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Vier wichtige BIOS-Einstellungen für Intel-Prozessoren

Die Leistung von Servern lässt sich durch BIOS-Einstellungen verbessern. Gerade bei Virtualisierungs-Hosts sind beliebte Methoden jedoch fehl am Platz. Wir erklären, wie es geht.

Mit der richtigen Konfiguration können Administratoren gewährleisten, dass sie die Möglichkeiten ihrer Server voll ausnutzen. BIOS-Einstellungen sind eine Stellschraube, mit der sich die Leistung des Servers verbessern lässt. Allerdings kommt diese Verbesserung zu einem Preis: Administratoren sollten auf die Betriebstemperatur und steigenden Energiebedarf achten.

Einige Warnungen zu BIOS-Einstellungen am Server

Wenn es möglich ist, die Leistung eines Servers durch bloße BIOS-Einstellungen (Basic Input/Output System) zu verbessern, so stellt sich unmittelbar die Frage: Warum hat der Hersteller die Maschine nicht bereits mit den bestmöglichen BIOS-Einstellungen geliefert?

Das hat mehrere Gründe. In einigen Fällen können Einstellungen für höhere Leistung die Stabilität des Servers beeinträchtigen. In anderen Fällen geht eine verbesserte Leistung mit einer erhöhten Betriebstemperatur, höherem Energiebedarf oder beidem einher. Hersteller suchen in der Regel die richtige Balance zwischen Leistung, Energiebedarf und Zuverlässigkeit. Sie sollten also stets im Hinterkopf behalten, dass das Feintuning am BIOS unbeabsichtigte Folgen haben könnte.

Berücksichtigen Sie auch, dass jeder Server unterschiedlich ist. Die Marke, das Modell, die Architektur und natürlich auch das Alter eines Servers haben Einfluss auf die verfügbaren BIOS-Einstellungen. Einige der beschriebenen Methoden könnten daher in Ihrem konkreten System nicht funktionieren.

Non Uniform Memory Access

Die Technologie Non Uniform Memory Access (NUMA, nicht-konformer Memory-Zugang) verbindet mehrere Nodes über eine Hochgeschwindigkeitsverbindung miteinander. Das Konzept dahinter ist, dass jede CPU über ihren eigenen, eingebauten Speicher-Controller verfügt, der direkt auf den Speicher verweist, der für die CPU als lokal angesehen wird.

Eine CPU kann nun Speicher des eigenen Knotens (lokal) oder den eines anderen Knotens (remote) anfragen. Der lokale Speicherzugriff ist schneller als der Fernzugriff, da letzterer zusätzlich den Datentransport über eine NUMA-Verbindung erfordert.

Das sogenannte Node Interleaving, also Verweben von Knoten, verteilt Daten über Speicher-Controller hinweg und gleicht den Leistungseinbruch aus, der mit dem Remote-Speicherzugriff verbunden ist. Einige Systeme aktivieren das Node Interleaving im BIOS automatisch. Server, die als Virtualisierungs-Hosts fungieren, liefern jedoch in der Regel bessere Leistung, wenn diese Option deaktiviert ist.

Das liegt an der Methode, mit der das System lokalen und Remote-Speicher einer CPU zuordnet. Bei deaktiviertem NUMA Interleaving legt das System eine System Resource Allocation Table (SRAT) an. Diese Tabelle enthält die Information, welcher Speicher für die CPU lokal ist.

Das System wird bevorzugt, diese designierten lokalen Speicher einsetzen, da die Interconnects beim Remote-Zugriff zu mehr Latenz und Ressourcenkonflikten führen. Bei aktiviertem Interleaving erstellt das System keine SRAT. Damit wird der Hypervisor von der zugrundeliegenden NUMA-Architektur entkoppelt und nutzt Speicher gleichwertig, unabhängig von seinem Ort.

Deaktivieren Sie das Interleaving, so verwenden moderne Hypervisoren in der Regel einen Best-Effort-Ansatz für das Zuweisen von Speicher. Der Hypervisor versucht dann, sämtlichen Speicher einer virtuellen Maschine (VM) von einem einzigen NUMA-Node zu beziehen, verwendet aber weitere NUMA-Nodes, wenn er zusätzlichen Speicher braucht und die Konfiguration des Hypervisors eine NUMA-übergreifende Verwendung zulässt.

Energieverwaltung

Nur wenige BIOS-Einstellungen haben einen so großen Effekt auf die Gesamtleistung wie die Energieverwaltungseinstellungen. Viele dieser Einstellungen sind herstellerspezifisch, daher sollten Sie auf der Website des Herstellers Ihrer Hardware nach entsprechenden Informationen und Empfehlungen suchen.

Als erstes sollten Sie sich um das Demand-Based Scaling (DBS, bedarfsgerechte Skalierung) kümmern. DBS passt automatisch den Prozessortakt an, um entweder mehr Leistung bereitzustellen oder Energie zu sparen.

