Exklusiv: Intel Xeon E7-4890 v2 im ersten Test

Intel-basierende Server in Rechenzentren sind zu einem großen Teil von der Xeon-E5-Serie belegt. Die CPUs für 2-Sockel-Rackeinschübe fokussieren auf hohe Leistung und Energieeffizienz bei "günstigen" Preisen - klassische "Mainstream"-Server. Die Xeon-E7-Serie ist oberhalb den E5-Modellen angesiedelt. Die E7-Modelle gibt es in Varianten für Server mit zwei (E7-2800), vier (E7-4800) oder acht Sockeln (E7-8800). Hier liegt der Fokus auf Skalierbarkeit, großen und ausbaufähigen Arbeitsspeicher und hohe Betriebssicherheit durch RAS-Features.

Seit April 2011 gibt es den Xeon E7. Jetzt schickt Intel mit dem Xeon E7 v2 einen Nachfolger ins Rennen. Die v2-Modelle gibt es wieder für Server mit zwei (E7-2800 v2), vier (E7-4800 v2) oder acht Sockeln (E7-8800 v2). Die Einsatzgebiete für die neuen Xeon-E7-v2-basierenden Server erstreckt sich auf alle Szenarien, wo hohe Performance, sehr viel Arbeitsspeicher und hohe Ausfallsicherheit gefragt sind: Business Intelligence, ERP, CRM, Big Data, Datenbanken und SAP Hana, Virtualisierung und High Performance Computing im Finanzwesen und aus Forschung und Technik.

Abgehängt: POWER7+ und SPARC T5-4

All das sind auch typische Einsatzgebiete der Konkurrenten wie IBMs POWER-Server oder Oracles SPARC-Systeme. Wie Intel angibt, liefert ein 4-Sockel-System mit Xeon E7-4890 v2 eine bis zu 1,8-fach höhere Performance (SPECint_rate_base2006) bei 74 Prozent geringeren Systemkosten im Vergleich zu einem POWER 750 Express von IBM mit vier POWER7+ (je 256 GByte RAM und zwei HDDs). Während Intel den Preis des eigenen Systems mit 46.500 US-Dollar angibt, wird der POWER 750 Express mit 177.290 US-Dollar beziffert.

Gegenüber einem Oracle-Server mit vier SPARC T5-4 liefern vier Xeon E7-4890 v2 Intels Angaben zufolge eine bis zu 1,28-fach höhere Rechenleistung (SPECint_rate_base2006). Beim Systempreis sollen sich bis zu 61 Prozent sparen lassen. Während Intel für den eigenen 4-Sockel-Server mit 1 TByte Arbeitsspeicher einen Preis von 57.729 US-Dollar angibt, wird eine vergleichbare Konfiguration von Oracle mit 147.992 US-Dollar aufgeführt.

Die Zahlen und Angaben beziehen sich allerdings rein auf die Systemkosten und Performance bei Ganzzahlenoperationen. Je nach Applikation und Infrastruktur kann es davon natürlich erhebliche Abweichungen geben.

Xeon E7 v2 Faktor 2 bis 3 schneller

Laut den Marktforschern von IDC sind rund 80 Prozent der Server mit vier oder mehr Prozessoren x86-basierend. In diesem Segment sind neben AMDs Opteron 6300 vor allem Systeme mit dem Xeon 7500 (Markteinführung 2010) und dem direkten Vorgänger Xeon E7-4800 (seit 2011 verfügbar) vertreten. Gegenüber einem 4S-Server mit Xeon-X7560-CPUs (Topmodell der Serie) liefern die neuen Xeon E7-4890 v2 zirka die dreifache Performance. Dem direkten Vorgänger Xeon E7-4870 enteilt der neue 15-Kern-Prozessor durchschnittlich mit doppelter Rechenleistung. AMDs Opteron muss den neuen Xeon in 4-Sockel-Servern ebenfalls deutlich ziehen lassen: Selbst optimierte Herstellerangaben (SPEC CPU2006) beziffern dem Xeon E7-4890 v2 die zweifache Leistung eines Opteron 6386 SE.

