美光 DDR5 內(nèi)存配合第四代 AMD EPYC 處理器，提升高性能計(jì)算工作負(fù)載

美光與AMD聯(lián)手為客戶及數(shù)據(jù)中心平臺(tái)提供一流的用戶體驗(yàn)。雙方在奧斯汀建立聯(lián)合服務(wù)器實(shí)驗(yàn)室，以減少服務(wù)器內(nèi)存驗(yàn)證時(shí)間，在產(chǎn)品驗(yàn)證和發(fā)布期間共同進(jìn)行工作負(fù)載測(cè)試。目前美光適用于數(shù)據(jù)中心的 DDR5 內(nèi)存和第四代 AMD EPYCTM^TM （霄龍）處理器均已出貨，我們對(duì)其進(jìn)行了一些常見的高性能計(jì)算（HPC）工作負(fù)載基準(zhǔn)測(cè)試。

長(zhǎng)期以來，超級(jí)計(jì)算機(jī)承擔(dān)著高性能計(jì)算工作負(fù)載。此類大規(guī)模的數(shù)據(jù)密集型工作負(fù)載需要運(yùn)行TB 級(jí)的數(shù)據(jù)量以進(jìn)行數(shù)百萬個(gè)并行操作，以解決人類世界的難題，如天氣和氣候預(yù)測(cè)；地震建模；化學(xué)、物理和生物分析等。

隨著計(jì)算機(jī)架構(gòu)的進(jìn)步，此類工作負(fù)載往往托管在超大型“可橫向擴(kuò)展”的高性能服務(wù)器集群中。這些服務(wù)器集群需要集合最強(qiáng)大的算力、架構(gòu)、內(nèi)存和存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施，以滿足關(guān)鍵工作負(fù)載對(duì)可擴(kuò)展性、低延遲和高性能的需求。然而隨著服務(wù)器 CPU 的性能和吞吐量不斷增長(zhǎng)，DDR4 無法提供足夠的內(nèi)存帶寬，來滿足不斷增長(zhǎng)的高性能內(nèi)核。

為緩解這一瓶頸，美光 DDR5 內(nèi)存與采用了Zen 4 服務(wù)器架構(gòu)的第四代AMD EPYC 處理器強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，使服務(wù)器 CPU 能夠更好地匹配內(nèi)存產(chǎn)品，滿足數(shù)據(jù)密集型工作負(fù)載對(duì)性能和效率的需求。美光DDR5 內(nèi)存可幫助企業(yè)從本地和云端數(shù)據(jù)中更快獲取洞察。我們對(duì)最新的 AMD Zen 4 96 核CPU和美光DDR5進(jìn)行了行業(yè)內(nèi)高性能計(jì)算工作負(fù)載基準(zhǔn)測(cè)試，所有結(jié)果均顯示性能提升了兩倍。

美光 DDR5 搭配第四代 AMD EPYC 處理器，在STREAM 測(cè)試中實(shí)現(xiàn)內(nèi)存帶寬翻倍

STREAM¹ 是常見的基準(zhǔn)測(cè)試工具，用于測(cè)量高性能計(jì)算機(jī)的內(nèi)存帶寬，可捕獲高性能計(jì)算系統(tǒng)的峰值內(nèi)存帶寬。

該工作負(fù)載使用的軟件堆棧

·       Alma 9 Linux kernel 5.14

·       STREAM.f，2021 年 11 月 29 日發(fā)布版本

測(cè)試設(shè)置

·       DDR4 系統(tǒng)搭配第三代 64 核3.7 GHz AMD EPYC 處理器；DDR4 3200 MHz 系統(tǒng)²的 RDIMM 內(nèi)存槽插滿，共 64GB

·       DDR5 系統(tǒng)搭配第四代 96 核3.7 GHz AMD EPYC 處理器；DDR5 4800 MHz 系統(tǒng)³的 RDIMM 內(nèi)存槽插滿，共 64GB

測(cè)試結(jié)果

·       DDR5 系統(tǒng)每插槽內(nèi)存帶寬翻倍，達(dá)到 378 GB/s

·       該結(jié)果意味著客戶能運(yùn)行更大規(guī)模的人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí) （AI/ML）項(xiàng)目，或利用 DDR5 增加的內(nèi)存帶寬進(jìn)行更多高性能計(jì)算。

美光 DDR5， 助力天氣研究和預(yù)報(bào) （WRF）⁴ 速度提升2倍

此次測(cè)試使用的高性能計(jì)算工作負(fù)載代碼針對(duì)天氣和氣候。WRF模型在一些支持高性能浮點(diǎn)處理、高內(nèi)存帶寬、低延遲網(wǎng)絡(luò)等傳統(tǒng)高性能計(jì)算架構(gòu)中表現(xiàn)良好，測(cè)試對(duì)象為橫向分辨率為 2.5 公里的美國(guó)大陸地區(qū) （CONUS）。

該工作負(fù)載使用的軟件堆棧

·       Alma 9 Linux kernel 5.14?

