В апстрим LLVM Clang 15 добавлена поддержка грядущих серверных Arm-процессоров, которые разрабатывает компания Ampere Computing. Релиз очередной мажорной версии LLVM намечен на осень этого года, да и выход новых CPU тоже должен состояться в этом году.

Как отмечает Phoronix, новая архитектура пока обозначена как Ampere1 и соответствует Armv8.6-A с поддержкой FP16, MTE (Memory Tagging), Speculation Barrier (SB), (Speculative Store Bypass Safe (SSBS) и других особенностей. Аналогичные патчи были отправлены в GCC ещё в ноябре прошлого года, так что Ampere можно похвалить за своевременную подготовку средств разработки и отладки ПО для новых процессоров.

Отметим, что относительно указанного наименования Ampere1 (или Ampere-1 в случае GCC) нигде не уточняется, является ли это обозначение рабочим наименованием чипов (как прежде бывало со многими другими платформами), новым брендом или торговой маркой или чем-либо ещё. Будущие процессоры Ampere будут использоваться 5-нм ядра, известные сейчас под кодовым именем Syrin. Они должны получить не менее 128 ядер, поддержку DDR5 и PCIe 5.0.

В семейство Arm Cortex-M входят относительно недорогие решения, ориентированные на минимальное энергопотребление. SoC на основе таких ядер обычно лежат в основе различных встраиваемых систем и устройств класса IoT. Впрочем, наработки из мира «больших» Cortex-A проникают и в этот сегмент: ещё в феврале 2020 года компания анонсировала серию Cortex-M55 (ARMv8.1-M), но сейчас она уступает место новому лидеру — Cortex-M85.

Для своего класса это действительно во многом уникальное процессорное ядро. В области целочисленных вычислений оно опережает Cortex-M7 с его шестистадийным суперскалярным конвейером, а при работе с векторными расширениями Helium, дебютировавшими в Cortex-M55, оказывается быстрее последнего. Новинка предназначена для устройств, которым необходим достаточно высокий уровень производительности, но при этом и такие возможности, как детерминированность поведения и низкая латентность при обработке прерываний.

Изображения: Arm

Новое ядро построено на основе того же набора инструкций, ARMv8.1-M, но имеет конвейер с семью стадиями для целочисленного блока, опциональныe FPU с поддержкой FP16/32/64 и векторные расширения Helium (M-profile). Дополнительный 64-бит интерфейс позволяет ядру работать совместно с кастомными ускорителями (до 8 шт.) и инструкциями. Имеются 32-бит расширения DSP/SIMD. Объёмы кешей данных и инструкций первого уровня составляют до 64 Кбайт каждый, а объём кешей более высоких уровней может достигать аж 16 Мбайт.

Опционально поддерживается модуль защиты памяти MPU — до 16 изолированных регионов с различным уровнем безопасности при наличии TrustZone. Интегрированный контроллер прерываний NVIC (Nested Vectored Interrupt Controller) поддерживает обработку до 480 прерываний, а также NMI. Отдельно реализован контроллер пробуждения для быстрого выхода процессора из спящих режимов.

В Cortex-M85 реализованы развитые средства отладки, включая блок мониторинга производительности и опциональные блоки трассировки. За безопасность отвечает Arm TrustZone и расширения (Pointer Authentication, Branch Target Identification), так что новое ядро отвечает требованиям PSA Certified Level 2. С внешним миром ядро общается посредством трёх шин — основной 64-битной AMBA 5 AXI, совместимой с версией AXI4 и двух шин AMBA 5 AHB, одна из которых используется для периферии.

На данный момент это самое быстрое Arm-ядро в семействе M — его производительность оценивается в 6,28 CoreMark/МГц и 8,76DMIPS/МГц. Оно доступно в составе эталонных платформ Corstone-310 и Ethos-U55. Решения на базе новинок можно разрабатывать уже сейчас с помощью Arm Virtual Hardware, поскольку готовые чипы с новыми ядрами, вероятно, появятся не раньше, чем через год. Более подробно о новинке можно узнать из анонса и в разделе сайта Arm для разработчиков.