Energieeffizienz mehr als doppelt so hoch

Die reine Rechenleistung ist für IT-Verantwortliche nicht das alleinige Entscheidungsmerkmal bei oder für die Anschaffung neuer Systeme. Angesichts der Energiekosten und den Gegebenheiten im Rechenzentrum des Unternehmen ist die Energieeffizienz der Server viel relevanter, ob eine Erneuerung lohnt.

Im TecChannel-Testlabor punktet Intels neuer Xeon E7-4890 v2 in der 4-Sockel-Konfiguration mit einer 2,4-fachen Energieeffizienz gegenüber dem Vorgängersystem mit Xeon-E7-4870-CPUs. Im Vergleich zu dem vier Jahre alten 4S-Server mit Xeon-X7560-Prozessoren schafft das neue System sogar die 3,5-fache Performance pro Watt.

Mehr Arbeitsspeicher, mehr Sicherheit

Systeme mit vier Prozessoren werden sehr oft für Anwendungen eingesetzt, wo möglichst viel Arbeitsspeicher notwendig ist. Ein klassisches Beispiel ist ein Virtualisierungsszenario. Je mehr RAM zur Verfügung steht, desto mehr virtuelle Maschinen sind auf dem Server möglich. Intel ermöglicht beim Xeon E7 v2 mit seiner neuen Plattform "Brickland" die dreifache Menge an Arbeitsspeicher. Pro Sockel sind nun 24 statt 16 DIMMs möglich, ein Riegel kann dabei 64 statt maximal 32 GByte fassen. Damit erlaubt ein 4-Sockel-Server bis zu 6 TByte RAM; beim Vorgänger mit Xeon E7 sind maximal 2 TByte möglich.

Mehr Betriebssicherheit will Intel durch zusätzliche RAS-Features bei den neuen Xeon-E7-v2-Systemen ebenfalls bieten. Mit der "Machine Check Architecture" (MCA) sollen Fehler bei CPU, Speicher und I/O entdeckt und korrigiert werden. Defekte bei diesen Komponenten sollen den Betrieb des Servers nicht stören. Neben dem Abfangen von Defekten in Speicherchips in den DIMMs (DDDC+1) beherrscht der Xeon E7 v2 im Server zudem Memory Mirroring und eine dynamische Speichermigration (Hot Plug). Der Xeon E7 v2 bietet auch ein sogenanntes "Fine Grain Memory Mirroring". Damit wird nur ein Teil des Arbeitsspeichers gespiegelt, beispielsweise kritische Bereiche.

Intel fasst die RAS-Features der Xeon-E7-v2-Plattform unter der Bezeichnung Run Sure Technologie zusammen. Laut einer 2013 durchgeführten Untersuchung von ITIC bezüglich der Ausfallsicherheit von Servern, sollen Intels Xeon-E7-Systeme eine Verfügbarkeit von 99,9975 Prozent aufweisen. Die ungeplante Ausfallzeit liegt damit bei zirka 13 Minuten pro Jahr. IBMs POWER-Systeme liefern mit 99,9978 Prozent Verfügbarkeit respektive 12 Minuten Downtime pro Jahr kaum bessere Werte.

Fazit: Neuer Xeon E7 v2 mit Leistungssprung

Intel spielt mit dem neuen Xeon E7 v2 im Segment der 4-Sockel-Server in einer eigenen Liga, was die Performance betrifft. Doppelt so schnell wie der Vorgänger, dreimal flinker als die Xeon-7500-Generation aus dem Jahr 2011. AMDs Opteron 6300 kann mit dem Leistungsvermögen eines 15-kernigen Xeon E7-4890 v2 genauso wenig mithalten.

Die Steigerung in der Energieeffizienz ist nicht weniger beeindruckend: 2,4-mal besser als das Vorgängersystem mit Xeon E7-4870 und sogar 3,5-fach mehr Performance pro Watt gegenüber einem Xeon-X7560-Server.

