Prichádza éra ARM serverov?

Základná doska SynQuacer E-Series pre 24-jadrový ARM server s procesorom ARM Cortex A53 a 32 GB RAM, december 2018

Roky dominujú procesory ARM s redukovanou sadou inštrukcií (RISC) na trhu mobilných zariadení. Ale nikdy sa im nepodarilo preniknúť do dátových centier, kde naďalej vládnu Intel a AMD so sadou inštrukcií x86. Pravidelne sa objavujú jednotlivé exotické riešenia, ako 24-jadrový ARM server na platforme Banana Pi, ale vážne ponuky zatiaľ chýbajú. Presnejšie, nebolo ich až do tohto týždňa.

V tomto týždni spustila AWS vo svojej cloudovej službe vlastné 64-jadrové ARM procesory Graviton2 — ide o systém na čipe s jadrom ARM Neoverse N1. Spoločnosť tvrdí, že Graviton2 je výrazne rýchlejší ako ARM procesory predchádzajúcej generácie v inštanciách EC2 A1, a tu sú prvé nezávislé testy.

Infrastrukturný obchod závisí od porovnania čísel. Pre klientov dátových centier a cloudových služieb v podstate nezáleží na architektúre procesorov. Zaujíma ich pomer ceny a výkonu. Ak je práca na ARM lacnejšia ako na x86, títo si vyberú ARM.

Až donedávna nebolo možné jednoznačne povedať, že výpočty na ARM budú výhodnejšie ako na x86. Napríklad serverový 24-jadrový ARM Cortex A53 je model SocioNext SC2A11 , ktorý stojí okolo 1000 dolárov a mohol by spustiť webový server na Ubuntu, ale výkonovo výrazne zaostáva za procesormi x86.

Avšak, ohromujúca energetická efektívnosť procesorov ARM opäť a znovu priťahuje pozornosť. Napríklad SocioNext SC2A11 spotrebováva len 5 W. A elektrická energia predstavuje takmer 20% nákladov dátového centra. Ak tieto čipy predvedú uspokojivý výkon, x86 nebude mať žiadnu šancu.

Prvá vlna ARM: inštancie EC2 A1

Na konci roka 2018 AWS predstavila inštancie EC2 A1 na vlastných ARM procesoroch. Určite to bolo signálom pre priemysel o potenciálnych zmenách na trhu, ale výsledky benchmarkov boli neuspokojivé.

V nasledujúcej tabuľke sú uvedené výsledky stresového testovania inštancií EC2 A1 (ARM) a EC2 M5d.metal (x86). Na testovanie sa použil nástroj stress-ng:

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

Ako vidno, A1 sa vo všetkých testoch ukázali horšie, okrem cache. V mnohých ďalších parametroch ARM zaostávali veľmi výrazne. Tento rozdiel vo výkone je väčší ako rozdiel v cene 46 % medzi A1 a M5. Inými slovami, inštancie na procesoroch x86 zostávajú stále výhodnejšie z hľadiska ceny/výkonu:

Test
EC2 A1
EC2 M5d.metal
Rozdiel

cache
1280
311
311,58%

icache
18209
34368
-47,02%

matica
77932
252190
-69,10%

cpu
9336
24077
-61,22%

memcpy
21085
111877
-81,15%

qsort
522
728
-28,30%

dentry
1389634
2770985
-49.85%

časovač
4970125
15367075
-67,66%

Samozrejme, mikrobencmarky neukazujú vždy objektívny obraz. Dôležitý je rozdiel v reálnom výkone aplikácie. Ale ani tu sa obraz neukázal lepší. Kolegovia zo Scylla porovnali inštancie a1.metal a m5.4xlarge s rovnakým počtom procesorov. V štandardnom teste na čítanie databázy NoSQL v konfigurácii s jedným uzlom prvá dosiahla 102 000 operácií čítania za sekundu, zatiaľ čo druhá 610 000. V oboch prípadoch sa všetky dostupné procesory využívali na 100 %. To zodpovedá poklesu výkonu približne šesťkrát, čo nie je kompenzované nižšou cenou.

