Започва ли ерата на ARM сървърите?

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

Много години процесорите ARM с опростен набор от команди (RISC) доминират на пазара на мобилни устройства. Но все още 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, нямаше до тази седмица.

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

Инфраструктурният бизнес — това е сравнение на цифри. Всъщност, на клиентите на дата-центъра или облачния сервис не им е важно каква архитектура имат процесорите. Това, което ги интересува, е съотношението цена и производителност. Ако работата на ARM е по-евтина от тази на x86, те ще я изберат.

До неотдавна не можеше да се каже категорично, че изчисленията на ARM ще бъдат по-изгодни от тези на x86. Например, 24-ядреният ARM Cortex A53 — това е модел SocioNext SC2A11 на стойност около 1000 $, който можеше да стартира уеб-сървър на Ubuntu, но по производителност значително изоставаше срещу процесорите x86.

Въпреки това, впечатляващата енергийна ефективност на ARM-процесорите накара много хора отново да се интересуват от тях. Например, SocioNext SC2A11 консумира само 5 W. А на електричеството се падат почти 20% от разходите на дата-центъра. Ако тези чипове покажат прилична производителност, то за x86 няма да останат шансове.

Първото идване на ARM: инстанси EC2 A1

В края на 2018 г. AWS представи инстанси EC2 A1 на собствени ARM-процесори. Определено, това беше сигнал за индустрията относно потенциални промени на пазара, но резултатите от бенчмарковете се оказаха разочароващи.

В таблицата по-долу са показани резултатите от стрес-тестовете на инстансите EC2 A1 (ARM) и EC2 M5d.metal (x86). За тестуването бе използвана утилитата 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 се представиха по-добре само в кеша. По мнозинството други показатели ARM значително отстъпваха. Тази разлика в производителността е по-голяма от разликата в цената от 46% между A1 и M5. С други думи, инстансите с x86 процесори все още са по-изгодни по отношение цена/производителност:

Тест
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 е по-добра. Колегите от Scylla сравниха инстансите a1.metal и m5.4xlarge с еднакъв брой процесори. В стандартния тест за четене на NoSQL база данни с конфигурация с един възел първият показа 102 000 операции четене в секунда, а вторият 610 000. В двете случая всички налични процесори се използват на 100%. Това съответства на спад в производителността приблизително шест пъти, което не се компенсира от по-ниската цена.

Освен това, инстансите A1 работят само с EBS без поддръжка на бързи устройства NVMe, както при другите инстанси.

В общи линии, A1 е стъпка в нова посока, но не оправдава очакванията за ARM.

Второ пришествие на ARM: инстансите EC2 M6

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

Сравнението на тези инстанси показва съвсем различна картина. В някои тестове ARM се представя по-добре, а понякога значително по-добре от x86.

Ето резултатите от изпълнението на същата команда за стрес-тестиране:

Тест
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%

Това вече е съвсем различен случай: M6g е пет пъти по-бърз от A1 при операции по четене от NoSQL базата данни Scylla, а в новите инстанси M6gd работят бързи NVMe устройства.

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. долара рисково финансиране.

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

Според според наличната информация, Nuvia е проектирала от нула процесорно ядро, което може да бъде изградена „на“ архитектурата ARM, но без получаване на лиценз от ARM.

Всичко това показва, че ARM процесорите са готови да завладеят сървърния пазар. В края на краищата, живеем в ерата след PC. Годишните доставки на x86 са спаднали с почти 10% спрямо пиковата 2011 година, докато чиповете RISC са нараснали 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 година „Нова златна ера за компютърната архитектура“. Ето какво пишат те:

Пазарът реши спора между RISC и CISC. Докато CISC спечели по-късните етапи на ерата на PC, RISC печели сега, когато е настъпила ерата след PC. Нови ISA на CISC не са се създавали в продължение на десетилетия. Учудващо, общото мнение относно най-добрите принципи за ISA за процесори с общо предназначение все още се накланя в полза на RISC, 35 години след неговото изобретение… В екосистемите с отворен код, изкусно проектираните чипове убедително ще демонстрират постиженията и така ще ускорят търговското внедряване. Философията на процесорите с общо предназначение в тези чипове, вероятно ще бъде RISC, който е издържал теста на времето. Очаквайте подобни иновации, както по време на предишната златна ера, но този път с оглед на цената, енергията и безопасността, а не само на производителността.

„В следващото десетилетие ще настъпи камбриански взрив на нови компютърни архитектури, което означава вълнуващи времена за компютърните архитекти в академичните среди и индустрията“, заключават те в края на статията.

Източник: habr.com