80核Arm服务器CPU发布，架构之争拐点已到？

shuszhao

多年来，英特尔以x86架构几乎雄霸服务器处理器市场，多家公司先后以Arm架构推出服务器处理器，均未能撼动其地位。这主要是因为以前Arm用于服务器芯片的IP、内核和X86相比，在性能上还有一定的差距。但实际上，Arm的RISC（精简指令集）架构比x86更高效……

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过去十到十五年，云计算的需求相比以前基于企业级的计算发生了很大变化。从软件角度，需求更多朝向云原生，如容器（Containers）、微服务（Microservices）和函数即服务（FaaS）等计算模型快速转变，而不是以前那种面向企业级内部的计算模型。
“所以现在我们所说的“云”，实际上是指从超大规模云到分布式的边缘云。”在日前安晟培半导体（Ampere Computing）举办的一场“云发布会”上，Ampere 产品高级副总裁Jeff Wittich解释了为什么行业需要新一代的处理器和平台，“当前，越来越多的边缘数据中心在延时、散热、功耗需求上变得和以前不一样。超大规模云和边缘云计算需求的增长，对CPU部署密度和能耗的要求越来越高，机器学习、人工智能的不断增长，也对这种计算能力产生了非常大的需求。”

                               
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Ampere 产品高级副总裁Jeff Wittich

为什么需要全新的云处理器？


随着越来越多的边缘云计算客户定制化，除了将GPU用于AI，smartNIC、smartnet用于网络工作负载等，越来越多的异构基础设施要求有云计算能力。“这需要一种专门针对云的新型计算能力，实现这种计算需要很多非常高效的CPU的内核，保持非常低功耗的同时，兼顾扩展性。” Jeff Wittich说到，“而且新一代面向云的计算架构需要更加开放，以往用于云计算的那些 CPU有很多制约因素，不但制约创新，还增加了风险。”
能效是很重要的一个问题，不仅仅是影响到企业运营成本，而且大规模部署后，绿色可持续方面也是全球性问题。
在过去5-10年，全球数据中心的电力消耗总量已经占据了全球电力使用量的3%，并保持稳定。可见虽然数据中心的数量在增加，但能效方面也在不断创新，减少设备的单位耗电量。不过预计到2030年，全世界的数据中心耗电量大概将占总耗能的11%。
Jeff Wittich 表示:“航空业在世界上被认为是非常不绿色、不环保的行业。但是现在数据中心除了耗电之外，它的温室气体的排放量，基本上已经等于整个航空业了。”一些比较简单易行的节能创新措施已经基本施行过了，所以未来数据中心进一步扩大，为了进一步节能和减少温室气体排放量，需要用于云端的更高能效处理器。

                               
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从2008年到2013年，x86 CPU的性能及能效基本保持年度复合增长率(CAGR)60%左右。因为采取了节能措施，耗电量并没有与性能同步增长，所以总体能耗维持在同一个水平增长。但是过去六到七年，性能每年的复合增长率已经达不到60%了，能效增长也下降了很多。（图自：Ampere）

80核的“核武器”


在本次发布会上正式发布的Ampere Altra™处理器，是业界首款搭载80个内核数量的服务器中央处理器，同时也是首款应用于新一代云和边缘计算数据中心的云原生中央处理器。
据介绍，Ampere Altra是Ampere全新一代专注于云的产品，也是Ampere每年一款的产品路书规划中推出的首款新型中央处理器。Ampere Altra的特点在于其单核单线程的内核设计，能够提供可预测的高性能、用户的安全隔离、全平台扩展性以及高能效。可以为前沿科技领域如数据分析、人工智能、数据库、数据存储、电信堆栈、边缘计算、Web主机与云原生应用等提供能效提升。

                               
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Ampere Altra的产品特性如下：

[li]单路80个单线程内核，双路160个内核[/li][li]7nm制程工艺[/li][li]2PDC，支持8 通道DDR4-3200内存，单路内存容量4TB[/li][li]单路配置支持128 条PCIe Gen4 通道，双路配置支持192条通道[/li][li]采用CCIX协议，支持加速器一致性互联[/li][li]两个128位SIMD单元[/li][li]使用int8和fp16运算指令进行AI推理加速[/li][li]服务器级RAS[/li][li]Arm v8.2+架构，符合服务器基础架构规范（SBSA）4级[/li]

与传统服务器CPU相比


多年来，英特尔以x86架构几乎雄霸服务器处理器市场，多家公司先后以Arm架构推出服务器处理器，均未能撼动其地位。Jeff Wittich认为，这主要是因为以前Arm用于服务器芯片的IP、内核和X86相比，在性能上还有一定的差距。但实际上，Arm的RISC（精简指令集）架构比x86更高效。
在过去一段时间，Arm一直致力于推进可用于数据中心高性能、高能效的内核研究，“利用我们之前的经验积累，在云这一块，全新IP已经能够为我们提供超过x86服务器CPU的性能。另外，随着台积电7纳米工艺技术的成熟，我们可以使用体积最小、能效最高、速度最快的晶体管。”
和传统服务器CPU架构相比，Ampere的80个内核架构有几个创新点，Jeff Wittich介绍到：
第一、单线程。单线程的目的是为每一个用户提供稳定、可预测的性能。此外，在云计算的时候，单线程还能够提供非常好的安全隔离。
第二、通过对架构的优化，来提供最多数量的内核。这个核数比市场上同类处理器的核数更多，而且是基于Mesh网格化部署，密度高，能提供好的一致性和高效率。
第三、这款内核能效在目前市场上是最高的。内核优化的结果是，只让这个内核提供云计算所需要的性能，以前那些非云计算所需要的额外功能特性不再提供了，这样就减少了耗电量，提高了每一个核的功耗效率。

