Opteron 250 è stata utilizzata la scheda madre Abit SU-2S, anch'essa specificamente pensata per l'impiego in ambienti server grazie all'integrazione on board del sottosistema video.

La scheda si distingue per i due Socket 940, ciascuno dotato di un proprio blocco di 4 Slot memoria così da sfruttare sino a 8 moduli memoria montati contemporaneamente nel sistema. Oltre al chip video ATI Rage XL, troviamo on board anche un controller Serial ATA Marvell a 8 canali, sprovvisto di funzionalità Raid hardware ma per il quale è possibile montare della memoria cache supplementare attraverso uno Slot memoria di tipo SoDimm, la stessa utilizzata nei sistemi portatili.

La costruzione della scheda Abit ricalca quella della soluzione Abit SV-1A, recensita a questo indirizzo; la SU-2S è a tutti gli effetti una scheda pensata quale piattaforma per server storage, con i quali tuttavia si ricercano elevate prestazioni in termini di puro calcolo grazie alla presenza dei due processori AMD Opteron. Da segnalare la presenza on board di ben 4 schede di rete Gigabit basate su chip Broadcom.

L'analisi di architetture biprocessore implica il puntualizzare alcune metodologie di analisi, che devono essere ben chiare al lettore e potenziale acquirente di un sistema a due cpu. Innanzitutto, l'avere due processori non equivale in nessun modo a raddoppiare le prestazioni del sistema in tutti gli ambiti applicativi; per beneficiare della presenza del secondo processore è indispensabile che l'applicazione utilizzata si serva della seconda cpu nell'esecuzione di programmi, in modo parallelo con la prima cpu.

Vi sono ambiti applicativi, tipicamente quelli legati ad applicazioni server e workstation, che più di altri beneficiano della presenza di un secondo processore all'interno del sistema. In altri, invece, la presenza del secondo processore non porta a nessun vantaggio diretto in quanto l'applicazione non è tale da avantaggiarsi della presenza di più di un processore nell'esecuzione di calcoli e operazioni.

Vediamo di seguito alcuni esempi di applicazioni utilizzate nell'analisi prestazionale, e di come sfruttino o meno la presenza di più processori.

Il più classico esempio dei benefici prestazionali che è possibile ottenere nell'utilizzo di un sistema con due o più processori è il rendering, con programmi come 3D Studio Max o Lightwave; nell'esempio è stato utilizzato proprio quest'ultimo in versione 7.5, mostrando come nel rendering di un frame di una scena i due processori installati nel sistema vengano utilizzati al 100% delle proprie risorse.

Povray, software di Raytracing, è un esempio classico di applicazione single threaded, che quindi non si avantaggia della presenza di due processori di sistema. Questo è chiaramente evidenziato nell'operazione di rendering osservando il task manager di Windows, che rimane fisso sul 50% di occupazione del processore a indicare che una delle due cpu è impegnata al 100% delle proprie risorse, mentre l'altra resta pressoché inattiva. Il passaggio da 1 a 2 processori, con questo genere di applicazioni, non porta a nessun diretto beneficio prestazionale.

La conversione di un filmato MPEG2 in standard Divx, attraverso l'utilizzo di Auto Gordian Knot, mostra chiaramente come l'occupazione dei due processori non sia mai piena al 100%, ma spesso si avvicini a questo valore. La diretta conseguenza sarà che le prestazioni complessive saranno superiori con un sistema biprocessore rispetto ad uno a singola cpu di pari frequenza di clock, pur se con un margine d'incremento non così elevato quanto si potrebbe pensare.

