Är det en ny era för ARM-servrar?

SynQuacer E-Series moderkort för en 24-kärnig ARM-server med ARM Cortex A53-processor och 32 GB RAM, december 2018

I många år har ARM-processorer med reducerad instruktion uppsättning (RISC) dominerat på marknaden för mobila enheter. Men de har fortfarande inte kunnat slå sig in i datacenter, där Intel och AMD dominerar med x86-arkitekturen. Ibland dyker det upp några exotiska lösningar, som en 24-kärnig ARM-server baserad på Banana Pi, men det finns fortfarande inga seriösa erbjudanden. Åtminstone inte fram till denna vecka.

Den här veckan lanserade AWS sina egna 64-kärniga ARM-processorer i molnet, Graviton2, som är ett system-på-krets med en ARM Neoverse N1-kärna. Företaget hävdar att Graviton2 är mycket snabbare än föregående generationens ARM-processorer i EC2 A1-instanser, och här är de första oberoende testerna..

Infrastrukturverksamhet handlar om att jämföra siffror. I grund och botten spelar det ingen roll för kunderna i datacentret eller molntjänsten vilken arkitektur som används av processorerna. De är intresserade av kostnads- och prestandaförhållandet. Om det är billigare att köra på ARM än x86, så väljer de det.

Tills nyligen har man inte kunnat säga entydigt om beräkningar på ARM skulle vara mer lönsamma än på x86. Till exempel kostar en server med 24 kärnor ARM Cortex A53 runt 1000 USD och kunde köra en webbserver på Ubuntu, men låg betydligt efter i prestanda jämfört med x86-processorer. SocioNext SC2A11, prissatt till cirka $1000, som skulle kunna driva en webbserver på Ubuntu, men som var mycket underlägsen x86-processorer i prestanda.

Men den fantastiska energieffektiviteten hos ARM-processorer får oss att gång på gång titta på dem. Till exempel drar SocioNext SC2A11 bara 5 W. Elkostnader står för nästan 20 % av kostnaderna i datacentret. Om dessa chip visar acceptabel prestanda, kommer x86 inte ha en chans.

Första ankomsten av ARM: EC2 A1-instanser

I slutet av 2018 presenterade AWS EC2 A1-instanser på sina egna ARM-processorer. Detta var definitivt en signal till branschen om potentiella förändringar på marknaden, men resultaten från benchmarktester var dämpande.

I tabellen nedan visas resultaten från stresstester av EC2 A1 (ARM) och EC2 M5d.metal (x86)-instanser. För testerna användes verktyget 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 presterade A1 sämre i alla tester förutom cache. I de flesta andra mätningar låg ARM mycket efter. Denna prestandaskillnad är större än prisskillnaden på 46 % mellan A1 och M5. Med andra ord var instanser med x86-processorer fortfarande mer kostnadseffektiva när det gäller pris/prestanda:

Test
EC2 A1
EC2 M5d.metal
Skillnaden

cache
1280
311
311,58%

icache
18209
34368
-47,02%

, och som standard ser den ut så här:
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%

Naturligtvis visar mikrobenchmarks inte alltid en objektiv bild. Den verkliga prestandaskillnaden i applikationen är viktig. Men även här visade sig bilden inte vara bättre. Kollegor från Scylla jämförde instanserna a1.metal och m5.4xlarge med samma antal processorer. I det standardtestet för läsning från NoSQL-databasen i en konfiguration med en nod visade den första 102 000 läsoperationer per sekund, medan den andra visade 610 000. I båda fallen användes alla tillgängliga processorer till 100 %. Detta motsvarar en prestandanedgång på ungefär sex gånger, vilket inte kompenseras av det lägre priset.

Dessutom kör A1-instanser endast på EBS utan stöd för snabba NVMe-enheter, som i andra instanser.

Överlag har A1 blivit ett steg i en ny riktning, men har inte levt upp till förväntningarna på ARM.

ARM:s andra ankomst: EC2 M6-instanser

Allt förändrades den här veckan när AWS presenterade en ny klass av ARM-servrar samt ett antal instanser på nya processorer Graviton2,, inklusive M6g och M6gd.

Jämförelsen av dessa instanser visar redan en helt annan bild. I vissa tester presterar ARM bättre, ibland mycket bättre, än x86.

Här är resultaten från samma belastningstest:

Test
EC2 M6g
EC2 M5d.metal
Skillnaden

cache
218
311
-29,90%

icache
45887
34368
33,52%

, och som standard ser den ut så här:
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%

Detta är helt annat: M6g är fem gånger snabbare än A1 vid läsoperationer från Scylla NoSQL-databasen, och de nya M6gd-instanserna är utrustade med snabbare NVMe-lagringsenheter.

ARM:s framträdande på alla fronter

Processorn AWS Graviton2 är bara ett exempel på användningen av ARM i datacenter. Men signaler kommer från olika håll. Till exempel den 15 november 2019 samlade den amerikanska start-upen Nuvia 53 miljoner dollar i riskkapitalfinansiering.

Start-upen grundades av tre ledande ingenjörer som arbetat med att skapa processorer på Apple och Google. De lovar att utveckla processorer för datacenter som ska kunna konkurrera med Intel och AMD.

uttalandet Enligt tillgänglig information, Nuvia har designat ett processorkärna från grunden som kan byggas "ovanpå" ARM-arkitekturen, men utan att behöva licensiera ARM.

Allt detta pekar på att ARM-processorer är redo att erövra servermarknaden. Vi lever trots allt i en post-PC-epok. Årliga leveranser av x86 har minskat med nästan 10 % sedan toppåret 2011, medan RISC-chips har skjutit i höjden till 20 miljarder. Idag är 99 % av världens 32- och 64-bitars processorer RISC.

Turingprisvinnarna John Hennessy och David Patterson publicerade i februari 2019 en artikel ”Ett nytt guldålder för datorarkitektur”. Här är vad de skriver:

Marknaden har avgjort tvisten mellan RISC och CISC. Medan CISC vann under senare skeden av PC-eran, är det nu RISC som vinner i den post-PC-eran. Inga nya ISA:er för CISC har skapats på flera decennier. Till vår förvåning lutar den allmänna uppfattningen om de bästa ISA-principerna för allmänna processorer fortfarande åt RISC, 35 år efter dess uppfinning ... I ekosystem med öppen källkod kommer välutformade chips övertygande att visa prestationerna och därmed påskynda kommersiell adoption. Filosofin för allmänna processorer i dessa chips kommer sannolikt att vara RISC, som har stått tidens test. Förvänta dig lika snabba innovationer som under den förra guldåldern, men denna gång med avseende på kostnad, energi och säkerhet, inte bara prestanda.

”Under det kommande decenniet kommer det att inträffa en kambrosk explosion av nya datorarkitekturer, vilket innebär spännande tider för datorarkitekter inom akademin och industrin,” konkluderar de i slutet av artikeln.

Källa: habr.com