美光 DDR5 內存配合第四代 AMD EPYC 處理器，提升高性能計算工作負載

美光與AMD聯(lián)手為客戶(hù)及數據中心平臺提供一流的用戶(hù)體驗。雙方在奧斯汀建立聯(lián)合服務(wù)器實(shí)驗室，以減少服務(wù)器內存驗證時(shí)間，在產(chǎn)品驗證和發(fā)布期間共同進(jìn)行工作負載測試。目前美光適用于數據中心的 DDR5 內存和第四代 AMD EPYCTM^TM （霄龍）處理器均已出貨，我們對其進(jìn)行了一些常見(jiàn)的高性能計算（HPC）工作負載基準測試。

長(cháng)期以來(lái)，超級計算機承擔著(zhù)高性能計算工作負載。此類(lèi)大規模的數據密集型工作負載需要運行TB 級的數據量以進(jìn)行數百萬(wàn)個(gè)并行操作，以解決人類(lèi)世界的難題，如天氣和氣候預測；地震建模；化學(xué)、物理和生物分析等。

隨著(zhù)計算機架構的進(jìn)步，此類(lèi)工作負載往往托管在超大型“可橫向擴展”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大的算力、架構、內存和存儲基礎設施，以滿(mǎn)足關(guān)鍵工作負載對可擴展性、低延遲和高性能的需求。然而隨著(zhù)服務(wù)器 CPU 的性能和吞吐量不斷增長(cháng)，DDR4 無(wú)法提供足夠的內存帶寬，來(lái)滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的高性能內核。

為緩解這一瓶頸，美光 DDR5 內存與采用了Zen 4 服務(wù)器架構的第四代AMD EPYC 處理器強強聯(lián)合，使服務(wù)器 CPU 能夠更好地匹配內存產(chǎn)品，滿(mǎn)足數據密集型工作負載對性能和效率的需求。美光DDR5 內存可幫助企業(yè)從本地和云端數據中更快獲取洞察。我們對最新的 AMD Zen 4 96 核CPU和美光DDR5進(jìn)行了行業(yè)內高性能計算工作負載基準測試，所有結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 測試中實(shí)現內存帶寬翻倍

STREAM¹ 是常見(jiàn)的基準測試工具，用于測量高性能計算機的內存帶寬，可捕獲高性能計算系統的峰值內存帶寬。

該工作負載使用的軟件堆棧

·       Alma 9 Linux kernel 5.14

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

測試設置

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

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

測試結果

·       DDR5 系統每插槽內存帶寬翻倍，達到 378 GB/s

·       該結果意味著(zhù)客戶(hù)能運行更大規模的人工智能/機器學(xué)習 （AI/ML）項目，或利用 DDR5 增加的內存帶寬進(jìn)行更多高性能計算。

美光 DDR5， 助力天氣研究和預報 （WRF）⁴ 速度提升2倍

此次測試使用的高性能計算工作負載代碼針對天氣和氣候。WRF模型在一些支持高性能浮點(diǎn)處理、高內存帶寬、低延遲網(wǎng)絡(luò )等傳統高性能計算架構中表現良好，測試對象為橫向分辨率為 2.5 公里的美國大陸地區 （CONUS）。

該工作負載使用的軟件堆棧

·       Alma 9 Linux kernel 5.14?

·       WRF 2.3.5 & 4.3.3?

·       Open MPI v4.1.1

測試設置

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

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

測試結果

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

·       速度更快意味著(zhù)可使用更大的數據庫或運行更多模型以進(jìn)行天氣預測，進(jìn)而改善預測的準確度。

美光 DDR5，助力OpenFOAM⁵ 速度提升2倍

OpenFOAM 是一種計算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的開(kāi)源高性能計算工作負載，廣泛應用于多個(gè)行業(yè)，有助于縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間并降低成本。從消費類(lèi)產(chǎn)品設計到航空航天設計，OpenFOAM能夠模擬不同應用中的物理互動(dòng)，包括摩托車(chē)風(fēng)擋湍流。在該模擬中，OpenFOAM 能夠計算摩托車(chē)和騎手周?chē)姆€定氣流。OpenFOAM 能夠根據用戶(hù)指定的進(jìn)程數進(jìn)行負載均衡計算，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。

該工作負載使用的軟件堆棧

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

·       Alma 9 Linux kernel 5.14?

·       Open MPI v4.1.1

測試設置

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

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

測試結果

測試結果表明美光DDR5 產(chǎn)品組合將OpenFOAM 性能提高了 2.4 倍。OpenFOAM 為五大高性能計算軟件平臺之一，擁有大型開(kāi)源社區。該軟件廣泛應用于大學(xué)和研發(fā)中心，可利用高帶寬內存和擁有密集內核的高性能CPU，實(shí)現高度的并行操作。

美光 DDR5 ，助力分子動(dòng)力學(xué)⁶ 速度提升2倍

CP2K 是一款開(kāi)源量子化學(xué)工具，適用于許多應用，包括固態(tài)生物系統模擬。CP2K 能夠為不同的建模方法提供通用的框架。此次測試對象為水（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）。

該工作負載使用的軟件堆棧

·       H₂O-DFT-LS.NREP4 及 H₂O-DFT-LS

·       Alma 9 Linux kernel 5.14

測試設置

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

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

測試結果
測試結果表明美光DDR5 產(chǎn)品組合將分子動(dòng)力學(xué)性能提高了2.1 倍。隨著(zhù)內核數和內存帶寬增加，此類(lèi)工作負載的性能也顯著(zhù)提升。

總結

目前我們只針對少量高性能計算工作負載進(jìn)行了測試，因此以上只是我們的初步成果。將高性能高帶寬內存與最新的服務(wù)器處理器（如第四代 AMD EPYC 處理器）相結合，可為高性能計算客戶(hù)創(chuàng )造新的可能。我們期待更多企業(yè)數據中心和云服務(wù)商，能夠在新平臺上應用美光 DDR5 產(chǎn)品，解鎖更高的性能與能效。 

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

作者

 Krishna Yalamanchi

Krishna 擔任美光生態(tài)系統高級開(kāi)發(fā)經(jīng)理，專(zhuān)注于研發(fā) DDR5 和 CXL 解決方案。他曾在英特爾 IT 部門(mén)任職，領(lǐng)導 SAP HANA 的遷移工作，通過(guò)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，推出了用于SAP工作負載的第三代與第四代 Intel Xeon 處理器。

Sudharshan Vazhkudai

Sudharshan S. Vazhkudai 博士擔任美光系統架構和工作負載分析總監。他領(lǐng)導一支位于奧斯汀和印度海得拉巴的團隊，致力于研究?jì)却婧痛鎯Γ?/span>DDR、CXL、HBM 和 NVME）產(chǎn)品中層次結構的可組合性，并優(yōu)化與數據中心工作負載相關(guān)的系統架構。