Beginnt die Ära der ARM-Server?

Das SynQuacer E-Series Mainboard für einen 24-Kern ARM-Server mit ARM Cortex A53 Prozessor und 32 GB RAM, Dezember 2018

Seit vielen Jahren dominieren ARM-Prozessoren mit reduzierter Befehlssatzarchitektur (RISC) den Markt für mobile Geräte. Es ist ihnen jedoch nicht gelungen, in Datenzentren vorzudringen, wo Intel und AMD mit ihrer x86-Befehlssatzarchitektur nach wie vor das Sagen haben. Gelegentlich tauchen exotische Lösungen wie ein 24-Kern ARM-Server auf der Banana Pi Plattform, aber ernsthafte Angebote gibt es bisher nicht. Genauer gesagt, gab es die bis zu dieser Woche nicht.

In dieser Woche hat AWS seine eigenen 64-Kern ARM-Prozessoren Graviton2 eingeführt – es handelt sich um ein System-on-a-Chip mit ARM Neoverse N1 Kern. Das Unternehmen behauptet, dass Graviton2 viel schneller ist als ARM-Prozessoren der vorherigen Generation in EC2 A1 Instanzen, und hier sind die ersten unabhängigen Tests.

Das Infrastrukturgeschäft basiert auf Zahlenvergleichen. Im Grunde genommen interessiert die Kunden von Datenzentren oder Cloud-Diensten nicht, welche Architektur die Prozessoren haben. Sie sind an der Preis-Leistungs-Verhältnis interessiert. Wenn die Arbeit auf ARM günstiger ist als auf x86, wird man sich für ARM entscheiden.

Bis vor kurzem war es nicht eindeutig zu sagen, dass Berechnungen auf ARM vorteilhafter sein würden als auf x86. Zum Beispiel ist der 24-Kern ARM Cortex A53 ein Modell, SocioNext SC2A11 das etwa 1000 $ kostet, welches einen Webserver unter Ubuntu betreiben konnte, aber hinsichtlich der Leistung erheblich hinter x86-Prozessoren zurückblieb.

Die erstaunliche Energieeffizienz der ARM-Prozessoren lässt jedoch immer wieder Interesse aufkommen. Zum Beispiel verbraucht der SocioNext SC2A11 nur 5 W. Schließlich machen Stromkosten fast 20 % der Ausgaben eines Datenzentrums aus. Wenn diese Chips akzeptable Leistungen zeigen, wird es für x86 keine Chance mehr geben.

Die erste Ankunft von ARM: EC2 A1 Instanzen

Ende 2018 stellte AWS EC2 A1 Instanzen auf eigenen ARM-Prozessoren vor. Dies war definitiv ein Signal für die Branche hinsichtlich potenzieller Veränderungen auf dem Markt, aber die Benchmark-Ergebnisse waren enttäuschend.

In der untenstehenden Tabelle sind die Ergebnisse des Stresstests der EC2 A1 (ARM) und EC2 M5d.metal (x86) Instanzen dargestellt. Für die Tests wurde das Tool stress-ng:

stress-ng --metrics-brief --cache 16 --icache 16 --matrix 16 --cpu 16 --memcpy 16 --qsort 16 --dentry 16 --timer 16 -t 1m

Wie wir sehen, haben sich die A1 in allen Tests schlechter geschlagen, mit Ausnahme des Caches. In den meisten anderen Kennzahlen hat ARM erheblich nachgelassen. Dieser Leistungsunterschied ist größer als der Preisunterschied von 46 % zwischen A1 und M5. Mit anderen Worten, Instanzen mit x86-Prozessoren bleiben hinsichtlich des Preis-Leistungs-Verhältnisses weiterhin attraktiver.

Test
EC2 A1
EC2 M5d.metal
Unterschied

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%

Natürlich zeigen Microbenchmarks nicht immer das objektive Bild. Der Unterschied in der tatsächlichen Anwendungsleistung ist wichtig. Aber auch hier war die Situation nicht besser. Die Kollegen von Scylla verglichen die Instanzen a1.metal und m5.4xlarge mit der gleichen Anzahl an Prozessoren. Im Standardtest zum Lesen von NoSQL-Datenbanken in einer Konfiguration mit einem Knoten erreichte die erste 102.000 Lesevorgänge pro Sekunde, während die zweite 610.000 betrug. In beiden Fällen wurden alle verfügbaren Prozessoren zu 100 % ausgelastet. Dies entspricht einem Rückgang der Leistung um etwa das Sechsfache, was nicht durch den niedrigeren Preis ausgeglichen wird.