Разработчик серверных Arm-процессоров Ampere Computing, основанный одним из бывших президентов Intel, сообщил о подаче конфиденциальной заявки на первичное публичное размещение акций (IPO) в США. Ранее многие аналитики ожидали, что компания будет продана какому-то крупному игроку из числа гиперскейлеров, на рынок которых и рассчитана её продукция.

Базирующаяся в Санта-Кларе (Калифорния) компания была основана в 2018 году. Ampere Computing входит в число разработчиков чипов, готовых бросить вызов технологическим гигантам AMD, Intel и NVIDIA, доминирующим на стремительно развивающемся рынке чипов для центров обработки данных и облачных вычислений, спрос на которые резко вырос во время пандемии и перехода многих компаний на удалённую работу.

Как отмечает агентство Reuters, рынок IPO в Соединённых Штатах замедлился в связи с насыщением спроса со стороны инвесторов и высокой волатильности из-за неблагоприятных макроэкономических условий, заставивших компании отложить проведение IPO или выход на биржу посредством SPAC. В конце прошлого года Softbank, нынешний владелец тоже готовящейся к IPO компании Arm, оценил рыночную стоимость Ampere Computing в $8 млрд.

Являясь частной компанией, Ampere Computing провела немногим более года назад крупный раунд финансирования, в ходе которого привлекла $300 млн, причём единственным участником этого раунда была Oracle. А всего в Ampere, согласно данным Комиссии по ценным бумагам и биржам США (SEC), Oracle вложила более $400 млн. Причём инвестировать она начала практически одновременно с отказом от развития процессоров SPARC, которые достались ей в наследство от Sun.

Другими инвесторами компании являются Arm и частная инвестиционная фирма The Carlyle Group. Напомним, основатель и гендиректор Ampere Рене Джеймс (Renee James) входит в советы директоров Citigroup и Oracle. Благодаря IPO разработчик чипов получит больше средств для расширения своей базы облачных клиентов и, возможно, даже для выхода на рынок корпоративных серверов. Первым массово внедрять новые процессоры ожидаемо стало облако самой Oracle.

После использования готовых ядер Neoverse N1 от Arm для своих чипов Altra и Altra Max, выпущенных в 2020 и 2021 годах соответственно, Ampere решила разработать собственные ядра для следующих поколений процессоров. В этом году должен выйти её 5-нм чип Siryn, а следующее поколение процессоров должно появиться в 2023 году. Однако для этого нужна архитектурная лицензия от Arm, которая намного дороже лицензий на готовые ядра.

Кроме того, Ampere Computing, вероятно, придётся нанять гораздо больше инженеров для создания высокопроизводительных и энергоэффективных CPU, способных конкурировать с AMD EPYC Bergamo, Intel Xeon Sierra Forest и разработками самой Arm. На это тоже необходимы средства, которые Ampere рассчитывает получить в ходе IPO. При этом сильных конкурентов, ориентированных на рынок гиперскейлеров, у компании нет — Nuvia была выкуплена Qualcomm, которая пока не очень интересуется серверным рынком, а Marvell окончательно забросила ThunderX.

Microsoft сообщила о подготовке инстансов серий D и E на базе серверных Arm-процессоров Altra от Ampere Computing. Серия Dpsv5 предназначена для запуска различных типов корпоративных нагрузок с горизонтальным масштабированием, от веб-серверов и .NET/Java-приложений до баз данных и медиасерверов, а Epsv5 — для нагрузок с интенсивным использованием памяти, включая аналитику, in-memory задачи и игры. Ранее Arm-инстансы Ampere A1 представила Oracle.

Компания утверждает, что инстансы на базе Arm-процессоров могут обеспечить до 50 % лучшее соотношение цены и производительности, чем аналогичные экземпляры, использующие процессоры x86. Новые инстансы Dpsv5 и Epsv5 имеют до 64 vCPU, каждому из которых полагается 2, 4 или 8 Гбайт RAM, но максимальный объём памяти составляет не более 208 Гбайт. Инстансы поддерживают 40GbE-подключение и высокопроизводительные SSD с локальным подключением. Для новинок доступны Ubuntu и CentOS, а также Arm-версии Windows 11 Professional/Enterprise.

