Материнcкая плата SynQuacer E-Series для 24-ядерного ARM-сервера на процессоре ARM Cortex A53 с 32 ГБ оперативной памяти, декабрь 2018 года
Много лет процессоры ARM с сокращённым набором команд (RISC) доминируют на рынке мобильных устройств. Но им так и не удалось пробиться в дата-центры, где по-прежнему властвуют Intel и AMD с набором инструкций x86. Периодически появляются отдельные экзотические решения, такие как 24-ядерный ARM-сервер на платформе Banana Pi, но серьёзных предложений пока нет. Точнее, не было до этой недели.
На этой неделе AWS запустила в облаке собственные 64-ядерные ARM-процессоры Graviton2 — это система-на-кристалле с ядром ARM Neoverse N1. Компания утверждает, что Graviton2 намного быстрее, чем ARM-процессоры предыдущего поколения в инстансах EC2 A1, а вот и первые независимые тесты.
Инфраструктурный бизнес — это сравнение цифр. По сути, клиентам дата-центра или облачного сервиса не важно, какая архитектура у процессоров. Их волнует соотношение цены и производительности. Если работа на ARM дешевле, чем на x86, то их и выберут.
До последнего времени нельзя было однозначно сказать о том, что вычисления на ARM будут выгоднее, чем на x86. Например, серверный 24-ядерный ARM Cortex A53 — это модель SocioNext SC2A11 стоимостью около $1000, которая могла поднять веб-сервер на Ubuntu, но по производительности сильно уступала процессором x86.
Однако потрясающая энергоэффективность процессоров ARM заставляет снова и снова присматриваться к ним. Например, SocioNext SC2A11 потребляет всего 5 Вт. А ведь на электроэнергию приходится почти 20% затрат дата-центра. Если эти чипы покажут пристойную производительность, тогда у x86 не останется шансов.
Первое пришествие ARM: инстансы EC2 A1
В конце 2018 года AWS представила инстансы EC2 А1 на собственных ARM-процессорах. Определённо, это было сигналом для индустрии о потенциальных изменениях на рынке, но результаты бенчмарков оказались неутешительными.
В таблице ниже показаны результаты стресс-тестирования инстансов EC2 A1 (ARM) и EC2 M5d.metal (x86). Для тестирования использовалась утилита stress-ng:
stress-ng --metrics-brief --cache 16 --icache 16 --matrix 16 --cpu 16 --memcpy 16 --qsort 16 --dentry 16 --timer 16 -t 1m
Как видим, A1 проявили себя хуже во всех тестах, кроме кэша. По большинству других показателей ARM уступали очень сильно. Эта разница в производительности больше, чем разница в цене 46% между А1 и M5. Другими словами, инстансы на процессорах x86 по-прежнему оставались выгоднее по соотношению цена/производительность:
| Test | EC2 A1 | EC2 M5d.metal | Разница |
| cache | 1280 | 311 | 311,58% |
| icache | 18209 | 34368 | -47,02% |
| matrix | 77932 | 252190 | -69,10% |
| cpu | 9336 | 24077 | -61,22% |
| memcpy | 21085 | 111877 | -81,15% |
| qsort | 522 | 728 | -28,30% |
| dentry | 1389634 | 2770985 | -49.85% |
| timer | 4970125 | 15367075 | -67,66% |
Конечно, микробенчмарки не всегда показывают объективную картину. Важна разница в реальной производительности приложения. Но и здесь картина оказалась не лучше. Коллеги из Scylla сравнили инстансы a1.metal и m5.4xlarge с одинаковым количеством процессоров. В стандартном тесте на чтение базы данных NoSQL в конфигурации с одним узлом первая показала 102 000 операций чтения в секунду, а вторая 610 000. В обоих случаях все доступные процессоры используются на 100%. Это соответствует снижению производительности примерно в шесть раз, что не компенсируется более низкой ценой.
Кроме того, инстансы A1 работают только на EBS без поддержки быстрых устройств NVMe, как в других инстансах.
В общем, A1 стал шагом в новом направлении, но не оправдал надежд на ARM.
Второе пришествие ARM: инстансы EC2 M6
Всё изменилось на этой неделе, когда AWS представила новый класс ARM-серверов, а также ряд инстансов на новых процессорах Graviton2, в том числе M6g и M6gd.
Сравнение этих инстансов показывает уже совершенно другую картину. В некоторых тестах ARM проявляет себя лучше, а иногда намного лучше, чем x86.
Вот результаты выполнения той же команды стресс-тестирования:
| Test | EC2 M6g | EC2 M5d.metal | Разница |
| cache | 218 | 311 | -29,90% |
| icache | 45887 | 34368 | 33,52% |
| matrix | 453982 | 252190 | 80,02% |
| cpu | 14694 | 24077 | -38,97% |
| memcpy | 134711 | 111877 | 20,53% |
| qsort | 943 | 728 | 29,53% |
| dentry | 3088242 | 2770985 | 11,45% |
| timer | 55515663 | 15367075 | 261,26% |
Это уже совершенно другое дело: M6g в пять раз быстрее A1 при выполнении операций чтения из базы данных Scylla NoSQL, а в новых инстансах M6gd работают быстрые накопители NVMe.
Наступление ARM по всем фронтам
Процессор AWS Graviton2 — лишь один пример использования ARM в дата-центрах. Но сигналы поступают с разных сторон. Например, 15 ноября 2019 года американский стартап Nuvia привлёк $53 млн венчурного финансирования.
Стартап основали три ведущих инженера, которые занимались созданием процессоров в Apple и Google. Они обещают разработать процессоры для дата-центров, которые составят конкуренцию Intel и AMD.
По имеющейся информации, Nuvia спроектировала с нуля процессорное ядро, которое может быть построено «поверх» архитектуры ARM, но без получения лицензии ARM.
Всё это указывает на то, что ARM-процессоры готовы покорить серверный рынок. В конце концов, мы живём в эпоху пост-ПК. Годовые поставки x86 упали почти на 10% с пикового 2011 года, в то время как чипы RISC взлетели до 20 миллиардов. Сегодня 99% 32- и 64-разрядных процессоров в мире — это RISC.
Лауреаты премии Тьюринга Джон Хеннесси и Дэвид Паттерсон в феврале 2019 года опубликовали статью «Новый золотой век для компьютерной архитектуры». Вот что они пишут:
Рынок урегулировал спор RISC и CISC. Хотя CISC выиграл более поздние этапы эпохи ПК, но RISC выигрывает сейчас, когда наступила эпоха пост-ПК. Новых ISA на CISC не создавалось в течение десятилетий. К нашему удивлению, общее мнение по лучшим принципам ISA для процессоров общего назначения сегодня по-прежнему склоняется в пользу RISC, спустя 35 лет после его изобретения… В экосистемах с открытым исходным кодом искусно разработанные чипы убедительно продемонстрируют достижения и тем самым ускорят коммерческое внедрение. Философией процессоров общего назначения в этих чипах, скорее всего, будет RISC, который выдержал испытание временем. Ожидайте таких же стремительных инноваций, как и во время прошлого золотого века, но на этот раз с точки зрения стоимости, энергии и безопасности, а не только производительности.
«В следующем десятилетии произойдет кембрийский взрыв новых компьютерных архитектур, означающий захватывающие времена для компьютерных архитекторов в академических кругах и в индустрии», — такой вывод делают они в завершении статьи.
Автор: Data_center_MIRAN