Darüber hinaus arbeiten die A1-Instanzen nur mit EBS ohne Unterstützung schneller NVMe-Geräte wie bei anderen Instanzen.

Insgesamt war der A1 ein Schritt in eine neue Richtung, der jedoch die Erwartungen an ARM nicht erfüllte.

Das zweite Kommen von ARM: EC2 M6-Instanzen

Alles hat sich diese Woche geändert, als AWS eine neue Klasse von ARM-Servern sowie eine Reihe von Instanzen auf neuen Prozessoren vorstellte. Graviton2, darunter M6g und M6gd.

Der Vergleich dieser Instanzen zeigt bereits ein völlig anderes Bild. In einigen Tests schneidet ARM besser ab und manchmal viel besser als x86.

Hier sind die Ergebnisse der Ausführung desselben Stress-Testkommandos:

Test
EC2 M6g
EC2 M5d.metal
Unterschied

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%

Das ist schon eine ganz andere Sache: M6g ist fünfmal schneller als A1 bei Lesevorgängen aus der NoSQL-Datenbank Scylla, und in den neuen M6gd-Instanzen arbeiten schnelle NVMe-Speicher.

Der Vormarsch von ARM auf allen Fronten

Der AWS Graviton2-Prozessor ist nur ein Beispiel für die Nutzung von ARM in Rechenzentren. Aber die Signale kommen aus verschiedenen Richtungen. Zum Beispiel hat das amerikanische Start-up Nuvia 53 Millionen Dollar an Risikokapital aufgebracht.

Das Start-up wurde von drei führenden Ingenieuren gegründet, die an der Entwicklung von Prozessoren bei Apple und Google gearbeitet haben. Sie versprechen, Prozessoren für Rechenzentren zu entwickeln, die Konkurrenz für Intel und AMD bieten werden.

Nach vorhandene Informationen, Nuvia hat einen von Grund auf neuen CPU-Kern entworfen, der „auf“ der ARM-Architektur aufgebaut werden kann, jedoch ohne ARM-Lizenzierung.

All dies deutet darauf hin, dass ARM-Prozessoren bereit sind, den Servermarkt zu erobern. Schließlich leben wir in einer Post-PC-Ära. Die jährlichen Lieferungen von x86 sind seit dem Höchststand im Jahr 2011 um fast 10 % gesunken, während die RISC-Chips auf 20 Milliarden angestiegen sind. Heute sind 99 % der 32- und 64-Bit-Prozessoren weltweit RISC.

Die Turing-Preisträger John Hennessy und David Patterson veröffentlichten im Februar 2019 einen Artikel „Ein neues Goldenes Zeitalter der Computerarchitektur“. Sie schreiben:

Der Markt hat den Streit zwischen RISC und CISC beigelegt. Während CISC in den späteren Phasen der PC-Ära gesiegt hat, gewinnt RISC jetzt, da die Post-PC-Ära angebrochen ist. Seit Jahrzehnten wurden keine neuen ISAs für CISC entwickelt. Zu unserer Überraschung tendiert die allgemeine Meinung über die besten Prinzipien von ISAs für universelle Prozessoren auch heute noch 35 Jahre nach ihrer Erfindung zu RISC... In offenen Ökosystemen werden geschickt gestaltete Chips beeindruckend die Errungenschaften demonstrieren und damit die kommerzielle Einführung beschleunigen. Die Philosophie der universellen Prozessoren in diesen Chips wird voraussichtlich RISC sein, das sich über die Zeit bewährt hat. Erwarten Sie ähnliche dynamische Innovationen wie in der letzten goldenen Ära, jedoch diesmal im Hinblick auf Kosten, Energie und Sicherheit und nicht nur auf Leistung.

„Im nächsten Jahrzehnt wird es eine kambrische Explosion neuer Computerarchitekturen geben, was aufregende Zeiten für Computerarchitekten in akademischen Kreisen und in der Industrie bedeutet“, so ziehen sie am Ende des Artikels das Fazit.

Quelle: habr.com