بررسی کامل تکنولوژی‌های ارتباطی UPI و QPI در پردازنده‌های اینتل

در دنیای پردازنده‌های سرور و سیستم‌های محاسباتی پیشرفته، سرعت و کیفیت ارتباط بین بخش‌های مختلف سیستم اهمیت فوق‌العاده‌ای دارد. یکی از مهم‌ترین بخش‌ها، ارتباط پردازنده‌ها با یکدیگر و با دیگر اجزای سیستم است. این موضوع به ویژه در سرورهای چندپردازنده‌ای یا سیستم‌هایی که نیاز به پردازش‌های سنگین و همزمان دارند، اهمیت دوچندان پیدا می‌کند. اینتل طی سال‌ها برای بهبود این ارتباطات، فناوری‌های مختلفی را توسعه داده که دو نمونه شاخص آن QPI (QuickPath Interconnect) و UPI (Ultra Path Interconnect) هستند. این دو فناوری عملاً شاهراه ارتباطی بین پردازنده‌ها و سایر اجزای مهم سیستم محسوب می‌شوند.

در این مقاله، به صورت کامل به معرفی و بررسی این دو فناوری می‌پردازیم، تفاوت‌های آن‌ها را تحلیل می‌کنیم، مزایا و محدودیت‌ها را توضیح می‌دهیم و بررسی می‌کنیم که در چه نسل‌هایی از پردازنده‌های اینتل مورد استفاده قرار گرفته‌اند. همچنین در خلال بحث، به اهمیت این فناوری‌ها در هنگام خرید CPU سرور اشاره خواهیم کرد تا کاربران بتوانند انتخاب بهتری داشته باشند.

اهمیت ارتباطات بین پردازنده‌ای

در یک سرور یا سیستم پیشرفته، پردازنده تنها به پردازش داده‌ها نمی‌پردازد؛ بلکه باید بتواند به حافظه سیستم، کارت‌های توسعه، و حتی پردازنده‌های دیگر دسترسی پیدا کند. این دسترسی‌ها نیازمند یک مسیر ارتباطی سریع و با پهنای باند بالا است. در گذشته، مسیر ارتباطی بین پردازنده‌ها و اجزای دیگر از طریق FSB یا Front Side Bus انجام می‌شد. این فناوری محدودیت‌هایی در سرعت و پهنای باند داشت که باعث ایجاد گلوگاه در سیستم می‌شد.

با رشد نیازها و توسعه سرورهایی که بیش از یک پردازنده داشتند، این محدودیت‌ها بیشتر نمایان شد. اینتل برای رفع این مشکل، QPI را معرفی کرد که یک گذرگاه نقطه به نقطه با پهنای باند بالا بود. این گذرگاه توانست نیازهای سیستم‌های چندپردازنده‌ای را به خوبی برطرف کند و جایگزین FSB شود.

آشنایی با فناوری QPI

QPI که مخفف QuickPath Interconnect است، در سال ۲۰۰۸ به همراه پردازنده‌های Nehalem معرفی شد. این فناوری یک گذرگاه ارتباطی نقطه به نقطه (Point-to-Point) است که امکان ارتباط سریع بین پردازنده‌ها و بین پردازنده و چیپ‌ست را فراهم می‌کند.

ویژگی‌های اصلی QPI:

• پهنای باند بالا: بسته به نسخه، QPI می‌تواند تا 25.6 گیگابایت بر ثانیه پهنای باند فراهم کند.
• کاهش تأخیر: به دلیل ساختار نقطه به نقطه، تأخیر ارتباطی نسبت به FSB بسیار کمتر است.
• پشتیبانی از چند پردازنده: در سرورهای دو یا چهار پردازنده‌ای، QPI نقش حیاتی در هماهنگ‌سازی و تبادل داده‌ها دارد.
• پروتکل لایه‌ای: QPI شامل لایه‌های فیزیکی، پیوند، و پروتکل است که مدیریت ارتباطات را به صورت بهینه انجام می‌دهد.

QPI اولین گام جدی اینتل برای ورود به دنیای ارتباطات پرسرعت بین پردازنده‌ای بود و در بسیاری از سرورهای سری Xeon نسل‌های ابتدایی تا میانی استفاده شد.

ورود فناوری UPI

با پیشرفت نیازها و افزایش هسته‌های پردازنده، اینتل فناوری UPI یا Ultra Path Interconnect را معرفی کرد. این فناوری از سال ۲۰۱۷ و با پردازنده‌های Xeon Scalable نسل اول (Skylake-SP) وارد بازار شد و جایگزین QPI در سرورهای رده‌بالا گردید.

