Er tiden for ARM-servere kommet?

SynQuacer E-Series hovedkort for en 24-kjerners ARM-server med ARM Cortex A53-prosessor og 32 GB RAM, desember 2018

I mange år har ARM-prosessorer med reduserte instruksjonssett (RISC) dominert mobilmarkedet. Men de har til nå ikke klart å ta seg inn i datasentrene, hvor Intel og AMD fortsatt regjerer med x86-arkitektur. Det har av og til dukket opp eksotiske løsninger, som en 24-kjerners ARM-server på Banana Pi-plattformen, men det har ennå ikke vært noen betydelige tilbud. I det minste ikke før denne uken.

Den uken lanserte AWS sine egne 64-kjerners ARM-prosessorer i skyen, Graviton2, som er et system-på-brikke med ARM Neoverse N1-kjerne. Selskapet påstår at Graviton2 er betydelig raskere enn forrige generasjon ARM-prosessorer i EC2 A1-instansene, og her er de første uavhengige testene..

Infrastrukturvirksomhet er en sammenligning av tall. I bunn og grunn er det ikke viktig for kundene i et datasenter eller en skytjeneste hvilken arkitektur prosessorene har. Det som betyr noe er pris-prestasjon-forholdet. Hvis det er billigere å bruke ARM enn x86, vil de velge det.

Inntil nylig var det vanskelig å si entydig at beregninger på ARM ville være mer lønnsomme enn på x86. For eksempel er en server med 24-kjerners ARM Cortex A53-modell, SocioNext SC2A11, som koster rundt $1000, i stand til å kjøre en webserver på Ubuntu, men den er betydelig svakere enn x86-prosessorer.

Men den fantastiske energieffektiviteten til ARM-prosessorene gir oss grunn til å se nærmere på dem igjen og igjen. For eksempel bruker SocioNext SC2A11 bare 5 W. Strømregningen utgjør omtrent 20 % av kostnadene til et datasenter. Hvis disse brikkene viser anstendig ytelse, har ikke x86 sjans.

Første ankomst av ARM: EC2 A1-instansene

I slutten av 2018 presenterte AWS EC2 A1-instansene med sine egne ARM-prosessorer. Dette var definitivt et signal til industrien om potensielle endringer i markedet, men benchmarkresultatene var skuffende.

I tabellen nedenfor vises resultatene fra stresstesting av EC2 A1 (ARM) og EC2 M5d.metal (x86) instanser. Stress-testingverktøyet stress-ng,:

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

Som vi ser, har A1 prestert dårligere i alle tester bortsett fra cache. Når det gjelder de fleste andre indikatorer, er ARM betydelig svakere. Denne forskjellen i ytelse er større enn prisforskjellen på 46% mellom A1 og M5. Med andre ord, instanser med x86-prosessorer har fremdeles en bedre kostnad/ytelse.

Test
EC2 A1
EC2 M5d.metal
Forskjellen

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%

Selvfølgelig viser mikrobenchmarks ikke alltid et objektivt bilde. Forskjellen i reell applikasjonsytelse er viktig. Men her var bildet ikke bedre. Kollegaene fra Scylla sammenlignet instansene a1.metal og m5.4xlarge med samme antall prosessorer. I den standard NoSQL-databasen testen med én node viste den første 102 000 leseoperasjoner per sekund, mens den andre viste 610 000. I begge tilfeller ble alle tilgjengelige prosessorer brukt til 100%. Dette tilsvarer et ytelsestap på omtrent seks ganger, noe som ikke kompenseres av den lavere prisen.

I tillegg kjører A1-instanser kun på EBS uten støtte for hurtige NVMe-enheter, slik som i de andre instansene.

Generelt sett er A1 et skritt i en ny retning, men det innfridde ikke forventningene til ARM.

Den andre ankomsten av ARM: EC2 M6-instanser

Alt endret seg denne uken da AWS presenterte en ny klasse ARM-servere samt en rekke instanser på de nye prosessorene Graviton2,, inkludert M6g og M6gd.

Sammenligningen av disse instansene viser et helt annet bilde. I noen tester presterer ARM bedre, og noen ganger mye bedre enn x86.

Her er resultatene fra den samme stressovervåkingskommandoen:

Test
EC2 M6g
EC2 M5d.metal
Forskjellen

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%

Dette er et helt annet nivå: M6g er fem ganger raskere enn A1 når det gjelder leseoperasjoner fra Scylla NoSQL-databasen, og i de nye M6gd-instansene er det raske NVMe-lagringsenheter.

ARM-suksess på alle fronter

AWS Graviton2-prosessoren er bare ett eksempel på bruken av ARM i datasentre. Men signaler kommer fra flere kanter. For eksempel, 15. november 2019 samlet den amerikanske oppstartsbedriften Nuvia 53 millioner dollar i venturekapital.

Oppstarten ble grunnlagt av tre ledende ingeniører som har jobbet med prosessorutvikling i Apple og Google. De lover å utvikle prosessorer for datasentre som skal kunne konkurrere med Intel og AMD.

Ifølge ifølge tilgjengelig informasjon, har Nuvia designet en prosessorkjerne fra bunnen av som kan bygges "over" ARM-arkitekturen, men uten å måtte lisensiere ARM.

Alt dette tyder på at ARM-prosessorer er klare til å erobre servermarkedet. Tross alt lever vi i en post-PC-epoke. Årlige leveranser av x86 har falt med nesten 10 % siden toppåret 2011, mens RISC-brikker har steget til 20 milliarder. I dag er 99 % av 32- og 64-bits prosessorer i verden RISC.

Turing-prisvinnerne John Hennessy og David Patterson publiserte en artikkel i februar 2019 «En ny gullalder for datamaskinarkitektur». Slik skriver de:

Markedet har avgjort konflikten mellom RISC og CISC. Selv om CISC vant de senere stadiene av PC-epoken, vinner RISC nå som vi har gått inn i post-PC-epoken. Det har ikke blitt utviklet nye ISA-er for CISC på flere tiår. Til vår overraskelse er den generelle oppfatningen av de beste prinsippene for ISA for generelle prosessorer i dag fortsatt til fordel for RISC, 35 år etter oppfinnelsen… I økosystemer med åpen kildekode vil kunstnerisk utviklede brikker overbevisende demonstrere fremgangsmåter og dermed akselerere kommersiell adopsjon. Filosofien til generelle prosessorer i disse brikkene vil sannsynligvis være RISC, som har bestått tidens prøve. Forvent like raske innovasjoner som i den forrige gullalderen, men denne gangen med tanke på kostnad, energi og sikkerhet, ikke bare ytelse.

«I det kommende tiåret vil det skje en kambrisk eksplosjon av nye datamaskinarkitekturer, noe som betyr spennende tider for datamaskinarkitekter både i akademia og i industrien,» konkluderer de på slutten av artikkelen.

Kilde: habr.com