Doch nicht nur das x86-Segment der 4-Sockel-Server hat der neue Xeon E7 v2 deutlich im Griff, auch den RISC-Alternativen gehen zunehmend die Argumente aus. Die Ausfallsicherheit und die RAS-Features liegen bei den neuen Xeons auf dem Niveau von POWER- und SPARC-Systemen. Auch in der Performance gibt es keine Abstriche, im Gegenteil; vom Preisvorteil der Xeon-Systeme ganz zu schweigen. Welche Systeme zum Einsatz kommen, werden aber meist durch die zu verwendende Software und vorhandene Infrastruktur bestimmt.

Für Insider: Details und Analyse

Auf den folgenden Seiten finden Sie die Details und Features zu Intels neuer CPU-Serie Xeon E7-4800 v2. Außerdem analysieren wir die Performance und Energieeffizienz der neuen CPUs. Für den Test stand uns das neue Topmodell Xeon E7-4890 v2 mit 15-Core-Technologie zur Verfügung. Als Vergleich dienen die vorherigen Generationen Xeon E7-4870 und X7560. Außerdem nehmen wir Intels Xeon E5-2697 v2 sowie AMDs Opteron 6300 in den Vergleich mit auf.

Xeon E7 v2 mit Ivy-Bridge-Architektur

Intel setzt beim Xeon E7 v2 die sogenannte Ivy-Bridge-Architektur ein. Damit wechselt der Hersteller bei den E7-Modellen von 32 nm Strukturbreite (Westmere-Architktur) auf 22-nm-Transisotoren. Die neue Xeon-E7-v2-Serie gibt es in Konfiguration von sechs bis 15 Kernen - bei den Vorgängern ist bei zehn Cores Schluss. Zusätzliche beherrschen die Prozessoren die Hyper-Threading-Technologie, so dass ein Xeon mit 15 Kernen insgesamt 30 Threads gleichzeitig bearbeiten kann. Alle Cores packt Intel wieder auf ein einziges Siliziumplättchen.

Je nach Kernanzahl gibt es einen gemeinsam von allen Cores nutzbaren L3-Cache mit einer Größe von 12 (6-Core) bis 37,5 MByte (15-Core). Damit stockt Intel die dritte Pufferstufe von maximal 30 MByte beim Xeon E7-4870 nochmals deutlich auf. Die große dritte Pufferstufe ist insbesondere bei speicherintensiven Workloads von Vorteil. Die Größen der ersten beiden Cache-Stufen sind bei der Ivy-Bridge-Architektur des Xeon E7 v2 unverändert gegenüber den Westmere-Vorgängern. Jedem Kern steht somit 64 KByte L1-Cache, aufgesplittet in je 32 KByte für Daten und Befehle, sowie ein 256 KByte fassender L2-Cache zur Verfügung.

Bei den Core-Erweiterungen von Ivy Bridge ist vor allem der AVX-Befehlssatz zu erwähnen - auf diesen müssen die Vorgänger der E7-Serie noch verzichten. Außerdem verfügen die Xeon E7 v2 über zwei zusätzliche Security-Features: So gibt es den Digital Random Number Generator und die Supervisory Mode Execcution Protection. SMEP soll helfen, Escalation of Privilege (EoP) Sicherheitsattacken zu verhindern. Zu weiteren ISA-Erweiterungen zählen Verbesserungen wie REP MOVSB/STOSB sowie ein schnellerer Zugriff auf die FS- und GS-Base-Register. Außerdem beherrscht Ivy Bridge einen Befehl für Float16 Format Conversion. Unverändert gibt es weiter Support für SSE 4.2 sowie AES.

Neue Socket-R1-Plattform mit schnellerem Speicher

Mit dem Xeon E7 v2 geht auch die neue Plattform "Brickland" an den Start. Die neuen Xeons mit der Bezeichnung E7-2800/4800/8800 v2 nehmen im neuen Sockel R1 Platz - die Boxboro-Plattform der bisherigen Xeon E7 mit dem Sockel LGA1567 geht in Rente. Die neue Brickland-Plattform dürfte dann wieder eine bei den Mehrwege-Xeons übliche Lebensdauer von rund drei Jahren haben.

