Opteron

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O microprocessador Opteron da AMD, lançado em 21 de abril de 2003, foi o primeiro a implementar a arquitetura AMD64 (também conhecida como x86-64). Com núcleo Sledgehammer (K8), destinava-se a competir nos mercados de servidores e estações de trabalho, particularmente no mesmo segmento do processador Intel Xeon.

A arquitetura de 64 bits já existia para servidores (Itanium, UltraSparc) e para estações de trabalho de alto desempenho (PowerPC), mas o Opteron (assim como o Athlon 64) permite que sistemas operacionais de 64 bits executem aplicações legadas de 32 bits (arquitetura x86 ou IA32) sem recompilação.

É indicado para servidores de rede e estações de trabalho de alto desempenho. Tem sido utilizado tambem em clusters [B1]. Para computadores de mesa (desktops), a AMD recomenda o uso do Athlon 64 ou Sempron.

Em 21 de abril de 2005 foi lançada a primeira versão com núcleo duplo (dual core). Na época a AMD usava o termo multi-core, mas na prática era dual-core. Cada chip física Opteron continha dois núcleos de processador. Isso efetivamente duplicou a performance de computação disponíveis para cada soquete de processador das placas mãe.

Existem duas diferenças principais entre o Opteron e os demais processadores da AMD.

• Primeiro, vários modelos do Opteron permitem o multiprocessamento simétrico (SMP), ou seja, permitem trabalhar com mais de um processador na placa-mãe, enquanto que os outros processadores não.
• Segundo, os processadores Opteron são identificados através de um “número de modelo” e o primeiro dígito deste número indica qual é o grau de processamento simétrico que o processador aceita: os modelos do Opteron começando com “1” não permitem multiprocessamento simétrico, enquanto que os modelos começando com “2” permitem multiprocessamento simétrico com até 2 processadores (você pode instalar até dois processadores na mesma placa-mãe) e os modelos começando com “8” permitem multiprocessamento simétrico com até 8 processadores (você pode instalar até oito processadores na mesma placa-mãe).

• O processador Opteron combina duas capacidades importantes em um único processador: execução nativa do legado de 86 aplicações de 32 bits e execução nativa de 86-64 bits de aplicativos.
• Possui 16 registradores de propósito geral (GPR) de 64 bits, 16 registradores de 128 bits para operações multimídia (XMM) - streaming SIMD: SSE, SSE2 e SSE3 - e 8 registradores para operações de ponto flutuante de 80 bits, os quais também podem ser configurados para operações de 64 bits MMX e 3DNow!.
• Controladora de memória integrada, com capacidade para endereçar até um TiB de memória física e 256 TiB de memória virtual, com proteção por ECC e possibilidade de configuração em duplo canal (dual channel) para transferência em 128 bits.
• Tecnologia EVP.
• Cache de primeiro nível (L1), por núcleo, associativo em dois conjuntos (2-way): 64 KiB para instruções, proteção por paridade; 64 KiB para dados, proteção por ECC.
• Cache de segundo nível (L2), por núcleo, associativo em 16 conjuntos (16-way) com 1 MiB, protegido por ECC.
• Cache de terceiro nível (L3) com 2 MB de memória.
• Pipeline de 12 estágios para inteiros e 17 estágios para operações de ponto flutuante. Três unidades de inteiros (ALU), três unidades para geração de endereços (AGU) e três unidades de ponto flutuante.
• Tecnologia de interconexão HyperTransporte (800 MHz ou 1 GHz): três conexões, cada uma com dois canais (um em cada sentido) de 16 bits, taxa de transferência de 4 GiB/s em cada canal. Cada conexão pode ser usada para ligação a outro processador ou a dispositivos de entrada e saída. O Opteron pode ser utilizado em configuração de multiprocessamento (de dois até oito processadores). Neste caso, as conexões HyperTransport utilizadas para ligar os processadores são ditas coerentes. Utiliza-se um barramento HyperTransport nos modelos da série 1, dois barramentos nos modelos de série 2 e três barramentos nos modelos da série 8.
• Tecnologia de virtualização AMD-V nos modelos de quatro dígitos.
• Existem modelos de núcleo simples (single core) e núcleo duplo (dual core). A AMD pretende lançar um modelo de núcleo quádruplo (quad core) no segundo semestre de 2007.
• Os modelos com 3 dígitos trabalham com memórias DDR, e os modelos com 4 dígitos trabalham com memória DDR2.

A controladora de memória integrada (IMC) do Opteron (presente também no Athlon 64 e no Sempron) não é uma exclusividade da AMD. A IBM com seus processadores PowerPC e a Sun com a família UltraSPARC também possuem IMC.