Le osservazioni appena fatte per il contesto di sistemi a due processori valgono anche per le cpu Intel dotate di tecnologia HyperThreading; queste cpu, comprese quindi anche quelle Xeon oggetto di questa analisi, vantano un'architettura tale per cui il processore viene riconosciuto dal sistema come composto da 2 distinti Core logici, pur essendo fisicamente un solo Core. Questi processori si comportano come un sistema biprocessore, anche se con prestazioni velocistiche inferiori in quanto i due Core sono solo logici e non fisici come in un sistema biprocessore puro; per questo motivo si avantaggiano rispetto a processori dalle medesime caratteristiche ma senza tecnologia HyperThreading soprattutto quando si utilizzano applicazioni che sfruttano, per la loro natura, due o più processori contemporaneamente nell'elaborazione di codice.

HyperThreading, e per analogia i sistemi biprocessore, si avantaggiano sulle architetture a singola cpu anche quando nel sistema si utilizzano applicazioni che sfruttano un solo processore, ma contemporaneamente. Si pensi, ad esempio, ad un sistema nel quale si masterizza un DVD e contemporaneamente si esegue una scansione dell'hard disk con un antivirus: in un ambito d'utilizzo di questo tipo entrambi i processori vengono utilizzati dalle due applicazioni, con una risposta del sistema molto più fluida e priva d'inceppamenti rispetto a quella di un sistema a singolo processore. E' purtroppo molto difficile riuscire a fornire misure oggettive che mostrino questo particolare comportamento dei sistemi biprocessore e/o con tecnologia HyperThreading; un uso sul campo è la migliore conferma di questo andamento.

Osservando quello che sarà lo scenario dei processori nei prossimi mesi, le linee guida di funzionamento dei sistemi a 2 processori sono valide anche per sistemi Dual Core, attesi al debutto da Intel e AMD nei prossimi mesi. Per queste nuove tipologie di processori, infatti, sarà importante trovare quali ambiti applicativi riescano a sfruttare al meglio i due Core integrati nel processore, soprattutto con le tradizionali applicazioni per ambiente desktop.

Durante i test sono stati utilizzati i seguenti software:

• Sciencemark 2.0 - Membench
• Seti@home - text client 3.08
• 3D Max 6
      Underwarer_Environment_Finished.max - 800x600
      rendering di singolo frame
      SinglePipe2.max - 800x600
      rendering 321 frames della scena
• Cinebench 2003
      CPU Benchmark (secondi)
      C4D Shading Scene 1 (fps)
      C4D Shading Scene 2 (fps)
• Auto GK - DivX - "Il grande Lebowsky"
      Divx 5.21 PRO
      scena 6
      Qualità 75% - no audio
• Auto GK - XviD- "Il grande Lebowsky"
      XviD-24062003-1
      scena 6
      Qualità 75% - no audio
• Audiograbber 1.83
      192Kbit/s stereo high quality - Lame 3.95
      Traccia audio da 612 Mbytes, 1h 47s
• Povray 3.6
      Benchmark 640x480 NoAA
• Lightwave 7.5
      Nebulae
      Radiosity_ReflectiveThings
      Raytrace
      Sunset
      Variations
      Variations Smothness
• Cinema 4D
      Rendering Beetle.c4d 1024x768
• Mainconcept MPEG Encoder
      Conversione in MPEG2 bitrate variabile
      Video ECS factory tour - DV 16.836 frames
      720x576
• Windows Media Encoder 9
      Conversione di DV in WMV
      282 Kbit/s - Server Windows media
      Video ECS factory tour - DV 16.836 frames
      720x576

I test sono stati eseguiti con i seguenti criteri:

• l'hard disk è stato formattato e su di esso è stato installato il sistema operativo patchato con eventuali Service Pack e tutti gli ultimi fix disponibili al momento dei test; sono stati caricati solo i driver necessari al corretto funzionamento del sistema operativo;

• ogni benchmark è stato eseguito per almeno 2 volte, prendendo come valore riferimento quello medio; se i risultati ottenuti sono parsi inattendibili o eccessivamente diversi tra di loro si è provveduto a rieffettuare i benchmark fino ad un massimo di 5 volte;

• al termine di ogni esecuzione dei benchmark il sistema è stato riavviato e l'hard disk deframmentato utilizzando il software Defrag contenuto in Windows XP Professional.