Источник: Microsoft

В дальнейшем будет обеспечена совместимость с Red Hat Enterprise Linux, SUSE Linux Enterprise Server, Debian, AlmaLinux и Flatcar. Упоминается и поддержка Azure Kubernetes Service (AKS). Microsoft также сообщила о том, что платформы .NET5/.NET6 и её сборки OpenJDK уже поддерживают архитектуру Arm, а Visual Studio и предварительная версия Visual Studio 17.2 позволят избавиться от кросс-компиляции. Кроме того, для Arm теперь доступна и PGO-оптимизация при сборке ПО.

Компания TrendForce обнародовала прогноз по мировому рынку серверных процессоров на архитектуре Arm. Аналитики полагают, что востребованность таких изделий в обозримом будущем продолжит расти, а основными драйверами отрасли станут облачные платформы и центры обработки данных. Ранее Omdia уже отмечала рекордный рост поставок серверов с Arm-процессорами.

В настоящее время, как отмечается, наблюдается активное развитие платформ высокопроизводительных вычислений и систем ИИ. Это способствует росту спроса на чипы Arm, которые обеспечивают сокращение потребления энергии по сравнению с решениями x86. Согласно прогнозам, к 2025 году проникновение процессоров с архитектурой Arm в сегменте серверов для центров обработки данных достигнет 22 %. Но пока архитектура x86 доминирует на рынке, и до 2025 года Arm будет сложно конкурировать с ней.

Источник изображения: Arm

TrendForce выделяет три основных преимущества чипов Arm. Во-первых, такие изделия могут поддерживать разнообразные и быстро меняющиеся рабочие нагрузки. Arm-процессоры обеспечивают хорошую масштабируемость и экономичность. Во-вторых, решения на архитектуре Arm предоставляют более широкие возможности в плане оптимизации для различных нишевых рынков. Наконец, в-третьих, такие изделия позволяют экономить площадь для размещения оборудования.

Говорится, что с точки зрения поставщиков облачных услуг, которые в настоящее время внедряют процессоры на базе Arm, чипы Amazon Graviton имеют самый большой рыночный потенциал. Платформа Amazon Web Services (AWS) в 2021 году довела долю Arm-процессоров до 15 %, а в 2022-м это значение достигнет 20 %. Кроме того, другие крупные поставщики облачных услуг инициируют собственные проекты, предполагающие применение чипов Arm.

Под влиянием геополитики и укрепления суверенитета данных в разных странах крупные поставщики облачных услуг и операторы связи активно развивают малые ЦОД, которые будут способствовать дальнейшему проникновению процессоров на базе Arm. Чипы Arm и далее будут востребованы гиперскейлерами и поставщиками инфраструктуры периферийных вычислений.

Главным событием GTC 2022 стал анонс новых ускорителей H100 (Hopper), которые станут доступны в III квартале 2022 года. Вслед за ними в первой половине 2023 года появятся давно обещанные CPU Grace и гибридная система Grace Hopper, сочетающие, как понятно из названия, процессоры Grace (ARMv9) и ускорители Hopper.

Как и было сказано ранее, для связи всех компонентов между собой будет использоваться mesh-сеть на базе всё той же шины NVLink 4.0 (900 Гбайт/с) с кеш-когерентностью. А сочетание LPDDR5X (с ECC, конечно) и HBM даст суммарный объём памяти до 600 Гбайт с общей полосой пропускания порядка 2 Тбайт/с. Для Grace Hopper компания подготовит полный стек ПО, благо портированием на Arm она начала заниматься ещё 3 года назад.

NVIDIA Grace (Изображения: NVIDIA)

Двухчиповый процессор Grace Superchip для ИИ- и HPC-нагрузок имеет 144 ядра, результат которых в SPECrate2017_int_base составляет 740, что, по словам компании, в полтора раза выше, чему у пары AMD EPYC, использующихся в DGX A100. И это, честно говоря, не такой уж и впечатляющий результат.

Но NVIDIA утверждает, что новые CPU вдвое лучше по отношению производительности к энергопотреблению, чем «традиционные серверы» — использование LPDDR5X позволяет добиться пропускной способности памяти в 1 Тбайт/с, а вся сборка CPU+RAM будет потреблять менее 500 Вт.