·       WRF 2.3.5 & 4.3.3?

·       Open MPI v4.1.1

測(cè)試設(shè)置

·       DDR4 系統(tǒng)搭配第三代64 核3.7 GHz AMD EPYC 處理器；DDR4 3200 MHz 系統(tǒng)²的 RDIMM 內(nèi)存槽插滿，共 64GB

·       DDR5 系統(tǒng)搭配第四代 96 核3.7 GHz AMD EPYC 處理器；DDR5 4800 MHz 系統(tǒng)³的 RDIMM 內(nèi)存槽插滿，共 64GB

測(cè)試結(jié)果

·       美光 DDR5 搭配第四代 AMD EPYC 處理器，可實(shí)現(xiàn) 1.3567 時(shí)間步/秒 VS DDR4 系統(tǒng)的2.8533 時(shí)間步/秒

·       速度更快意味著可使用更大的數(shù)據(jù)庫或運(yùn)行更多模型以進(jìn)行天氣預(yù)測(cè)，進(jìn)而改善預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。

美光 DDR5，助力OpenFOAM⁵ 速度提升2倍

OpenFOAM 是一種計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的開源高性能計(jì)算工作負(fù)載，廣泛應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)，有助于縮短開發(fā)時(shí)間并降低成本。從消費(fèi)類產(chǎn)品設(shè)計(jì)到航空航天設(shè)計(jì)，OpenFOAM能夠模擬不同應(yīng)用中的物理互動(dòng)，包括摩托車風(fēng)擋湍流。在該模擬中，OpenFOAM 能夠計(jì)算摩托車和騎手周圍的穩(wěn)定氣流。OpenFOAM 能夠根據(jù)用戶指定的進(jìn)程數(shù)進(jìn)行負(fù)載均衡計(jì)算，以此將網(wǎng)格分解成多個(gè)部分并分配給不同的進(jìn)程求解。求解完成后，再將網(wǎng)格和解重新組合為單個(gè)域。

該工作負(fù)載使用的軟件堆棧

·       OpenFOAM CFD 軟件（版本8），其中摩托車網(wǎng)格尺寸為：600 x 240 x 240

·       Alma 9 Linux kernel 5.14?

·       Open MPI v4.1.1

測(cè)試設(shè)置

·       DDR4 系統(tǒng)搭配第三代64 核3.7 GHz AMD EPYC 處理器；DDR4 3200 MHz 系統(tǒng)²的 RDIMM 內(nèi)存槽插滿，共 64GB

·       DDR5 系統(tǒng)搭配第四代 96 核3.7 GHz AMD EPYC 處理器；DDR5 4800 MHz 系統(tǒng)³的 RDIMM 內(nèi)存槽插滿，共 64GB

測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明美光DDR5 產(chǎn)品組合將OpenFOAM 性能提高了 2.4 倍。OpenFOAM 為五大高性能計(jì)算軟件平臺(tái)之一，擁有大型開源社區(qū)。該軟件廣泛應(yīng)用于大學(xué)和研發(fā)中心，可利用高帶寬內(nèi)存和擁有密集內(nèi)核的高性能CPU，實(shí)現(xiàn)高度的并行操作。

美光 DDR5 ，助力分子動(dòng)力學(xué)⁶ 速度提升2倍

CP2K 是一款開源量子化學(xué)工具，適用于許多應(yīng)用，包括固態(tài)生物系統(tǒng)模擬。CP2K 能夠?yàn)椴煌慕７椒ㄌ峁┩ㄓ玫目蚣?。此次測(cè)試對(duì)象為水（H₂O）的密度泛函理論（DFT），模擬盒子中共包含 6,144 個(gè)原子（2,048 個(gè)水分子）。

