Mainframe-Prozessor: IBMs z14 mit 5,2 GHz und absurd viel Cache

IBM hat auf der Hot Chips 29 im kalifornischen Cupertino den z14-Chip näher erläutert. Der neue Prozessor wird in den gleichnamigen z14-Mainframe-Systemen des Herstellers verwendet. Zwar sind solche Cluster heutzutage seltener als etwa Cloud-Server, in der Finanzindustrie oder bei Flugbuchungen bilden sie aber den vorherrschenden Standard. Der z14 ist verglichen mit den meisten anderen Chips ein Gigant, was die Technik anbelangt.

Ein sogenannter Drawer besteht aus sechs CP- und einem SC-Chip. Der CP (Central Processor) ist die eigentliche CPU mit Rechenkernen samt Speichercontoller, der SC (System Controller) dient als Interconnect und Puffer-Stufe. Vier Drawer passen in einen wassergekühlten Mainframe, was in bis zu 196 (49 x 4) aktiven von 240 CPU-Kernen und bis zu 32 Terabyte DDR4-Arbeitsspeicher sowie 40 PCIe-Gen3-Anschlüssen resultiert.

Obgleich CP und SC einen anderen Ansatz verfolgen, messen sie enorme 696 mm² und bestehen aus 6,1 sowie 9,7 Milliarden Transistoren. Um das in Relation zu setzen: Intels 28-kerniger Skylake-SP (XCC) misst 602 mm² und Nvidias GV100 absurde 815 mm². Hergestellt werden die zwei z14-Chips im 14HP-SOI-Verfahren bei Globalfoundries, die Anzahl der Metal-Layer beläuft sich auf satte 17.

Der Central Processor weist zehn CPU-Kerne auf, die IBM mit sehr hohen 5,2 GHz taktet. Jeder davon hat 128 KByte L1I/L1D plus 2 MByte L2-Instruktionen- und 4 MByte L2-Daten-Cache, hinzu kommen 128 MByte L3-Cache bestehend aus Embedded-DRAM. Neu sind abseits größerer Puffer unter anderem eine verbesserte Pipeline, optimiertes 2-Wege-SMT (Simultaneous Multithreading) und neue Beschleuniger für Kompression sowie Verschlüsselung. Die Leistungsaufnahme pro Chip kann bis zu 500 Watt betragen.

Hinzu kommt der System Controller Chip, der sechs Prozessoren verschaltet und als Interconnect die Verbindung zu den drei anderen Drawern pro Mainframe herstellt. Er besteht weitestgehend aus Embedded-DRAM, konkret sind es gigantische 672 MByte pro SC. Insgesamt soll ein System eine um 10 Prozent höhere Singlethread aufweisen, eine um 25 Prozent gestiegene SMT-Leistung sowie ein Drittel mehr Kapazität verglichen mit dem z13-Vorgänger.

Wer mehr über die z14-Mainframes erfahren möchte, sollte sich den mit 522 Seiten recht umfangreichen Technical Guide (PDF) anschauen.