Чипы (или чиплеты, если хотите) в Grace Superchip тоже объединены посредством NVLink, только в данном случае этот интерконнект называется NVLink-C2C (Chip-to-Chip). И его NVIDIA предлагает использовать другим компаниям для создания кастомных сборок, объединяющих необходимые кристаллы, да и сама готова масштабировать и адаптировать свои решения под нужды заказчика.

По словам NVIDIA, NVLink-C2C в 25 раз энергоэффективнее PCIe 5.0, а для его реализации нужна в 90 раз меньшая площадь кремния. Шина предлагает высокую скорость (да-да, всё те же 900 Гбайт/с), низкий уровень задержек, поддержку атомарных операций и совместимость с Arm AMBA CHI, CXL и UCIe.

Представлены миниатюрные платы MangoPi Nezha-MQ (MangoPi MQ) и MangoPi MQ-Dual, на базе которых могут создаваться различные IoT-устройства. Первое из названных изделий использует 64-битный процессор Allwinner D1s/F133-A с архитектурой RISC-V и тактовой частотой 1,2 ГГц. Вторая модель несёт на борту 32-битный чип Allwinner T113-S3 с двумя ядрами Arm Cortex-A7.

Плата на основе RISC-V снабжена 64 Мбайт памяти DDR2, тогда как Arm-версия укомплектована 128 Мбайт памяти DDR3. Для хранения данных в обоих случаях может быть задействована карта microSD. Есть место для чипа SPI NAND/NOR Flash. Предусмотрены 15-контактный коннектор для дисплея Raspberry Pi DSI, 40-контактный разъём для RGB-экрана и 6-контактный коннектор для ёмкостной сенсорной панели. Возможно подключение камеры.

Фото: MangoPi SBC

В оснащение мини-плат входит контроллер Realtek RTL8189 с поддержкой Wi-Fi 4 в диапазоне 2,4 ГГц. Может также использоваться Ethernet-подключение на 10/100 Мбит/с. Размеры изделий составляют 40 × 40 мм. Питание подаётся через порт USB Type-C. Допускается работа с операционной системой Allwinner Tina Linux на базе OpenWrt и платформой Melis RTOS на основе RT-Thread. О цене не сообщается.

Несмотря на то, что одноплатные микро-ПК серии Raspberry Pi ещё с версии Pi Zero 2 использовали 64-бит процессоры Arm, фирменная операционная система Raspbian OS долгое время оставалась 32-бит. Пока объём памяти на борту «малин» был невелик, это не представляло серьёзной проблемы, но на рынке уже есть и Pi 4 с 8 Гбайт RAM, для которого 32-бит ОС стала существенными ограничением.

Кроме того, в последние годы стало очевидно, что 32-битная архитектура Arm уходит в прошлое и все усилия разработчиков аппаратного и программного обеспечения сосредоточены в сфере AArch64. Особенно это актуально для закрытого ПО, доступного в виде бинарных сборок: ныне такие решения изначально создаются чаще всего лишь в 64-бит версии.

Изображения: Raspberry Pi Foundation

К сожалению, 64-бит версии Raspbian OS пришлось ждать почти два года — в течение 2021 года эта сборка проходила тестирование, и лишь вчера стала доступна официально. Изменилось и название, теперь это Raspberry Pi OS. Новая ОС может работать на любых вариациях Raspberry Pi с чипами Broadcom BCM2710 и BCM2711. Более ранние версии, разумеется, не поддерживаются.

Версии Raspberry Pi и сборок Raspberry Pi OS

Таким образом, за бортом оказываются модели Raspberry Pi 1-го и 2-го поколений, а также первая версия Pi Zero. Что касается больших объёмов RAM, то механизм Arm LPAE позволял адресовать до 8 Гбайт в 32-бит версии ОС, однако отдельный процесс был мог получить до 3 Гбайт (ещё 1 Гбайт резервировался для ядра системы). Новая 64-битная ветвь Raspberry Pi OS позволит эффективнее использовать приложения-пожиратели памяти, например, современные браузеры.

Разработчики предупреждают, что в 64-бит сборке Chromium для Raspberry Pi OS пока не поддерживается библиотека WidevineCDM, из-за чего будут недоступны некоторые стриминговые сервисы, в частности, Netflix. Загрузить свежий образ ОС можно на сайте проекта Raspberry Pi. Кроме того, для «малинок» давно развиваются сторонние дистрибутивы с поддержкой 64-бит платформ.