Intel stattet den Xeon E7 v2 mit drei QuickPath-Interfaces aus. Damit lassen sich bis zu acht Xeon-E7-8800 direkt und ohne zusätzliche Switch-Chips miteinander verbinden. Die QuickPath-Schnittstellen arbeiten pro Link mit einer Bandbreite von 6,4, 7,2 oder 8,0 GT/s (modellabhängig). Damit erhöht Intel die Bandbreite von vormals maximal 6,4 GT/s. Im Prozessor sind die QPI-Links über einen Crossbar-Router verbunden.

Als Chipsatz für die Xeon-E7-v2-Plattform steht der neue Intel C602J parat. Der Chipsatz ist ein I/O-Hub und ist nur noch als Brücke zwischen den QPI-Links der CPUs und den I/O-Schnittstellen zu sehen. Der Xeon E7 v2 verfügt bereits selbst über 32 PCI-Express-3.0-Lanes (pro Sockel).

Jeder Xeon E7 v2 besitzt - wie bereits der Vorgänger - zwei integrierte Speicher-Controller. Jeder Controller verfügt über zwei sogenannte "Scalable Memory Interfaces" SMI der Generation 2. Dabei handelt es sich um serielle Highspeed-Links. Die insgesamt vier SMI-Links eines Xeon E7 v2 steuern jeweils einen eigenen "Scalable Memory Interconnect with Buffers" SMB an. Jeder SMB mit Codename "Jordan Creek 1" kann im Dual-Channel-Mode bis zu sechs Registered DDR3-DIMMs mit maximal 1600 MHz ansprechen. Das Memory-Subsystem eines Xeon E7 v2 ermöglicht somit 24 DIMMs via acht Channels ansteuern. Beim Vorgänger sind nur 16 DIMMs pro Sockel möglich. Auch darf beim Xeon E7 v2 ein Speicherriegel nun bis zu 64 GByte statt nur 32 GByte Kapazität besitzen. Pro CPU sind 1,5 TByte Arbeitsspeicher möglich - eine Verdreifachung gegenüber dem Xeon E7.

Neu beim SMI2 sind zwei Betriebsmodi. Im sogenannten "Lock-step Mode" arbeitet der SMI2 1:1 mit der Taktfrequenz der DRAMs. Dabei sind Geschwindigkeiten von 1600 MT/s pro SMI2-Link möglich. In diesem Lock-step-Modus, den auch schon der Xeon E7 in der Boxboro-Plattform nutzt, ist das RAS-Feature DDDC möglich. Bei dieser "Double Device Data Correction" können zwei defekte Speicherchips auf einem DIMM ohne Betriebsstörung abgefangen werden. Neu ist dagegen der sogenannte "Performance Mode". In diesem Modus arbeiten die beiden Channels eines SMB unabhängig voneinander mit einem Taktfrequenzverhältnis von 2:1 zwischen dem SMI2 und den DRAMs. Jetzt sind Geschwindigkeiten von bis zu 2667 MT/s pro SMI2-Link möglich.

Mit Turbo 2.0 können die Xeon-E7-v2-CPUs einzelne oder alle Kerne mit höherer Taktfrequenz betreiben, solange die spezifizierten TDP-Werte eingehalten werden. Für kurze Zeit kann der TDP-Wert kontrolliert vom Prozessor auch überschritten werden. Die Zeitspanne hängt von den thermischen Bedingungen und dem Energiebedarf des Workloads ab, sie kann typischerweise zehn bis 30 Sekunden dauern. Ein Xeon E7-4890 v2 mit 155 Watt TDP und 2,8 GHz Grundtaktfrequenz kann einen einzelnen Kern mit bis zu 3,4 GHz arbeiten lassen. Sind alle Kerne aktiv, so erlaubt Turbo 2.0 Taktfrequenzen von bis zu 3,2 GHz.

CPU-Modellüberblick: Alle Xeon E7 v2

Intel bietet seine neue Xeon-E7-4800-v2-Serie zum Start mit acht Modellen an. Den Einstieg markiert der Xeon E7-4809 v2 mit Hexa-Core und 1,9 GHz Taktfrequenz. Der Prozessor besitzt einen 12 MByte großen L3-Cache und ist mit 105 Watt TDP spezifiziert. Als Topmodell fungiert der neue Xeon E7-4890 v2. Der Prozessor besitzt 15 Kerne und kann auf 37,5 MByte L3-Cache zurückgreifen. Die Grundtaktfrequenz hat Intel auf 2,8 GHz eingestellt. Via Turbo 2.0 dürfen einzelne Cores mit bis zu 3,4 GHz arbeiten. Der TDP-Wert des Xeon E7-4890 v2 ist mit 155 Watt spezifiziert.

