Наступает эпоха ARM-серверов?

Материнcкая плата SynQuacer E-Series для 24-ядерного ARM-сервера на процессоре ARM Cortex A53 с 32 ГБ оперативной памяти, декабрь 2018 года

Много лет процессоры ARM с сокращённым набором команд (RISC) доминируют на рынке мобильных устройств. Но им так и не удалось пробиться в дата-центры, где по-прежнему властвуют Intel и AMD с набором инструкций x86. Периодически появляются отдельные экзотические решения, такие как 24-ядерный ARM-сервер на платформе Banana Pi, но серьёзных предложений пока нет. Точнее, не было до этой недели.

На этой неделе AWS запустила в облаке собственные 64-ядерные ARM-процессоры Graviton2 — это система-на-кристалле с ядром ARM Neoverse N1. Компания утверждает, что Graviton2 намного быстрее, чем ARM-процессоры предыдущего поколения в инстансах EC2 A1, а вот и первые независимые тесты.

Инфраструктурный бизнес — это сравнение цифр. По сути, клиентам дата-центра или облачного сервиса не важно, какая архитектура у процессоров. Их волнует соотношение цены и производительности. Если работа на ARM дешевле, чем на x86, то их и выберут.

До последнего времени нельзя было однозначно сказать о том, что вычисления на ARM будут выгоднее, чем на x86. Например, серверный 24-ядерный ARM Cortex A53 — это модель SocioNext SC2A11 стоимостью около $1000, которая могла поднять веб-сервер на Ubuntu, но по производительности сильно уступала процессором x86.

Однако потрясающая энергоэффективность процессоров ARM заставляет снова и снова присматриваться к ним. Например, SocioNext SC2A11 потребляет всего 5 Вт. А ведь на электроэнергию приходится почти 20% затрат дата-центра. Если эти чипы покажут пристойную производительность, тогда у x86 не останется шансов.

Первое пришествие ARM: инстансы EC2 A1

В конце 2018 года AWS представила инстансы EC2 А1 на собственных ARM-процессорах. Определённо, это было сигналом для индустрии о потенциальных изменениях на рынке, но результаты бенчмарков оказались неутешительными.

В таблице ниже показаны результаты стресс-тестирования инстансов EC2 A1 (ARM) и EC2 M5d.metal (x86). Для тестирования использовалась утилита stress-ng:

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

Как видим, A1 проявили себя хуже во всех тестах, кроме кэша. По большинству других показателей ARM уступали очень сильно. Эта разница в производительности больше, чем разница в цене 46% между А1 и M5. Другими словами, инстансы на процессорах x86 по-прежнему оставались выгоднее по соотношению цена/производительность:

Конечно, микробенчмарки не всегда показывают объективную картину. Важна разница в реальной производительности приложения. Но и здесь картина оказалась не лучше. Коллеги из Scylla сравнили инстансы a1.metal и m5.4xlarge с одинаковым количеством процессоров. В стандартном тесте на чтение базы данных NoSQL в конфигурации с одним узлом первая показала 102 000 операций чтения в секунду, а вторая 610 000. В обоих случаях все доступные процессоры используются на 100%. Это соответствует снижению производительности примерно в шесть раз, что не компенсируется более низкой ценой.

Кроме того, инстансы A1 работают только на EBS без поддержки быстрых устройств NVMe, как в других инстансах.

В общем, A1 стал шагом в новом направлении, но не оправдал надежд на ARM.

Второе пришествие ARM: инстансы EC2 M6

Всё изменилось на этой неделе, когда AWS представила новый класс ARM-серверов, а также ряд инстансов на новых процессорах Graviton2, в том числе M6g и M6gd.

Сравнение этих инстансов показывает уже совершенно другую картину. В некоторых тестах ARM проявляет себя лучше, а иногда намного лучше, чем x86.

Вот результаты выполнения той же команды стресс-тестирования:

Это уже совершенно другое дело: M6g в пять раз быстрее A1 при выполнении операций чтения из базы данных Scylla NoSQL, а в новых инстансах M6gd работают быстрые накопители NVMe.

Наступление ARM по всем фронтам

Процессор AWS Graviton2 — лишь один пример использования ARM в дата-центрах. Но сигналы поступают с разных сторон. Например, 15 ноября 2019 года американский стартап Nuvia привлёк $53 млн венчурного финансирования.

Стартап основали три ведущих инженера, которые занимались созданием процессоров в Apple и Google. Они обещают разработать процессоры для дата-центров, которые составят конкуренцию Intel и AMD.

По имеющейся информации, Nuvia спроектировала с нуля процессорное ядро, которое может быть построено «поверх» архитектуры ARM, но без получения лицензии ARM.

Всё это указывает на то, что ARM-процессоры готовы покорить серверный рынок. В конце концов, мы живём в эпоху пост-ПК. Годовые поставки x86 упали почти на 10% с пикового 2011 года, в то время как чипы RISC взлетели до 20 миллиардов. Сегодня 99% 32- и 64-разрядных процессоров в мире — это RISC.

Лауреаты премии Тьюринга Джон Хеннесси и Дэвид Паттерсон в феврале 2019 года опубликовали статью «Новый золотой век для компьютерной архитектуры». Вот что они пишут:

Рынок урегулировал спор RISC и CISC. Хотя CISC выиграл более поздние этапы эпохи ПК, но RISC выигрывает сейчас, когда наступила эпоха пост-ПК. Новых ISA на CISC не создавалось в течение десятилетий. К нашему удивлению, общее мнение по лучшим принципам ISA для процессоров общего назначения сегодня по-прежнему склоняется в пользу RISC, спустя 35 лет после его изобретения… В экосистемах с открытым исходным кодом искусно разработанные чипы убедительно продемонстрируют достижения и тем самым ускорят коммерческое внедрение. Философией процессоров общего назначения в этих чипах, скорее всего, будет RISC, который выдержал испытание временем. Ожидайте таких же стремительных инноваций, как и во время прошлого золотого века, но на этот раз с точки зрения стоимости, энергии и безопасности, а не только производительности.

«В следующем десятилетии произойдет кембрийский взрыв новых компьютерных архитектур, означающий захватывающие времена для компьютерных архитекторов в академических кругах и в индустрии», — такой вывод делают они в завершении статьи.