[原创] 云端Arm处理器卧薪尝胆，Ampere笑对x86
2020-03-10
15:22:43
来源: Sophie
当下，市场对云计算的需求量越来越大，基于传统数据中心的企业级计算已经难以满足应用需求。从软件角度来看，现在的需求更多的是朝向云原生的，如微服务这类计算模型，而不是以前那种企业级内部的计算模型。
此外，现在有越来越多的边缘侧数据中心，在延时、功耗等方面的要求与以前有很大不同。这样，超大规模的云，包括边缘云计算需求的增长，对CPU的部署密度和能耗要求越来越高。
总体来看，新兴的云计算具有三大特点：一是要具备可预测的高性能；二是整个平台的可扩展性，包括内核、I/O和内存等；三是需要非常高的密度和非常好的能效。
这样，市场需要一种新型的、专门针对云的计算能力，这就需要很多高效的CPU内核，需要具有高能效的基础设施，以及非常好的可扩展性。而且新一代面向云的计算架构需要更加开放，因为只有更加开放，才能有更好的创新。
在这样的背景下，多家厂商正在打造完全面向新一代云计算的CPU，以满足上面提到的需求。在这些厂商当中，有传统的x86阵营，也有新兴的Arm阵营。
而在数据中心和云服务CPU方面，Arm产品一直都颇具争议，以前，在数据中心应用中，Arm做过一些尝试，在之前的那些尝试当中，相应的IP、内核等与x86相比，确实存在着一定的差距。也正是应为如此，在过去几年，Arm一直致力于推进可用于数据中心的高性能、高能效的内核的研究，以推动Arm性能的不断改善。随着经验的积累，这些IP能够提供的服务器CPU性能出现了快速提升。还有一点也很重要，那就是随着台积电7nm制程技术的成熟，Arm阵营可以使用体积更小、能效更高、速度更快的晶体管了。
Arm在终端设备领域已经取得了巨大的成就，在此基础上，它在服务器这块的生态系统建设也在不断成熟，所有大型的操作系统，如Linux、BSD、windows都能够支持Arm。另外，虚拟化工具如docker、vmware、KVM和kubernetes都可以在Arm上运行了，还有编程语言、工具，如CUDA和Java都可以支持Arm了。
基于Arm开发新的CPU
Ampere是一家刚成立两年多的公司，一直致力于打造面向云计算和边缘的新一代Arm处理器。该公司研发的目标是开发面向云计算的新一代云原生CPU，这里的“云”是指从超大规模的云到分布式边缘云。
Ampere的团队经验非常丰富，在服务器领域平均具有20多年的积累，特别是专注于服务器里面的云，在服务器市场当中，如前文所述，针对云的服务器是比较特殊的。Ampere团队设计过很多代的服务器处理器，出货量在市场上都是非常大的。这个团队对整个行业的合作伙伴生态环境非常了解，包括IP供应商、软件供应商等。Ampere公司产品高级副总裁Jeff Wittich表示：“我们在设计理念方面也非常有优势，这使我们的迭代非常快，而且向市场推出产品的节奏也非常一致。在设计方面，我们非常注重仿真，还有虚拟平台。这使我们对流片非常有信心。”
在Ampere产品与Intel差异化竞争方面，Jeff Wittich表示：“有一个最大的差异点，我们的产品在设计时，是纯粹针对云的计算模型设计的，因此，与其它CPU相比，我们能提供针对云的性能和特点的专属设计。另外，我们设计的CPU能够和行业里的GPU、FPGA供应商合作，这样就能非常灵活地为客户提供他们所需要的解决方案组合。”
由于是基于Arm架构，Ampere使用了相对于x86而言简单的指令级，功耗更小，而且整体效率更高。精简指令集（RISC）已经能够提供非常好的性能了，而且功耗非常低，目前来看，已经能够提供运行云计算的所有性能要求了。
80核的Ampere Altra
Ampere Altra则是一款基于Arm v8.2+架构的云原生处理器，据Jeff Wittich介绍，该CPU是世界上第一款，从一开始的设计、制造就是完全面向云，为满足新的云对云计算需求的处理器。Ampere Altra单路具备80核，都是64位Arm的CPU内核，每核最高频率是3.0GHz，所有内核都能在turbo模式下持续运行，这在所有核满负荷的云计算工作流中都能实现。该CPU利用Monolithic die（单芯片设计）工艺，所有核在Mesh网络下相互连接，还能提供非常高的内存带宽和内存密度。
据Jeff Wittich介绍，与传统服务器CPU架构相比，Ampere的80个内核架构具有以下创新点：一是单线程，单线程的目的是为每一个用户提供稳定、可预测的性能，此外，在云计算领域，单线程还能够提供非常好的安全隔离；二是架构进行了优化，以提供最多数量的内核，我们这个核数比市场上同类处理器的核数都多，而且是基于Mesh网格化部署的，密度非常高，能够提供非常好的一致性和非常高的效率；三是内核能效非常高，内核优化的结果是只让内核提供云计算所需要的性能，传统那些非云计算所需要的功能特性就不再提供了，这样就减少了耗电量，提高了每个核的功耗效率。
