Настъпва ли ерата на ARM-сървърите?

Материнска платформа SynQuacer E-Series за 24-ядрен ARM сървър на процесор ARM Cortex A53 с 32 GB оперативна памет, декември 2018 година

Много години процесорите ARM с намален набор от команди (RISC) доминират на пазара на мобилни устройства. Но не успяха да пробият в дата центровете, където все още властват Intel и AMD с набор от инструкции x86. Периодично се появяват отделни екзотични решения, като 24-ядрен ARM сървър на платформата Banana Pi, но сериозни предложения все още няма. По-точно, не е имало до тази седмица.

Тази седмица AWS стартира в облака собствените си 64-ядрени ARM процесори Graviton2 — това е система на чип с ядро ARM Neoverse N1. Компанията твърди, че Graviton2 е много по-бърз от ARM процесорите от предходното поколение в инстанците EC2 A1, а ето и първите независими тестове.

Инфраструктурният бизнес е сравнение на цифрите. По същество, на клиентите на дата центрове или облачна услуга не им е важно каква архитектура имат процесорите. Тях ги интересува съотношението цена и производителност. Ако работата на ARM е по-евтина от тази на x86, те ще я изберат.

До скоро не можеше да се каже категорично, че изчисленията на ARM ще са по-изгодни от тези на x86. Например, сървърният 24-ядрен ARM Cortex A53 е модел SocioNext SC2A11 , струващ около $1000, който би могъл да стартира уеб сървър на Ubuntu, но по производителност значително отстъпва на x86 процесорите.

Но удивителната енергийна ефективност на ARM процесорите отново кара да се вгледаме в тях. Например, SocioNext SC2A11 консумира само 5 W. А всъщност на електричество се падат почти 20% от разходите на дата центъра. Ако тези чипове покажат прилична производителност, x86 няма да има шанс.

Първото пристигане на ARM: инстанси EC2 A1

В края на 2018 година AWS представи инстанси EC2 A1 на собствените си ARM процесори. Определено, това бе сигнал за индустрията за потенциални промени на пазара, но резултатите от бенчмарковете не бяха обнадеждаващи.

В таблицата по-долу са показани резултатите от стрес тестовете на инстанси EC2 A1 (ARM) и EC2 M5d.metal (x86). За тестване беше използваща 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

Както виждаме, A1 показаха по-слаби резултати във всички тестове, с изключение на кеша. По повечето други показатели ARM значително изоставаше. Тази разлика в производителността е по-голяма от разликата в цената от 46% между A1 и M5. С други думи, инстанциите с x86 процесори все още остават по-изгодни в съотношение цена/производителност:

Test
EC2 A1
EC2 M5d.metal
Разликата

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%

Разбира се, микробенчмарковете не винаги показват обективна картина. Важна е разликата в реалната производителност на приложението. Но и тук ситуацията не бе по-добра. Колегите от Scylla сравниха инстанции a1.metal и m5.4xlarge с однакво количество процесори. В стандартния тест за четене на NoSQL база данни с конфигурация с един узел, първата показа 102 000 операции четене в секунда, а втората 610 000. И в двата случая всички налични процесори се използват на 100%. Това съответства на намаляване на производителността приблизително шест пъти, което не се компенсира от по-ниската цена.

Освен това, инстанциите A1 работят само на EBS без поддръжка на бързи устройства NVMe, както в другите инстанции.

В общи линии, A1 стана стъпка в нова посока, но не оправда очакванията за ARM.

Второто пришествие на ARM: инстанции EC2 M6

Всичко се промени тази седмица, когато AWS представи нов клас ARM-сървъри, както и редица инстанции на нови процесори Graviton2, включително M6g и M6gd.

Сравнението на тези инстанции показва съвсем различна картина. В някои тестове ARM показва по-добри резултати, а в други много по-добри от x86.

Ето резултатите от изпълнението на същата команда за стрес тест:

Test
EC2 M6g
EC2 M5d.metal
Разликата

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%

Вече става дума за съвсем друг къмпричинява: M6g е пет пъти по-бърз от A1 при операциите за четене на NoSQL базата данни Scylla, а в новите инстанции M6gd работят бързи NVMe дискове.

Настъпление на ARM на всички фронтове

Процесорът AWS Graviton2 е само един пример за използването на ARM в дата центровете. Но сигнали идват от различни страни. Например, на 15 ноември 2019 г. американският стартъп Nuvia привлече $53 млн. венчурно финансиране.

Стартъпът е основан от трима водещи инженери, които работили по създаването на процесори в Apple и Google. Те обещават да разработят процесори за дата центрове, които да конкурират Intel и AMD.

По с наличната информация, Nuvia проектира от нулата процесорно ядро, което може да бъде изградена "нагоре" архитектурата ARM, но без да получава лиценз за ARM.

Всичко това показва, че ARM процесорите са готови да завладеят пазара на сървърите. В крайна сметка живеем в епохата след ПК. Годишните доставки на x86 спаднаха с почти 10% от пика през 2011 г., докато RISC чиповете нараснаха до 20 милиарда. Днес 99% от 32- и 64-битовите процесори в света са RISC.

Лауреатите на наградата Тюринг Джон Хенеси и Дейвид Патерсън публикуваха статия през февруари 2019 г. «Нова златна ера за компютърната архитектура». Ето какво пишат те:

Пазарът разреши спора между RISC и CISC. Въпреки че CISC спечели по-късните етапи на епохата на ПК, RISC печели сега, когато е настъпила епохата след ПК. Нови ISA на CISC не са създавани през последните десетилетия. За наше учудване, общото мнение за най-добрите принципи на ISA за процесори с общо предназначение днес все още е в полза на RISC, 35 години след неговото изобретение... В екосистемите с отворен код, изкусно проектирани чипове ще демонстрират постижения и така ще ускорят комерсиализацията. Философията на процесорите с общо предназначение в тези чипове вероятно ще бъде RISC, който е издържал изпитанието на времето. Очаквайте подобни стремителни иновации, каквито е имало през миналата златна ера, но този път с акцент на цена, енергия и сигурност, а не само на производителност.

«В следващото десетилетие ще настъпи кембрийски взрив на нови компютърни архитектури, което означава вълнуващи времена за архитектите на компютърни системи в академичните среди и индустрията», заключават те в края на статията.

Източник: habr.com