Duas características são tecnicamente relevantes na IMC (v. [A3],[A4]): (i) a baixa latência para acessar os dados na memória e (ii) a configuração de quase-NUMA (Non-Uniform Memory Access) em ambientes multiprocessados, diferentemente da configuração SMP (Simetric MultiProcessing) ou UMA em ambientes Intel baseados no processador Xeon com seu FSB (Front Side Bus).

O processador Opteron possui um controlador de memória integrado de apoio DDR SDRAM, DDR2 SDRAM ou DDR3 SDRAM (dependendo da geração de processadores). Isto reduz tanto a pena de latência para acessar a RAM principal e elimina a necessidade de um chip northbridge em separado.

O Opteron suporta multiprocessamento simétrico em alguns modelos, o que permite que sejam montados sistemas com vários desses processadores trabalhando em conjunto. Sistemas baseados no Opteron podem ser montados com 1, 2, 4 e 8 microprocessadores. Em sistemas com 1 processador, apenas 1 barramento HyperTransport é usado, sendo esse encarregado da comunicação com o chipset; em sistemas com 2 processadores, 2 barramentos Hyper transport são usados, 1 deles para a comunicação com o chipset e o outro para comunicação com o outro processador; em sistemas com 4 processadores, cada processador dispõe de 3 barramentos, sendo dois deles para comunicação dos processadores e um para comunicação com chipset; em sistemas com 8 processadores, são usados 3 barramentos Hyper transport, sendo os 3 usados para troca de informações entre processadores, com exceção dos processadores que se comunicam com o chipset, sendo nesse caso um barramento usado para comunicação com este.

Em sistemas multi-processador (mais de um Opteron numa única motherboard), os processadores comunicam através da Direct Connect Architecture sobre links HyperTransport de alta velocidade. Cada CPU pode acessar a memória principal de um outro processador, transparente para o programador. A abordagem Opteron para multi-processamento não é o mesmo padrão de multiprocessamento simétrico, ao invés de ter um banco de memória para todos os processadores, cada processador tem sua própria memória. Assim, o Opteron é um Non-Uniform Memory Access (NUMA) da arquitetura. O processador Opteron suporta diretamente até 8 processadores.

Em Maio de 2005, a AMD lançou o primeiro Opteron multi-core. Na época, a AMD usava o termo multi-core, mas na prática era dual-core. Cada chip físico Opteron continha dois núcleos de processadores. Isso efetivamente duplicou a performance de computação disponíveis para cada soquete de processador motherboard.

Processadores Quad-Core AMD Opteron com arquitetura Direct Connect oferecem um desempenho notável em um espaço consistente e envelope térmico. São projetados para oferecer desempenho ideal com pedido de rosca, oferecem excepcional poder de processamento e pode aumentar o desempenho por watt para melhorar a capacidade de resposta, mantendo os custos.

Em Junho de 2006, na lista TOP500 (lista do 500 supercomputadores mais rápidos do mundo), um cluster com processadores Opteron do Instituto de Tecnologia de Tóquio era o 7º supercomputador mais rápido do mundo. Nessa mesma lista, 16% do supercomputadores utilizavam Opteron, enquanto 23.6% utilizavam processadores Intel Xeon EM64T.

• Soquete 939: Exceto pelo fato de eles têm 1 MB de cache L2 o Socket 939 Opteron são idênticos aos do San Diego e core Athlon 64s Toledo, só que com clockspeeds menor do que os núcleos, tornando-os mais estáveis. São os únicos Dual Core.
• Soquete AM2: Estão disponíveis para os servidores que têm apenas uma configuração single-chip. Esses chips podem provar ser tão bem sucedido quanto o soquete 939 devido ao overclocking.
• Soquete F: É a segunda geração da AMD Opteron. Esta tomada suporta processadores, como o de Santa Rosa, Barcelona e Xangai (codinome processadores). Adiciona suporte para DDR2 e melhorada versão do HyperTransport.

Todos os processadores AMD Opteron foram fabricados em três versões diferentes:

   * Processors for uni-processor systems Processadores para sistemas uni-processador
   * Processors for dual-processor systems Processadores para sistemas dual-processor
   * Processors for systems supporting up to 8 processors Processadores para sistemas que suportam até 8 processadores 

O que diferencia uma versão da outra são os números que eles levam no modelo.

Um núcleo — SledgeHammer (1xx, 2xx, 8xx)

• Soquete 940, HyperTransport de 800 MHz. Utilizam memórias DDR “registradas”.
• Tensão: 1,50 V - 1,55 V.
• Freqüência: 1400 MHz - 2400 MHz (x40 - x50).
• Lançamento: abril de 2003.

Um núcleo — Venus (1xx), Troy (2xx), Athens (8xx)

• Soquete 940, HyperTransport de 800 MHz.
• Soquete 939/Soquete 940, HyperTransport de 1000 MHz. Soquete 939: para modelos de processadores Opteron série 1. Esses modelos utilizam memórias DDR.
• Tensão: 1,35 V - 1,40 V.
• Freqüência: 1600 MHz - 3000 MHz (x42 - x56).
• Lançamento: fevereiro de 2005.