Sciencemark è stato utilizzato per analizzare a basso livello la memoria di sistema e le interrelazioni con i processori.

Le cpu Opteron 250 operano con tradizionale memoria DDR400 Registered, configurata in modalità Dual Channel; il sistema Xeon 3,6 GHz, viceversa, utilizza memoria DDR2 400 sempre in modalità Dual Channel. Come già visto nei sistemi desktop con processori Athlon 64 e Pentium 4, la piattaforma AMD fa registrare un più elevato valore di bandwidth della memoria di sistema, merito del memory controller integrato nel Core che avvicina maggiormente il limite massimo teorico di bandwidth delle memorie DDR400 in configurazione Dual Channel (6,4 Gbytes al secondo).

Membench permette di analizzare anche la latenza di accesso della memoria di sistema; anche in questo caso la cpu Opteron si avantaggia nettamente, con inferiore latenze rispetto alla piattaforma Xeon grazie al memory controller integrato nel Core della cpu e non nel north bridge del chipset.

Tipica applicazione single tasking, Povray 3.6.1 avantaggia la soluzione Xeon 3,6 GHz con i suoi 2 Mbytes di cache L2, forte presumibilmente del supporto SSE3 che sembra ben sfruttato da questo software.

Cinebench 2003 è un test molto utile in ambito workstation, in quanto permette di analizzare il comportamento di un sistema sia come workstation grafica che quale macchina da calcolo in rendering. In questo caso, vista la configurazione dei sistemi in prova, ci dedicheremo solo al secondo tipo di analisi. Il CPU benchmark misura i tempi di rendering di una scena 3D, sia in modalità singolo processore che utilizzando tutte le cpu disponibili nel sistema. La cpu Opteron 250, in modalità single core, si avantaggia leggermente su quella Xeon a 3,6 GHz di clock. Il processore Intel ricupera tutto il divario in configurazione multiple, quindi facendo uso sia del secondo processore fisico installato nel sistema, che degli altri due logici integrati grazie alla tecnologia HyperThreading.

Sostanziale allineamento nel C4D Shading, che riproduce alcune scene 3D con rendering completamente a carico del processore.

Cinema4D è un tool di rendering il cui motore viene utilizzato all'interno del benchmark Cinebench 2003; la cpu Xeon 3,6 GHz sfrutta la presenza del secondo processore logico abilitato con la tecnologia HyperThreading, facendo registrare una prestazione migliore del 14% circa rispetto al sistema Opteron 250.

Il rendering con Lightwave mostra chiari margini di vantaggio per la piattaforma Xeon 3,6 GHz, nuovamente grazie alla tecnologia HyperThreading che in questo genere di applicazioni può essere sfruttata al massimo delle sue potenzialità. I tempi di rendering sono sempre inferiori a quelli dei processori AMD Opteron 250, con margini variabili a seconda del tipo di scena.
L'eccezione è rappresentata dalla scena Variations, con la quale il sistema Opteron 250 si avantaggia nettamente su quello Xeon 3,6 GHz di poco meno del 30%.

Il quadro con il rendering di due scene con 3D Max 6 è nel complesso ben diverso rispetto a quanto visto con Lightwave; anche in questo caso il tipo di elaborazione effettuata è tale da saturare completamente le potenzialità dei processori, occupandoli costantemente per il 100% delle risorse disponibili. I risultati premiano entrambe le architetture, con tempi di elaborazione vicini nel complesso ma che avantaggiano in un test la cpu Xeon, nell'altro quella Opteron.

Xeon mostra significativi margini di vantaggio nell'elaborazione di WU contemporanee con il client 3.08 del progetto Seti@home: è evidente come in questo caso sia stato possibile saturare completamente i 4 processori logici a disposizione del sistema, elaborando contemporaneamente 4 Work Unit contro le 2 massime gestibili contemporaneamente dal sistema Opteron 250. Il divario tra i due sistemi è di poco superiore al 35%.