В современном мире процессоров уже никого не удивляет нахождение очередной уязвимости, а иногда тропинкой для злоумышленника становятся технологии, изначально призванные повысить уровень безопасности. Ряд исследователей небезосновательно считает, что «заплатками» отделаться не получится и надо менять глубинные принципы, лежащие в основе процессорных архитектур.

Один из таких проектов, развиваемый с 2010 года усилиями SRI International и Кембриджского университета — это CHERI. В 2019 к нему присоединилась Arm, недавно представившая первый прототип платы с процессором Morello, который базируется на двух ключевых принципах, заложенных в CHERI — масштабируемая компартментализация и тонко настраиваемая защита содержимого памяти. Оба принципа реализованы аппаратно и сами по себе не новы.

Изображения: Arm

По сути речь идёт о расширении стандартного набора инструкций, с помощью которого даже написанное с использованием языков, позволяющих относительно легко сделать ошибки при работе с памятью (а это обычно C/C++), ПО можно заставить работать без образования серьёзных дыр в защите. Тщательная компартментализация (т.е. разделение) кода ОС и приложений хотя и не исключает наличие уязвимостей, но серьёзно ограничивает область возможного нанесения вреда.

В частности, любая инструкция типа load/store и любая операция выборки должны быть авторизованы на аппаратном уровне со стороны процессора. Разумеется, это не высокоуровневая защита, а скорее набор базовых блоков для построения таковой. Принцип компартментализации ещё проще: если в классической архитектуре взломщик может получить контроль над всей системой, то в изолированных друг от друга ОС и приложениях, он лишь проникнет в одну из множества небольших «ячекк», а его действия послужат сигналом для защитных механизмов.

Блок-схема Arm Morello

Arm Morello — первый чип на базе CHERI. Текущая аппаратная реализация использует модифицированные ядра Neoverse N1 (ARMv8.2) с частотой 2,5 ГГц. Первые платы с новым процессором предназначены таким IT-гигантам как Google и Microsoft, а также заинтересованным партнёрам образовательным учреждениям. На текущий момент разработчики предлагают модифицированное ядро FreeBSD, часть стандартных UNIX-программ, а также некоторые другие приложения. С появлением готовых плат и процессоров процесс адаптации ПО должен значительно ускориться.

В апреле прошлого года глава NVIDIA Дженсен Хуанг (Jensen Huang) раскрыл первые сведения о серверном Arm-процессоре под кодовым именем Grace. Главным «мозговыми центром» компании, ответственным за его создание, станет израильский центр исследований и разработок. Он уже насчитывает около 2800 сотрудников, но компания хочет организовать новую рабочую группу, связанную именно с HPC-решениями, и планирует нанять ещё минимум несколько сотен специалистов, сообщает Globes.

Столь серьёзных масштабов израильский исследовательский отдел NVIDIA достиг за счёт приобретения компанией известного разработчика сетевых чипов и технологий Mellanox. Также NVIDIA активно сотрудничает с местной экосистемой стартапов и разработчиков посредством программ NVIDIA Inception Program и Developer Program.

Изображения: NVIDIA

Новая рабочая группа, ориентированная на создание процессоров, будет тесно сотрудничать с уже имеющимися командами, работающими в области DPU и ИИ. Последнее немаловажно, поскольку Grace в первую очередь нужен для поддержки работы ускорителей NVIDIA. Это поможет компании избавиться от зависимости со стороны AMD и Intel, чьи процессоры используются в платформах DGX/HGX. Новый чип NVIDIA должен увидеть свет в начале 2023 года.

Архитектура Grace изначально будет рассчитана на тесную интеграцию с ускорителями и высокоскоростной памятью

Ожидается, что использование Grace позволит получить десятикратный рост производительности в сравнении с существующими решениями. Новый чип будет использовать шину NVLink 4.0 с пропускной способностью до 900 Гбайт/с, что позволит сделать интеграцию CPU и ускорителей более тесной. Первые заказчики систем на базе Grace уже известны — это Лос-Аламосская национальная лаборатория и Швейцарский национальный суперкомпьютерный центр CSCS. Оба суперкомпьютера построит HPE.