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Intel Xeon Phi Knights Landing: coprocessore e CPU con 8 miliardi di transistor

Intel ha svelato maggiori dettagli sulla seconda generazione di coprocessori Xeon Phi, nome in codice Knights Landing. Il chip – prodotto con processo a 14 nanometri – integra 8 miliardi di transistor e oltre 60 core, probabilmente fino a 72 unità secondo precedenti informazioni.

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Immagine di un chip Intel Xeon Phi Knights Landing – foto: Kurt Marko, Forbes

Le soluzioni Xeon Phi sono basate sull'architettura Intel MIC (Many Integrated Core), dedicata al mondo degli HPC (High Performance Computing), ossia ai supercomputer e a sistemi altamente specializzati. In questo progetto molti piccoli core si occupano di gestire calcoli altamente paralleli, tipici delle operazioni finanziarie, della ricerca (petrolio, gas), della codifica video o della simulazione metereologica.

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Il cuore di Knights Landing è un progetto basato su tile (mattonelle), ognuna dotata di due core, 32 KB di cache L1 instruction e altrettanti di cache L1 data e un paio di unità vettoriali AVX 512-bit che adottano lo stesso set di istruzioni dei chip Xeon. Per quanto riguarda i core, Intel si è affidata a un'architettura Silvermont pesantemente modificata, con una pipeline out of order il doppio più profonda, cosa che dovrebbe garantire di fare più operazioni nello stesso tempo. Ogni core fisico ha quattro thread, il che porta il chip ad avere oltre 240 thread.

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Questo progetto introduce anche una nuova architettura di memoria. Sul package troviamo infatti otto chip di memoria da 2 GB impilati, per un totale di 16 GB, di quella che Intel definisce "near memory". Si tratta di memoria Hybrid Memory Cube di Micron, formata da chip di memoria impilati e un chip logico integrato, tutti connessi tramite through-silicon vias (TSVs) in modo da offrire maggiore densità e bandwidth – tra 400 e 500 GB/s – insieme a minori consumi. Insomma, è una memoria di tipo 3D, sviluppata in verticale.

Secondo Intel la memoria on-package offre prestazioni cinque volte maggiori della memoria DDR4. Knights Landing ha anche sei canali di memoria tradizionali (due controller, tre canali per controller) che possono connettere fino a 384 GB di memoria DDR4. Il chip mette a disposizione anche 36 linee PCI Express 3.0 per la comunicazione con altre periferiche.

Intel Xeon Phi 3120A Intel Xeon Phi 3120A
Intel Xeon Phi 7120D Intel Xeon Phi 7120D

I prodotti Knights Landing godranno anche di una nuova tecnologia d'interconnessione chiamata Intel Omni-Path, progettata per rispondere ai requisiti degli HPC del futuro. Offre 100 Gbps di velocità di linea e fino al 56% in meno di latenza switch fabric in cluster medio-grandi rispetto alle alternative InfiniBand. Omni-Path sarà parte anche nei futuri processori Intel Xeon. 

Il risultato del migliore processo produttivo, dei nuovi core, della cache e dell'architettura di memoria inedita consente a Knights Landing di offrire tre volte le prestazioni di Knights Corner con operazioni integer a virgola fissa (fixed point). Knights Corner è in grado di raggiungere una potenza di poco più di un teraflops con calcoli a doppia precisione e 2 teraflops in singola precisione; Knights Landing porta questi dati rispettivamente a 3 e 6 teraflops.

Per riferimento, la GPU GM200 di Nvidia a bordo della GeForce GTX Titan X è in grado di raggiungere 7 teraflops di picco con calcoli a singola precisione, mentre al momento non conosciamo le capacità in doppia precisione poiché sono state castrate pesantemente sia sulla scheda GeForce che sulla Quadro M6000.

Le soluzioni Knights Landing segnano inoltre un cambio di strategia per la casa di Santa rispetto all'attuale gamma a 22 nanometri Knights Corner. I prodotti saranno disponibili in tre versioni: una scheda acceleratrice PCI Express, come processore host per InfiniBand e come processore host per la nuova interconnessione Omni-Path.

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Il vantaggio di Intel rispetto alla concorrenza è infatti che Knights Landing può essere usata come CPU. È infatti compatibile a livello binario con i processori Intel Xeon, permettendo agli sviluppatori di software di riutilizzare il codice esistente. Supporta le stesse istruzioni degli Xeon v3 – salvo la transactional memory (TSX) – e può far girare Linux o Windows Server.

I processori Knights Landing arriveranno negli HPC nella seconda metà di quest'anno. Il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) ha già annunciato un'installazione HPC pianificata per il 2016, per la gestione di più di 5.000 utenti e oltre 700 progetti scientifici su larga scala.

La National Nuclear Security Administration (NNSA) userà sia chip Xeon Haswell che coprocessori Knights Landing in un nuovo supercomputer, identificato con il nome Trinity, che secondo l'agenzia garantirà prestazioni 8 volte maggiori rispetto alla soluzione usata finora.

Intel afferma inoltre che 50 aziende offriranno server usando Knights Landing come CPU centrale, mentre molti altri permetteranno di usarlo come coprocessore. Lanciato Knights Landing Intel si concentrerà su Knights Hill. La famiglia Xeon Phi di terza generazione sarà realizzata usando il processo produttivo a 10 nanometri e integrerà la tecnologia Intel Omni-Path di seconda generazione.