Die für 8-Sockel-Systeme vorgesehenen Xeon E7-8800 v2 gibt es ebenfalls in acht verschiedenen Modellen von sechs bis 15 Kernen. Bei der für 2-Sockel-Server optimierten Serie Xeon E7-2800 v2 bietet Intel nur 12- und 15-Kern-Varianten an.

In der Tabelle finden Sie alle Xeon-E7-v2-Prozessoren für Server im Überblick:

Analyse: Rechenleistung

Der 15-Core-Prozessor Xeon E5-4890 v2 mit 2,8 GHz Basistaktung arbeitet bei Auslastung aller Kerne via Turbo 2.0 kurzfristig mit bis zu 3,2 GHz - solange der Workload im TDP-Rahmen bleibt. Damit rechnet der Xeon E7-4890 v2 bei einem Integer-Workload wie der RSA-Verschlüsselung mit openSSL, der überwiegend im Cache der Prozessoren gehalten wird, rund 2,1 bis 2,3 mal schneller als der Vorgänger Xeon E7-4870 mit 10 Cores und 2,4 GHz Grundtaktfrequenz. Die gut doppelt so hohe Performance setzt sich aus der höheren Kernanzahl, schnelleren Taktfrequenz und den Architekturverbesserungen zusammen.

Bei ebenfalls in den Cache passenden Floating-Point-Workloads ohne SSE/AVX-Optimierung wie CINEBENCH R15 ziehen die vier Xeon E7-4890 v2 mit insgesamt 120 Threads dem Xeon-E7-4870-Quartett (80 Threads) ebenfalls um den Faktor 2,1 davon.

Szenarien mit hohem Speicherbedarf

Beim Java-Workload von SPECpower, wo multiple JVMs parallel arbeiten und bereits verstärkt Arbeitsspeicher benötigt wird, sind die vier Xeon E7-4890 v2 mit 3.819.726 ssj_ops 87 Prozent schneller als die Vorgängermodelle Xeon E7-4870. Beim Xeon-E7-v2-System arbeitet der Speicher im schnellen "Performance Mode" und agiert wie DDR3-2667. Im sogenannten "Lock-step Mode" mit 1600 MT/s ist das Xeon E7-4890-v2-Quartett immer noch 68 Prozent schneller.

Die Leistungsfähigkeit der Prozessoren bei sehr speicherintensiven Workloads zeigt die Benchmark-Suite SPEC CPU2006. Hier holen die Hersteller durch entsprechende Compiler-Settings das maximale Leistungsvermögen aus ihren Systemen heraus. Bei SPECint_rate_2006 wird die Leistung der Prozessoren bei Ganzzahlenberechnungen ermittelt. Vier Intel Xeon E7-4890 v2 sind hier 97 Prozent schneller als vier Xeon E7-4870. Gegenüber vier Xeon X7560 ziehen die neuen CPUs sogar um den Faktor 2,7 davon. Auch AMDs Opteron 6386 SE sieht hier kein Land: Das Intel-Quartett ist um den Faktor 1,9 schneller

Ähnlich sieht es bei den noch speicherintensiveren Fließkommaberechnungen über SPECfp_rate_2006 aus. Vier Xeon E7-4890 v2 ziehen ihren 4870er Vorgänger um den Faktor 2,2 davon. Die noch älteren Xeon X7560 werden um das 2,8-fache abgehängt.

Analyse: Energieeffizienz

Die Energieeffizienz der Server-Plattformen überprüfen wir mit der Benchmark-Suite SPECpower_ssj2008 unter Windows Server 2012 R2. Der Test verwendet parallel laufende Java-Workloads mit aufwendigem XML-Processing. Der Benchmark gibt die gemittelte Performance pro Watt an, die über alle Lastzustände von 10 bis 100 Prozent gemessenen wird.