تفاوت‌های کلیدی UPI نسبت به QPI:

• پهنای باند بیشتر: UPI در نسخه‌های اولیه تا 10.4 GT/s سرعت داشت و در نسخه‌های جدید به 20 GT/s رسیده است.
• بهینه‌سازی مصرف انرژی: UPI نسبت به QPI کارایی انرژی بهتری دارد، به ویژه در بارهای کاری سبک‌تر.
• هماهنگی بهتر با معماری Mesh: معماری Mesh اینتل در پردازنده‌های Xeon Scalable، نیازمند یک فناوری ارتباطی بود که بتواند با تعداد زیادی هسته و مسیر ارتباطی کار کند و UPI دقیقاً برای همین هدف طراحی شد.
• پایداری بیشتر در سیستم‌های چندپردازنده‌ای: به دلیل بهینه‌سازی پروتکل‌ها و مدیریت ترافیک، UPI نسبت به QPI در پایداری و کاهش تداخل عملکرد بهتری دارد.

ساختار و نحوه عملکرد QPI و UPI

هر دو فناوری QPI و UPI از یک ساختار کلی مشابه بهره می‌برند: مسیرهای ارتباطی دوبلکس کامل (Full Duplex) که اجازه می‌دهند داده‌ها همزمان در دو جهت حرکت کنند. این مسیرها شامل خطوط انتقال داده (Data Lanes) و خطوط کنترل (Control Lanes) هستند.

در QPI، بسته‌ها به صورت واحدهای فریم (Flit) انتقال پیدا می‌کنند که شامل داده و بیت‌های کنترلی هستند. UPI نیز از ساختار مشابهی استفاده می‌کند، اما اندازه و نحوه کدگذاری بسته‌ها را بهینه کرده است تا کارایی بهتری ارائه دهد.

UPI همچنین با استفاده از مکانیزم‌های پیشرفته‌تر مدیریت خطا، قابلیت اطمینان بالاتری ارائه می‌کند. به عنوان مثال، امکان تصحیح خطا در سطح لینک (Link-Level ECC) باعث می‌شود که داده‌ها بدون خطا به مقصد برسند.

اهمیت این فناوری‌ها در سرورهای چندپردازنده‌ای

در سرورهایی که دو یا چند پردازنده نصب می‌شود، هر پردازنده بخشی از حافظه را به خود اختصاص می‌دهد (NUMA Architecture). برای دسترسی پردازنده A به حافظه پردازنده B، باید از یک مسیر ارتباطی پرسرعت استفاده شود. QPI و UPI دقیقاً همین نقش را ایفا می‌کنند.

به عنوان مثال، در یک سرور HPE ProLiant DL380 Gen10 که از دو پردازنده Xeon Scalable استفاده می‌کند، ارتباط بین پردازنده‌ها از طریق لینک‌های UPI انجام می‌شود. این لینک‌ها باید سریع و پایدار باشند تا پردازش‌های سنگین مانند مجازی‌سازی یا پایگاه داده به خوبی انجام شوند.

تعداد لینک‌های ارتباطی و تأثیر آن بر عملکرد

یکی از نکات کلیدی در QPI و UPI، تعداد لینک‌های ارتباطی (Links) است که بین پردازنده‌ها وجود دارد. هر لینک می‌تواند مقدار مشخصی پهنای باند فراهم کند. در نسل‌های قدیمی‌تر QPI، معمولاً دو لینک برای پردازنده‌های رده‌بالا وجود داشت، اما در مدل‌های اقتصادی‌تر فقط یک لینک فعال بود. این موضوع بر سرعت تبادل داده بین پردازنده‌ها تأثیر می‌گذاشت.

در UPI، تعداد لینک‌ها بسته به مدل پردازنده و نسل آن متفاوت است. به عنوان مثال:

• برخی پردازنده‌های Xeon Scalable Gold و Platinum دارای سه لینک UPI هستند.
• مدل‌های پایین‌تر مثل Bronze یا Silver ممکن است یک یا دو لینک فعال داشته باشند.

این تفاوت باعث می‌شود که هنگام خرید CPU سرور باید به تعداد لینک‌های UPI توجه ویژه‌ای داشت، زیرا تأثیر مستقیمی بر عملکرد کلی سیستم در محیط‌های چندپردازنده‌ای دارد.

مقایسه سرعت‌ها در نسل‌های مختلف

سرعت QPI و UPI بر اساس معیار GT/s (Giga Transfers per second) اندازه‌گیری می‌شود. این مقدار نشان می‌دهد که در هر ثانیه چند میلیارد انتقال داده در مسیر ارتباطی انجام می‌شود.

QPI:

• نسخه اولیه: 4.8 GT/s
• نسخه‌های پیشرفته‌تر: 6.4، 8.0، و 9.6 GT/s

UPI:

• نسل Skylake-SP: سرعت 10.4 GT/s
• نسل Cascade Lake-SP: سرعت 10.4 یا 11.2 GT/s
• نسل Ice Lake-SP: سرعت 11.2 GT/s
• نسل Sapphire Rapids: سرعت 16 GT/s و در برخی مدل‌ها تا 20 GT/s

افزایش این سرعت‌ها باعث می‌شود که حجم بیشتری از داده در زمان کمتر بین پردازنده‌ها رد و بدل شود، که برای کاربردهای دیتاسنتری و محاسبات علمی بسیار مهم است.