Dois núcleos — Denmark (1yy), Italy (2yy), Egypt (8yy)

• Soquete 939/Soquete 940, HyperTransport de 1000 MHz.
• Tensão: 1,30 V - 1,35 V.
• Freqüência: 1800 MHz - 2600 MHz.
• Lançamento: abril de 2005.

Os processadores Opteron são classificados em gerações. Aqueles implementados com soquetes 939 e 940 são denominados processadores de primeira geração. Os processadores que utilizam memórias DDR2 (Soquetes AM2: memórias DDR2 / Soquetes F: trabalham com memórias DDR2 “registradas”.) e são baseados na arquitetura AMD64 são denominados processadores de Opteron de segunda geração. Já os processadores Opteron baseados na micro arquitetura K10 são chamados de Opteron de terceira geração e também trabalham com memórias DDR2.

Opteron 1xx

• Não suportam multiprocessamento;
• Apenas 1 barramento HyperTransport;
• Somente memórias DDR;
• Um ou dois núcleos;

Opteron 2xx

• Suportam multiprocessamento com 2 processadores;
• Possuem 2 barramentos HyperTransport;
• Memórias DDR;

Opteron 8xx

• Suportam multiprocessamento com até 8 processadores;
• Possuem 3 barramentos HyperTransport;
• Memórias DDR;
• Um ou doir núcleos;

Opteron 12xx

• Dois núcleos;
• Baseados na micro arquitetura AMD64;
• Não suportam multiprocessamento;
• Apenas um barramento HyperTransport;
• Aceitam somente memórias DDR2 até DDR2-800 e usam o soquete AM2;

Opteron 22xx

• Possuem 2 núcleos;
• Memórias DDR2;
• Baseados na micro arquitetura AMD64;
• Suportam multiprocessamento com 2 processadores;
• 3 barramentos HyperTransport;
• Aceitam somente memórias DDR2 “registradas”.

Opteron 23xx

• Quatro núcleos;
• Memórias DDR2;
• Modelos de 3ª geração;
• Baseados na arquitetura K10;

Opteron 82xx

• Dois núcleos;
• Só aceitam DDR2;
• Utilizam micro arquitetura AMD64;
• Suportam multiprocessamento de até 8 processadores;
• Possuem 3 barramentos HyperTransport;

Opteron 83xx

• Quatro Núcleos;
• Memórias DDR2;
• Processadores baseados na arquitetura K10;

A linha Opteron tem uma atualização com a aplicação da micro-arquitetura K10 da AMD. Novos processadores, lançado no terceiro trimestre de 2007 (codinome Barcelona)incorporam uma série de melhorias, principalmente no aperfeiçoamento da memória cargas especulativa, execução SIMD e previsão de uso, produzindo uma sensível melhoria de desempenho.

O processador AMD Opteron com Arquitetura de Conexão Direta baseia-se na tecnologia AMD64, o que amplia a eficiência e a escalabilidade do sistema . A Arquitetura de Conexão Direta conecta diretamente a memória à CPU. Eliminando o barramento Front Side, o processador AMD Opteron permite um acesso mais rápido à memória, o que pode melhorar o desempenho dos aplicativos.A tecnologia AMD64 manipula mais memória (memória virtual de 256 TB; memória física de 1 TB) e é capaz de executar simultaneamente softwares de 32 bits e de 64 bits, sem prejuízo de desempenho. Tais aprimoramentos são oferecidos sem que haja aumento do consumo de energia. Eficiência melhor, maior produtividade e a melhoria da escalabilidade são fatores que significam que cada servidor pode manipular mais volume de trabalho com o processador AMD Opteron.

• [A1] AMD eight-generation processor architecture. Advanced Micro Devices, Inc. Disponível em <http://www.amd.com>. Acesso em 10 mai 2005.
• [A2] AMD Opteron processor product data sheet. Advanced Micro Devices, Inc. Disponível em <http://www.amd.com>. Acesso em 07 fev 2007.
• [A3] Characterizing x86 processors for industry-standard servers: AMD Opteron and Intel Xeon. 2.ed. out 2005. Disponível em <http://www.hp.com>. Acesso em 09 fev 2007.
• [A4] Performance guidelines for AMD Athlon™ 64 and AMD Opteron™ ccNUMA multiprocessor systems. Advanced Micro Devices, Inc. Disponível em <http://www.amd.com>. Acesso em 19 fev 2007.
• [A5] Processadores AMD Opteron. Disponível em < http://www.clubedohardware.com.br >.
• [A6] Vantagens do Processador Opteron. Disponível em < http://enterprise.amd.com/br-pt/AMD-Business/Business-Solutions/Consolidation.aspx >

• [B1] <http://www.top500.org>.