E' interessante osservare come nella conversione di un filmato MPEG2, la scena di un DVD nel caso concreto, la piattaforma Opteron 250 riesca a registrare tempi di elaborazione inferiori, o un maggior numero di frames al secondo convertiti, utilizzando il codec DivX 5.21. Il vantaggio viene quasi completamente annullato passando al codec XvID, con un sostanziale allineamento tra le due piattaforme. Questi test sfruttano la presenza della seconda cpu presente nel sistema, e nel caso del sistema Xeon di un totale di 4 processori logici, ma non al punto da sfruttare al 100% le risorse di sistema disponibili come avviene ad esempio nel rendering di una scena 3D.

Margine di vantaggio di poco superiore al 7% per il sistema AMD Opteron 250 su quello Xeon 3,6 GHz; in questo caso la conversione con tool Mainconcept non permette di sfruttare la seconda cpu montata nel sistema, situazione che svantaggia la cpu Xeon a confronto con quella Opteron.

Windows Media Encoder 9 mostra interessanti risultati per il sistema Opteron 250, come si deduce dal margine di vantaggio di poco inferiore all'11% rispetto al sistema basato su processori Intel Xeon 3,6 GHz.

I processori Xeon 3,6 GHz sono basati su Core Nocona, quindi integrano supporto alla tecnologia EMT64 di Intel; per questo motivo è possibile utilizzarli con sistema operativo Windows XP 64bit. Nessun problema nel riconoscimento delle periferiche da parte del sistema operativo; si noti come il sistema riporti la presenza di 4 processori Xeon 3,6 GHz, dati dalle 2 cpu fisiche e dai corrispondenti processori logici per ciascuna cpu, grazie alla tecnologia HyperThreading.

Nessun problema di rilevamento anche con i processori AMD Opteron, riconosciuti correttamente dal sistema operativo. La versione 1289 utilizzata nei test ha riconosciuto tutte le periferiche montate nel sistema, senza la necessità di effettuare alcuna ricerca on line per i driver.

Con Windows XP 64bit sono stati eseguiti alcuni test di compatibilità e prestazionali. Se per i primi non sono emersi problemi con nessuna delle piattaforme in prova, risultati anomali sono emersi nei test prestazionali. Povray è uno dei pochi tool che al momento attuale vanta una versione a 32bit e una identica a 64bit, specificamente scritta per processori AMD64 e Intel EMT64; se con i processori Opteron il tempo di elaborazione della scena benchmark è passato da 1636 secondi a 1302 secondi, un miglioramento di poco superiore al 20% dei tempi di elaborazione, il test con processore Xeon ha portato addirittura ad un incremento dei tempi di elaborazione, passati da 1667 a 1768  secondi. E' evidente che la causa di questo risultato sia legata al software utilizzato, e non all'architettura hardware: per quanto possa essere poco efficace un'implementazione a 64bit all'interno di un processore, non ha infatti senso che una cpu operi più lentamente con codice a 64bit che con quello a 32bit.

E' comunque bene ricordare che al momento attuale mancano applicazioni che permettano di verificare i reali incrementi ottenibili con codice a 64bit, che possano essere annoverate nel gruppo di quei programmi utilizzati abitualmente dalla maggior parte degli utenti. Mostrare i benefici prestazionali del codice a 64bit con un benchmark sintetico è sicuramente interessante, ma a nostro avviso di limitata portata in termini di riflessi nell'uso quotidiano. Che il passaggio a codice a 64bit porti boost nelle prestazioni è pressoché ovvio, ma in mancanza di questi programmi ha poco senso stimare con benchmark sintetici

Entrambi i sistemi biprocessore testati in queste pagine si pongono su livelli prestazionali e di funzionalità che vanno ben oltre quello a cui è abituato un utente di PC desktop a singolo processore. La flessibilità di poter utilizzare 2 processori fisici, che diventano 4 logici nel caso del processore Xeon 3,6 GHz, garantisce una elevata fluidità del sistema qualora si utilizzino applicazioni single threaded, oppure tempi di elaborazione molto ridotti se il software è scritto per beneficiare della presenza di più di un processore nel sistema.