                               
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Jeff Wittich向《电子工程专辑》介绍道，这款80内核处理器的面积和其他的业内处理器一样大，主板脚座（Socket）是LGA，也和其他处理器一致。同时针对不同功耗点，会有多种CPU的SKUs品类，但能提供的性能都是一样的，由于效率非常高，部分型号还可以被部署到边缘。“例如我们可以提供45W处理器，但同时核数非常多，这对于边缘计算是非常适用的。”

                               
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在发布会上，Ampere性能对标的x86处理器分别是AMD EPYC 7742和Intel Xeon Platinum 8280。(图自：Ampere)

                               
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节能效率对标的x86处理器分别是AMD EPYC 7702和Intel Xeon Platinum 8276。(图自：Ampere)

                               
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可扩展性对标x86处理器分别是AMD EPYC 7702和Intel Xeon Platinum 8276。(图自：Ampere)

                               
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据Ampere在机架配置42U w/12.5kw功率下，基于SPECrate 2017_int_base估算，Ampere Altra的单机架内核密度高于AMD EPYC 7702 38%，高于intel Xeon Platinum 8276 173%；单机架性能高于AMD EPYC 7702 13%，高于intel Xeon Platinum 8276 120%。

                               
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单位成本性能对标的x86处理器分别是AMD EPYC 7702、Intel Xeon Gold 6238R和Intel Xeon Platinum 8276。(图自：Ampere)

关于Ampere


关于Ampere可能大家不会陌生，他们成立于2017年，创始人是此前英特尔历史上第六任总裁詹睿妮（Renee James）。她在2016年离开英特尔，加入凯雷集团（The Carlyle Group），并于2017年10月创立Ampere并担任首席执行官。作为一家同样主打Arm架构服务器处理器的公司，Renee James女士认为，Ampere将有与英特尔同台较量的实力。或许在全新云计算应用的推动下，Arm和x86在服务器处理器市场多年的竞争，马上就要出现拐点了。
“Ampere Altra是新一代服务器中央处理器中的首款，专为解决目前云端及边缘的工作负载问题而打造。作为业界首个80核云原生中央处理器，Ampere Altra将为行业带来突破性的性能表现。“Renee James女士表示，”成立两年以来，Ampere经验丰富的团队一直致力于为云计算客户提供重要且价值独特的创新成果。我们团队的关注重点是每年为市场与行业提供新的解决方案，以满足客户不断变化的需求。作为一家创立不久的年轻企业，Ampere Altra的问世是一个振奋人心的时刻，因为我们一直在不懈努力，致力于开创服务器处理器行业的未来。”
Ampere的团队中很多也是来自英特尔的大牛，平均在服务器行业已经工作了20年，并且特别专注于服务器中的云。这带来的好处是快速响应——他们知道如何很快的将一个产品设计好，来满足客户各种各样的需求。
首席技术官（CTO）是在英特尔服务超30年的原副总裁兼产品架构总经理Atiq Bajwa；执行副总裁是在英特尔服务26年的原副总裁、资深架构师Rohit Vidwans；逻辑开发副总裁是在英特尔服务21年，负责Pentium 4和Core的设计的原资深首席科学家Sean Mirkes；公司的两位资深研究员（Fellow）是Stephan Jourdan和Shiv Kaushik，都在英特尔工作超过20年。
Jeff Wittich 表示:“之前的经验让我们有信心，以每年一款的节奏推出新品，使得处理器的性能不断提升。”今年推出Altra后，Ampere计划2021年推出Mystique，和现有Altra平台兼容。2022年计划推出Siryn，每次的新品都将基于云应用的特点设计，并比上一代核数更多、性能更好、功耗更低。

合作伙伴与生态


据介绍，Ampere与全球伙伴合作，提供云计算软件系统、多种工具与硬件平台。Ampere Altra可以应用在裸金属服务器、虚拟机、容器化等各类云计算场景中，在硬件生态建设方面，去年NVIDIA宣布完全支持Arm生态。在异构计算方面，Jeff Wittich 表示他们的切入点是为GPU、FPGA提供等最好的连接触点、最大最宽的I/O带宽。
在软件生态系统上，Ampere目前支持包括Linux、BSD、windows在内的所有操作系统都，包括docker、KVM、vmware、kubernetes等在内的云工具，“我们和所有开源社区，包括软件开发商正在共同进一步完善我们的生态。另外Arm生态云服务商积极性很高，几年来他们一直在关注这个事，很多服务商已经把软件栈（Software stack）转移到Arm平台。” Jeff Wittich说到。
在兼容性上，Ampere接受所有开源项目或标准，像CCIX、OpenVMC等都支持。
据悉，基于Ampere Altra的单路服务器平台与双路服务器平台现已向全球的客户发货，其中包括许多全球顶级云服务提供商，包括微软、甲骨文（Oracle）等。目前，客户正在对Ampere Altra进行软件堆栈测试，从云端推动性能及能效的优化。
据介绍，目前Ampere Altra样品已提供给客户，将于2020年中投产。具体价格还没有公布，但是Jeff Wittich表示，Ampere的TCO 优势在于总体应用成本，所以成本和AMD、英特尔的x86处理器相比会有非常大的优势。

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