該工作負(fù)載使用的軟件堆棧

·       H₂O-DFT-LS.NREP4 及 H₂O-DFT-LS

·       Alma 9 Linux kernel 5.14

測(cè)試設(shè)置

·       DDR4 系統(tǒng)搭配第三代64 核3.7 GHz AMD EPYC 處理器；DDR4 3200 MHz 系統(tǒng)²的 RDIMM 內(nèi)存槽插滿，共 64GB

·       DDR5 系統(tǒng)搭配第四代 96 核3.7 GHz AMD EPYC 處理器；DDR5 4800 MHz 系統(tǒng)³的 RDIMM 內(nèi)存槽插滿，共 64GB

測(cè)試結(jié)果
測(cè)試結(jié)果表明美光DDR5 產(chǎn)品組合將分子動(dòng)力學(xué)性能提高了2.1 倍。隨著內(nèi)核數(shù)和內(nèi)存帶寬增加，此類工作負(fù)載的性能也顯著提升。

總結(jié)

目前我們只針對(duì)少量高性能計(jì)算工作負(fù)載進(jìn)行了測(cè)試，因此以上只是我們的初步成果。將高性能高帶寬內(nèi)存與最新的服務(wù)器處理器（如第四代 AMD EPYC 處理器）相結(jié)合，可為高性能計(jì)算客戶創(chuàng)造新的可能。我們期待更多企業(yè)數(shù)據(jù)中心和云服務(wù)商，能夠在新平臺(tái)上應(yīng)用美光 DDR5 產(chǎn)品，解鎖更高的性能與能效。 

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¹ 我們?cè)?/span> STREAM 基準(zhǔn)測(cè)試中配置了 25 億個(gè)向量的STREAM Benchmark——運(yùn)行在一臺(tái)單 AMD CPU 系統(tǒng)上
² AMD DDR4 系統(tǒng)為一臺(tái) 64 核 AMD EPYC 7763 處理器， DDR4-3200 MHz 的RDIMM 內(nèi)存槽插滿，共 64GB
³ AMD DDR5 系統(tǒng)為一臺(tái) 96 核 AMD EPYC 9654 處理器， DDR5-4800 MHz 的RDIMM 內(nèi)存槽插滿，共 64GB
⁴  橫向分辨率為 12.5 公里CONUS 的 WRF 在 DDR4 系統(tǒng)上的運(yùn)行時(shí)間為 929 秒，在 DDR5 系統(tǒng)上的運(yùn)行時(shí)間為 287 秒（均包括存儲(chǔ)器的輸入/輸出時(shí)間）。該測(cè)試中 WRF 配置為 2.5 公里 CONUS，測(cè)試結(jié)果為 1.3567 時(shí)間步/ 秒， 相比之下DDR4 的運(yùn)行時(shí)間為2.8533時(shí)間步/秒。
⁵ 針對(duì) OpenFOAM，我們運(yùn)行了三種變體：
5a：1004040 runtimes，DDR4 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為 1,144 秒，DDR5 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為 478 秒
5b：1084646 runtimes，DDR4 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為 1,633 秒，DDR5 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為 698 秒
5c：1305252 runtimes，DDR4 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為 2,522秒，DDR5 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為 1,091 秒
⁶ 分子動(dòng)力學(xué)工作負(fù)載在 DDR4 系統(tǒng)上的運(yùn)行時(shí)間為 2,519 秒，在 DDR5 系統(tǒng)上的運(yùn)行時(shí)間為 1,242 秒

作者

 Krishna Yalamanchi

Krishna 擔(dān)任美光生態(tài)系統(tǒng)高級(jí)開發(fā)經(jīng)理，專注于研發(fā) DDR5 和 CXL 解決方案。他曾在英特爾 IT 部門任職，領(lǐng)導(dǎo) SAP HANA 的遷移工作，通過與SI、OEM和云服務(wù)提供商共同搭建的合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)，推出了用于SAP工作負(fù)載的第三代與第四代 Intel Xeon 處理器。

Sudharshan Vazhkudai

Sudharshan S. Vazhkudai 博士擔(dān)任美光系統(tǒng)架構(gòu)和工作負(fù)載分析總監(jiān)。他領(lǐng)導(dǎo)一支位于奧斯汀和印度海得拉巴的團(tuán)隊(duì)，致力于研究?jī)?nèi)存和存儲(chǔ)（DDR、CXL、HBM 和 NVME）產(chǎn)品中層次結(jié)構(gòu)的可組合性，并優(yōu)化與數(shù)據(jù)中心工作負(fù)載相關(guān)的系統(tǒng)架構(gòu)。