Betrachten wir zuerst den Energiebedarf im Leerlauf. Hier benötigen die vier Xeon E7-4890 v2 mit der Brickland-Plattform 266 Watt. Die Vorgänger-Plattform "Boxboro" mit vier Xeon E7-4870 genehmigt sich noch 547 Watt. Der Boxboro-Server verfügt allerdings über vier Netzteile, die redundant ausgelegt sind. Beim neuen Brickland-Server sind zwei Netzteile verbaut. Ein Netzteil macht im Leerlauf und unter Last rund zusätzlich 35 Watt aus. Zieht man diese zwei Netzteile ab, so zeigt sich der neue Xeon-E7-v2-Server immer noch 211 Watt sparsamer.

Unter Volllast, wenn alle Kerne der CPUs sowie die DIMMs beansprucht werden, fordern die 155 Watt TDP und der Performance Mode der Speicher-Controller ihren Tribut: Das Xeon-E7-4890-v2-Quartett benötigt mit dem Brickland-Server 1100 Watt. Die mit 130 Watt TDP spezifizierten Xeon E7-4870 sind zusammen mit ihrem DDR3-1066-Speicher mit 1021 Watt in der Boxboro-Plattform sogar etwas genügsamer. Selbst die noch älteren Xeon X7560 (TDP 130 Watt), die ebenfalls im Boxboro-Server laufen, liegen mit 1138 Watt auf einem ähnlichen Niveau wie die neuen Xeons.

Werden die Energiewerte mit der Performance verknüpft, so ergibt sich über alle Lastzustände von 0 bis 100 Prozent die Energieeffizienz des Systems. Hier liefern die getesteten neuen Xeon-E7-4890-v2-Prozessoren sehr gute Werte zusammen mit ihrer Brickland-Plattform. Bei einem SPECpower-Wert von 3151 ssj_ops/watt ist der Xeon-E7-v2-Server 2,4-fach effizienter als das Xeon-E7-4870-System. Im Vergleich zum 2011 eingeführten Xeon X7560 bietet das neue System sogar die 3,5-fache Effizienz.

Testsysteme im Detail

Die vier Xeon E7-4890 v2 nehmen in einem 4-Sockel-Server Intel DSP S4TR1SY2B Platz. Das 4U-System ist mit 32 Speicherriegel vom Typ Samsung M393B1K70DH0-YK0 1309 bestückt. Somit stehen jeder CPU acht DIMMs zur Verfügung. Der Server ist mit zwei 1200-Watt-Netzteilen bestückt.

Für den Test des Xeon X7560 und Xeon E7-4870 dient uns der 4-Sockel-Server QSSC-S4R, den Intel hat zusammen mit Quanta Computer entwickelt hat. Das 4U-System für vier Prozessoren verfügt über 64 DIMM-Slots. Die Registered DDR3-1066-Speicherriegel nehmen in acht Hot-Swap-fähigen Riser-Karten Platz. Zum Einsatz kommen 32 4-GByte-Stromsparmodule vom Typ Samsung M393B5273CH0. Der QSSC-S4R besitzt vier 850-Watt-Netzteile.

Intels Xeon E5-2697 v2 nimmt im 2-Sockel-Server Intel R2208GZ4GSSPP Platz. Der 2U-Rackmount-Server verwendet als Systemboard Intels S2600GZ "Grizzly Pass" mit C600-Chipsatz. Jedem Prozessor stehen vier Registered DDR3-1866-DIMMs zur Verfügung. Im Xeon-E5-System sind zwei 750-Watt-Netzteile verbaut.

AMDs Opteron 6380 testen wir im 2-Sockel-Betrieb in dem 1U-Rackserver Supermicro A+ 1022G-URF. Das System setzt auf AMDs SR5670-Chipsatz. Jedem Prozessor stehen vier Registered DDR3-1600-DIMMs zur Verfügung. Der Server nutzt zwei 750-Watt-Netzteile.

Als Betriebssystem setzen wir Windows Server 2008 R2 und Windows Server 2012 R2 ein. Tests unter Linux erfolgen mit CentOS 6.4 in der 64-Bit-Version. (cvi)