Viele Server steuern DBS über Profile zur Energieverwaltung. In der Regel der Standardeinstellung regelt meistens das Betriebssystem die Anpassung des Prozessortakts. Das erzeugt allerdings etwas CPU-Overhead. Nicht alle Betriebssysteme unterstützen diese Einstellung. Das kann gerade bei Servern mit Low-Level Hypervisoren ein Problem darstellen.

Wenn Sie auf eine verbesserte Leistung aus sind, dann sollten Sie Profile zum Energiesparen vermeiden und lieber Profile für mehr Leistung wählen.

Simultanes Multithreading

Viele Server mit Intel-Xeon-Prozessoren unterstützen simultanes Multithreading (SMT). SMT ist eine Technik von Intel, die dem Betriebssystem die Zahl der Rechenkerne doppelt so hoch erscheinen lässt. SMT behandelt also jeden physischen Rechenkern als zwei logische Rechenkerne (Cores).

Intel gibt an, dass SMT die Leistung um bis zu 30 Prozent erhöhen kann. Es kann sich jedoch auch negativ auf die Leistung auswirken, wenn der Server als Virtualisierungs-Host eingesetzt wird. Das gilt insbesondere für VMs auf nur einem logischen Prozessor sowie für Infrastrukturen, in denen die CPUs überbelegt sind.

Die meisten Server mit SMT-Unterstützung haben diese Funktion als Standard aktiviert; in den BIOS-Einstellungen können Sie es jedoch deaktivieren. Um herauszufinden, welche Einstellung für Sie die beste Leistung liefert, bieten sich vergleichende Tests mit und ohne aktiviertem SMT an.

Geschwindigkeit der Rechenkerne

Eine weitere Einstellungsmöglichkeit im BIOS mit Auswirkungen auf den Server ist die Geschwindigkeit der CPU-Rechenkerne (Cores). Hierfür stellen einige Anbieter eigene Funktionen bereit. Zum Beispiel bietet Intel Turbo Boost für viele Xeon Server an. Turbo Boost ähnelt dem Übertakten, denn es ermöglicht den Kernen, bei Bedarf mit einem höheren Takt zu arbeiten.

Intel gibt an, dass SMT die Leistung um bis zu 30 Prozent erhöhen kann. Es kann sich jedoch auch negativ auf die Leistung auswirken, wenn der Server als Virtualisierungs-Host eingesetzt wird.

Der Prozessor ist auf den Betrieb bei Basistaktrate ausgelegt, auch wenn er grundsätzlich erheblich schneller arbeiten kann. Der Basistakt soll dabei helfen, bei geringer Auslastung den Energiebedarf zu senken. Bearbeitet der Server eine rechenintensive Workload, so erhöht Turbo Boost den Takt der CPU bedarfsweise dynamisch bis hinauf zur maximalen Turbo-Frequenz.

Turbo Boost ist so eingestellt, dass es die Taktfrequenz nur dann erhöht, wenn der Prozessor unterhalb der angegebenen Last und Temperatur arbeitet. Steigt die Temperatur über einen vordefinierten Grenzwert an, so wird die Geschwindigkeit des Prozessors wieder gedrosselt, um die Temperatur zurück in den Normalbereich zu bringen.

Die tatsächliche Gesamtsteigerung der Leistung durch Turbo Boost hängt von der Anzahl aktiver Rechenkerne ab, spielt sich aber meist im Rahmen von drei bis vier Frequenzschritten ab.

Wenn Sie Turbo Boost in Betracht ziehen, achten Sie darauf, dass das Feature BIOS C-state deaktiviert ist. C-state ist eine Energiesparfunktion einiger Intel Xeon Server. Es senkt die Spannung der CPU-Rechenkerne ab und senkt damit auch deren Taktfrequenz.

Reduziert man die Geschwindigkeit eines Rechenkerns, so sorgt das System dafür, dass alle Rechenkerne der CPU entsprechend gedrosselt werden. Um die maximale Leistung aus Ihrem Server heraus zu kitzeln, sollten Sie jegliche Einstellungen vermeiden, die Rechenkerne auf eine reduzierte Taktfrequenz setzen.

Intels Technologie Turbo Boost gibt es inzwischen in drei Versionen. Die erste davon erschien im Jahr 2011, die meisten Systeme nutzen heute die Version 2.0 der Technologie Turbo Boost.

Version 3.0 von Intels Turbo Boost vom September 2019 entspricht weitestgehend der Version 2.0. Der wichtigste Unterschied besteht darin, dass Turbo Boost 3.0 die Taktfrequenz einzelner Rechenkerne erhöhen kann, während bei Version 2.0 noch alle Rechenkerne dieselbe Taktfrequenz verwenden müssen. Nach Angaben von Intel kann die Turbo Boost Technology 3.0 die Leistung eines Threads um bis zu 15 Prozent erhöhen.

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