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Prozessorleistung von Mainframes mit vertikaler Polarisierung optimieren

IBM ist für die Mainframe-Prozessoroptimierung zur vertikalen Polarisierung übergegangen. Zur Steuerung dient die neue HiperDispatch-Funktion.

Um sich auf die unausweichliche Aufhebung des Mooreschen Gesetzes vorzubereiten, sucht IBM nach neuen Möglichkeiten, die Kapazitäten von Prozessoren zu erhöhen. Die dabei genutzten Strategien betreffen beispielsweise das Pipelining von Instruktionen, Hyper-Threading oder auch den Prozessor-Cache. Diese neuen Technologien führen zu einer wechselnden, manchmal sogar fehlerhaften Leistung, je nachdem, was im System selbst vor sich geht. Eine Möglichkeit, die Leistung eines Mainframes zu erhöhen, besteht in der Optimierung der vertikalen Polarisierung.

Hintergründe zum Mainframe-Prozessor

Aktuelle Mainframe-Prozessormodule hängen stark von einem Cache ab, der die Instruktions-Pipeline bedient. Der neueste Mainframe-Prozessor von IBM, der z13, verfügt über vier Cache-Ebenen mit unterschiedlichen Größen und Entfernungen zum Zentralprozessor (CP). Jeder Kern hat Level 1 (L1) und L2-Cache. Den L3-Cache teilen sich alle Kerne auf dem Chip, während der L4-Cache von jedem Prozessor des Moduls genutzt werden kann. Damit der Prozessor Daten verarbeiten kann, müssen diese im L1-Cache vorliegen.

Mainframes sind dafür bekannt, disparate Arbeitslasten mit hohen Effizienzraten bearbeiten zu können. Damit geht eine hohe Rate der Kontextwechsel zwischen unterschiedlichen Hardwarezuständen einher, beispielsweise bei Online-Transaktionen und einem Batch-Job, der sich an einer großen Datei abarbeitet.

Eine produktive logische Partition (LPAR) beispielsweise erstellt im Betrieb ihr Cache-Set, das zu einer höheren Leistung führt, weil der Prozessor weniger Zeit mit dem Abrufen von Daten aus niedrigeren Cache-Ebene verbringt. Ab einem bestimmten Punkt verliert dann die produktive Partition die Kontrolle über den Zentralprozessor an ein Testsystem. Die LPAR des Testsystems geht denselben Weg und zieht ebenfalls die für sie wichtigsten Daten in den Cache. Dem Effizienzgewinn folgt auch in diesem Fall erneut die erzwungene Abgabe des Zentralprozessors zurück an das produktive System. Auf voll ausgelasteten Prozessoren führt eine schnelle Abfolge dieser Wechsel zu einer Verschlechterung der Performance und zu einer höheren CPU-Auslastung.

Um dieser Situation beizukommen, kann ein Mainframe das Konzept der vertikalen Polarisierung einsetzen. Dieses zielt darauf ab, logische Partitionen auf demselben physischen Prozessor zu halten und so weniger Zeit mit dem Laden und Abfragen des Cache zu verbringen. Um die vertikale Polarisierung zu verbessern, führte IBM ein Feature namens HiperDispatch sowie einige Möglichkeiten zu dessen Messung ein.

Ist HiperDispatch aktiviert, so arbeitet der System-Dispatcher mit dem Mainframe-Hypervisor zusammen (Processor Ressource/System Manager, PR/SM). Die beiden Komponenten arbeiten zusammen, um das Ablaufen jeder logischen Partition in derselben Gruppe physischer Prozessoren sicherzustellen. Damit bleiben die Inhalte des Cache erhalten und die Fehlzugriffe auf den Cache werden minimiert, was zu einer höheren Verarbeitungseffizienz führt.

Die erste Kennzahl für die Effizienz des Cache ist die Relative Nest Intensity (RNI). Von IBM gibt es eine komplizierte Formel zur Berechnung der RNI, die sich in Abhängigkeit von der Zeit, die der Zugriff auf die verschiedenen Cache- und Speicherebenen in Anspruch nimmt, für jedes Mainframe-Prozessormodell unterscheidet. Eine geringe RNI weist auf eine effiziente Nutzung des Cache hin, gleichbedeutend mit weniger Wartezeiten der CPU bezüglich Instruktionen und Daten.

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Die zweite Kennzahl sind die Takte pro Instruktion (Clocks per Instruction, CPI). Diese Metrik zählt die Anzahl der Taktzyklen, die die Ausführung einer Instruktion benötigt. Je weiter der Prozessor in den Cache oder den Speicher hineingreift, desto mehr Zyklen wird eine Instruktion erfordern – je geringer die CPI, desto besser. Sie ist auch ein Paradebeispiel dafür, wie dasselbe Programm mit denselben Daten in Abhängigkeit der Cache-Konkurrenz unterschiedliche Mengen an CPU-Ressourcen benötigt.

Vertikale Polarisierung des Mainframes

Die Zentralprozessor-Vertikalität hat drei Ausprägungen:

  • Vertical High (VH) – Der physische Prozessor ist im Wesentlichen einer logischen Partition gewidmet.
  • Vertical Medium (VM) – Der physische Prozessor kann von mehreren Partitionen genutzt werden.
  • Vertical Low (VL) – Physische Prozessoren ohne Voraussetzungen, die geparkt werden, bis sie benötigt werden.

Im Allgemeinen weist der PR/SM die vertikale Polarisierung auf Basis des Gewichts einer logischen Partition und der Anzahl logischer und physischer Prozessoren zu. Das Gewicht einer Partition wird durch die relative Bedeutung und den CPU-Anteil einer Partition bestimmt, wenn ein Prozessor zu arbeiten beginnt.

Ist HiperDispatch aktiviert, so kann die Anzahl der Zentralprozessoren, die eine logische Partition nutzen kann, als Quotient aus dem individuellen LPAR-Gewicht und dem LPAR-Gesamtgewicht multipliziert mit der Anzahl physischer Prozessoren bestimmt werden. In der Praxis wird bei einer Zusammenarbeit zwischen z/OS und PR/SM jedes z/OS sein Bestes tun, Arbeiten an seinen einen VH-Prozessor zu senden. Wird der VH-Zentralprozessor aber zu stark belastet, so kann er Arbeit an den Medium-High-Prozessor weitergeben.

Da PR/SM die zugrundeliegende Struktur des Cache für den Prozessor versteht, weist es einer logischen Partition Zentralprozessoren auf demselben oder auf naheliegenden Chips zu, um die Empfangszeit der Daten zu verkürzen. Angesichts der komplexen und opaken Entscheidungsprozesse eines PR/SMs empfiehlt es sich für Programmierer, IBMs LPAR Design Tool herunterzuladen. Dieses Werkzeug in Form eines komplexen Excel Arbeitsblatts ermöglicht die Planung der LPAR-Konfigurationen zur Optimierung der Hardware.

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Artikel wurde zuletzt im Dezember 2016 aktualisiert

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