这里具体谈一下单核单线程的设计，通过消除单物理核多线程设计中多用户共享资源引起的 “相邻干扰” 问题，可提供100％的可预测性能。这是一种非常好的用户隔离机制，因为执行引擎、寄存器、一级、二级缓存都是内核独享的，不用与其它核分享，这样可以减少来自于相邻核的干扰和“攻击”，降低了侧信道攻击风险，现在，侧信道干扰已经成为一个非常重要的行业痛点。总之，单核单线程的设计，能够保证在运算或执行的时候具备一致性的、可预测的性能。
该处理器还能提供很高的可扩展性，这是基于领先的每核功耗性能，其每瓦性能是业内最高的，从边缘到超大规模云，在不同部署环境下提供多种可选的处理器配置，它还能提供多路支持，非常灵活的I/O连接以及高带宽。
Altra可提供很大的一级、二级缓存，能减少延时，除了每个核专属的L1和L2缓存之外，在整个系统级别还有一个32MB的大缓存。
Altra处理器提供八个DDR4通道，每个通道能插两个DIMM，运行的时候能够提供单路200GB/秒的速度。他还提供单路4TB的内存或者双路8TB的内存容量。此外，还有非常好的I/O子系统，还提供四个支持CCIX协议、x16的PCIe接口，用于缓存一致性连接，单路128个PCIe Gen4通道，两路192个PCIe Gen4通道，这是目前行业最高的。用户可以将四个支持CCIX协议的设备连接到该CPU上。
除此之外，该CPU还提供两个128BT的SIMD单元用于浮点计算。现在，云计算中的AI推理能力越来越重要，Altra提供int8和FP16的支持，可以提高AI推理加速性能。
对比x86
传统上，Arm处理器与x86处理器相比，最大的劣势就是性能，但是，随着Arm的研发推进，目前其处理器性能有了大幅度的提升，再加上其固有的低功耗特性，竞争力提升不少。
Jeff Wittich就Altra处理器与AMD的64核EPYC，以及28核的Intel 至强（Xeon）处理器做了对比，对于一些基于云特别多的应用，如搜索、AI推理、解码、数据库等，Altra能提供非常好的性能。Jeff Wittich表示，Altra不仅仅性能更高，功耗也更低。每瓦特性能比EPYC和至强都要高。这样不仅可使整个数据中心的容量不断增大，还能横向扩展到边缘侧。对于一些以能耗为中心（power-centered）的应用，如存储网页游戏、云游戏、存储边缘云等，这是一个非常好的解决方案。
此外，由于单核功耗很低，所以每个机架能部署的核数密度比任何其他解决方案都要高，每个机架能够部署3500多个Altra内核。每一个机架的单核密度，比AMD的EPYC高38%，比Intel至强高173%。Jeff Wittich称其单机架性能是目前市场上最好的，而且单机架内核密度也是最大的。由于性能更好，功耗更低，所以Altra处理器的总体应用成本（TCO）也更低。
Jeff Wittich称Altra的TCO比EPYC高41%，同样的总体应用成本情况下，所带来的性能，比EPYC高41%。和Intel至强相比，包括其2月24号公布的最新版本相比较，Altra的单位总体应用成本比它高63%。
产品路线图
关于产品发展路线，Jeff Wittich表示：“由于我们积累了大量经验，比较有信心，所以我们会保持每年推一款新产品的节奏，并能够使处理器的性能不断提升。今年推出的是Ampere Altra，我们计划2021年推出Mystique这个新产品，Mystique核数更多，性能将更好，并且与Altra平台兼容。我们也制定了2022年的计划，推出名为Siryn的新产品，Siryn要比之前的两款产品核数更多，性能更好，功耗更低，而且还会有更多基于云的设计特色。
客户与生态
Altra处理器现在已经有样机出货了，主要有两款，一个是双路的Mt. Jade，另一个是单路的Mt. Snow，有很多客户在试用，目前能够公开的是微软和甲骨文（Oracle），据悉，这两个客户的反馈非常好，Ampere上周收到了他们的书面声明，表达了对Altra处理器的支持。此外，中国的一些厂商也在试用该产品。
在客户拓展和生态系统建设方面。过去一年，Ampere一直在与最主要的云服务商合作，如微软、甲骨文等。Jeff Wittich表示：“我们预计今年下半年会有部署，我们规模量产是在2020年中。Ampere之所以赢得了客户认可，是因为我们深入这个行业很长时间，并且非常投入地进行创新，能够在性能、可扩展性和能效等方面保持领先。”
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