Il sistema Xeon ha mostrato i propri punti di forza in tutti quegli ambiti applicativi nei quali il processore viene occupato per la stragrande maggior parte del tempo al 100% delle proprie risorse. In questi ambiti la presenza di 4 processori logici avantaggia nettamente questa piattaforma, permettendo di ottenere risultati prestazionali nel complesso migliori di quelli della soluzione Opteron 250.

Quest'ultima è però nel complesso più efficiente del sistema Xeon 3,6 GHz: il memory controller integrato, in abbinamento al bus Hypertransport, rende infatti questa soluzione nel complesso preferibile quando il tipo di applicazioni utilizzato sia tale da fare massiccio utilizzo della memoria di sistema, e dove l'indipendenza del bus per singolo processore sia un punto di forza per eseguire un'operazione nel minor tempo possibile.
Del resto, questa cpu opera a 2,4 GHz di clock contro i 3,6 GHz del nuovo processore Xeon: una differenza del 33% in meno per la soluzione AMD presente nella frequenza di clock, ma che non è stata verificata nei risultati prestazionali ottenuti, fatta eccezione per quegli ambiti nei quali l'architettura HyperThreading mostra tutti i suoi benefici. AMD, inoltre, ha presentato una nuova evoluzione del progetto Opteron: il modello 252, che differisce da quello utilizzato in questi test per il supporto al set di istruzioni SSE3 e soprattutto per la frequenza di clock superiore di 200 MHz.

Nel corso dei test eseguiti in redazione i due sistemi Xeon e Opteron sono stati utilizzati anche in ambiente Linux, eseguendo alcuni test interni con database MySQL. In particolare, sono state eseguite elaborazioni sul database dei dati del forum di discussione del sito, attualmente con dimensione di poco superiore ai 5 Gbytes. I test sono stati eseguiti con sistema operativo SuSe Linux 9.2 a 32bit e a 64bit, per cercare di valutare l'impatto del sistema oeprativo a 64bit con parte delle operazioni di calcolo eseguite quotidianamente dal database server in produzione che utilizziamo per gestire il forum.
I risultati ottenuti con entrambe le piattaforme hanno rimarcato quanto segnalato in precedenza per il sistema operativo Windows XP Professional x64 Edition: in alcuni casi abbiamo ottenuto risultati peggiori nelle elaborazioni a 64bit, chiaro segno che parecchia ottimizzazione dal lato software debba ancora essere fatta per queste piattaforme con codice a 64bit.

Il quadro che emerge al termine di questo articolo risente indubbiamente del limitato e specifico numero di test eseguiti, e dell'impossibilità di valutare oggettivamente le prestazioni con applicazioni e sistemi operativi a 64bit. Entrambe le piattaforme, come segnalato in precedenza, vantano una potenza di elaborazione estremamente elevata che dev'essere sfruttata appieno utilizzando software che sfrutti pesantemente il multitasking. Nel complesso, le scelte architetturali del processore Opteron fanno pendere la bilancia ancora verso queste soluzioni, anche se il margine di divario che in ambiente dual processor le cpu Xeon hanno sempre pagato verso le soluzioni Opteron si sta progressivamente riducendo grazie alla crescita delle frequenze di clock, e ad affinamenti architetturali quali il supporto al set di istruzioni SSE3 e alla cache L2 da 2 Mbytes.

Lo scontro, prossimamente, si porterà sempre più nel contesto di software e sistemi operativi a 64bit, con l'interessante inserimento nel corso del secondo trimestre 2005 delle architetture Dual Core sia per cpu Xeon che Opteron.