Okrem toho inštancie A1 fungujú iba na EBS bez podpory rýchlych zariadení NVMe, ako je to v iných inštanciách.

Celkovo, A1 bol krokom novým smerom, ale nesplnil očakávania na ARM.

Druhé príchod ARM: inštancie EC2 M6

Všetko sa zmenilo tento týždeň, keď AWS predstavilo novú triedu ARM serverov, ako aj sériu inštancií na nových procesoroch Graviton2, vrátane M6g a M6gd.

Porovnanie týchto inštancií ukazuje už úplne iný obraz. V niektorých testoch ARM preukazuje lepší výkon, a občas oveľa lepší ako x86.

Tu sú výsledky vykonania tej istej príkazovej stresovej skúšky:

Test
EC2 M6g
EC2 M5d.metal
Rozdiel

cache
218
311
-29,90%

icache
45887
34368
33,52%

matica
453982
252190
80,02%

cpu
14694
24077
-38,97%

memcpy
134711
111877
20,53%

qsort
943
728
29,53%

dentry
3088242
2770985
11,45%

časovač
55515663
15367075
261,26%

Toto je už úplne iná vec: M6g je päťkrát rýchlejší ako A1 pri vykonávaní operácií čítania z databázy Scylla NoSQL, a v nových inštanciách M6gd pracujú rýchle disky NVMe.

Postup ARM na všetkých frontoch

Procesor AWS Graviton2 je len jeden príklad využitia ARM v dátových centrách. Ale signály prichádzajú z rôznych strán. Napríklad 15. novembra 2019 americký startup Nuvia prilákal 53 miliónov dolárov rizikového financovania.

Startup založili traja vedúci inžinieri, ktorí sa zaoberali vývojom procesorov v Apple a Google. Sľubujú vyvinúť procesory pre dátové centrá, ktoré budú konkurovať Intelu a AMD.

V porovnaní existujúce informácie, Nuvia navrhla od základov procesorové jadro, ktoré môže byť postavené „na vrch“ architektúry ARM, ale bez získania licencie ARM.

Všetko to naznačuje, že ARM procesory sú pripravené dobývať serverový trh. Napokon, žijeme v ére post-PC. Ročné dodávky x86 klesli o takmer 10% od vrcholu v roku 2011, zatiaľ čo čipy RISC vzrástli na 20 miliárd. Dnes 99% 32- a 64-bitových procesorov na svete sú RISC.

Nositelia Ceny Turinga John Hennessy a David Patterson v februári 2019 publikovali článok „Nový zlatý vek počítačovej architektúry“. Toto sú ich slová:

Trh rozhodol spor RISC a CISC. Hoci CISC vyhral neskoršie fázy éry PC, RISC víťazí teraz, keď nastala éra post-PC. Nové ISA na CISC sa nevytvárali celé desaťročia. Na naše prekvapenie, celkové názory na najlepšie princípy ISA pre univerzálne procesory sú dnes stále naklonené na RISC, 35 rokov po jeho vynáleze… V ekosystémoch s otvoreným zdrojom majstrovsky navrhnuté čipy presvedčivo preukážu pokroky a tým urýchlia komerčné zavedenie. Filozofiou univerzálnych procesorov v týchto čipoch pravdepodobne bude RISC, ktorý obstál v skúške časom. Očakávajte podobne rýchly pokrok ako počas minulého zlatého veku, ale tentoraz z pohľadu nákladov, energie a bezpečnosti, a nie len výkonu.

„V nasledujúcom desaťročí dôjde k kambriánskemu výbuchu nových počítačových architektúr, čo znamená vzrušujúce časy pre počítačových architektov v akademických kruhoch a v priemysle,“ uznávajú vo svojom závere článku.

Zdroj: habr.com