تفاوت‌های فنی QPI و UPI به زبان ساده

اگر بخواهیم این تفاوت‌ها را ساده کنیم، می‌توانیم بگوییم:

1. UPI نسل تکامل‌یافته QPI است با سرعت بالاتر و کارایی انرژی بهتر.
2. مدیریت داده در UPI بهینه‌تر است به طوری که تأخیر کمتری ایجاد می‌کند.
3. UPI هماهنگ با معماری Mesh طراحی شده اما QPI بیشتر با معماری Ring سازگار بود.
4. پشتیبانی نرم‌افزاری و سخت‌افزاری جدیدتر در UPI وجود دارد که QPI ندارد.

نقش این فناوری‌ها در بهبود کارایی سرورها

در سناریوهایی مثل:

• اجرای ماشین‌های مجازی متعدد
• پردازش‌های بیگ‌دیتا
• اجرای پایگاه داده‌های عظیم مانند Oracle یا SQL Server
• شبیه‌سازی‌های علمی و صنعتی

سرعت ارتباط بین پردازنده‌ها حیاتی است. اگر مسیر ارتباطی کند یا پر از تداخل باشد، حتی پردازنده‌های قدرتمند هم نمی‌توانند تمام توان خود را نشان دهند. QPI و UPI این مشکل را برطرف کرده‌اند و به ویژه UPI با افزایش تعداد لینک‌ها و سرعت بالاتر، امکان اجرای نرم‌افزارهای سنگین را بدون ایجاد گلوگاه فراهم کرده است.

نکات مهم در هنگام خرید CPU سرور با توجه به UPI/QPI

وقتی قصد خرید CPU سرور دارید، باید به چند نکته کلیدی توجه کنید:

1. نسل پردازنده: پردازنده‌های جدیدتر UPI سریع‌تر و بهینه‌تری دارند.
2. تعداد لینک‌ها: تعداد بیشتر لینک‌ها برای سرورهای چندپردازنده‌ای بهتر است.
3. سازگاری مادربرد: مطمئن شوید مادربرد سرور با نسخه UPI یا QPI پردازنده سازگار باشد.
4. پهنای باند حافظه: ارتباط سریع بین پردازنده‌ها باید با حافظه پرسرعت ترکیب شود.
5. مصرف انرژی: سرعت بالاتر UPI گاهی مصرف برق بیشتری دارد، اما در نسل‌های جدید بهینه‌سازی شده است.

سرورهایی که از QPI و UPI بهره می‌برند

• QPI: بیشتر در سرورهای قدیمی‌تر مانند HPE ProLiant DL380 Gen7/Gen8 و سری‌های Dell PowerEdge R710/R720 استفاده شده است.
• UPI: در سرورهای جدید مانند HPE ProLiant DL380 Gen10/Gen11، DL560 Gen10 و Dell PowerEdge R750، R650، و حتی سرورهای سوپرمیکرو به کار می‌رود.

این تغییر فناوری نشان می‌دهد که شرکت‌ها برای بهبود عملکرد سیستم‌هایشان به سمت UPI حرکت کرده‌اند.

آینده UPI و جایگزین‌های احتمالی

اینتل همواره در حال توسعه فناوری‌های جدید ارتباطی است. شایعاتی وجود دارد که در نسل‌های آینده، احتمال جایگزینی UPI با فناوری‌های سریع‌تر مبتنی بر CXL (Compute Express Link) وجود دارد. این فناوری‌ها می‌توانند پهنای باند بالاتر، تأخیر کمتر و انعطاف‌پذیری بیشتری نسبت به UPI ارائه دهند.

با این حال، در حال حاضر UPI همچنان استاندارد اصلی ارتباط بین پردازنده‌ها در سرورهای اینتل است و انتظار می‌رود حداقل تا چند نسل دیگر مورد استفاده قرار گیرد.

نتیجه‌گیری

فناوری‌های QPI و UPI ستون فقرات ارتباطات بین پردازنده‌ای در سرورهای اینتل هستند. QPI با جایگزینی FSB تحولی بزرگ ایجاد کرد و UPI این تحول را تکمیل و بهینه‌تر کرد. انتخاب پردازنده با تعداد لینک‌های مناسب و سرعت بالاتر UPI می‌تواند تفاوت چشمگیری در کارایی یک سرور چندپردازنده‌ای ایجاد کند.

در هنگام خرید CPU سرور، آگاهی از نسخه و سرعت UPI یا QPI، تعداد لینک‌ها، و سازگاری آن با معماری مادربرد، می‌تواند تضمین‌کننده عملکرد پایدار و قدرتمند سیستم شما باشد. با توجه به روند رشد نیازهای محاسباتی، این فناوری‌ها همچنان نقش کلیدی در دنیای دیتاسنترها و محاسبات ابری خواهند داشت.

دانلود PDF