Qualcomm Incorporated объявила, что её дочерняя компания Qualcomm Technologies, Inc. заключила окончательное соглашение о приобретении NUVIA примерно за $1,4 млрд. Решения компании должны дополнить экосистему Snapdragon, включающую GPU, ИИ-движки, DSP и мультимедийные ускорители. Сделка ждёт одобрения со стороны регуляторов.

Любопытно, что Qualcomm говорит об использовании решений NUVIA во флагманских смартфонах, ноутбуках следующего поколения, системах автопилотирования и приборных панелях авто, а также для сетевой инфраструктуры и подключённых устройств. Однако NUVIA разрабатывала SoC Orion c Arm-процессором Phoenix собственного дизайна, которая ориентирована на совершенно другой сегмент — на облачных провайдеров и гиперскейлеров. Компания обещала, что её чипы будут быстрее и энергоэффективнее AMD EPYC и Intel Xeon. Осенью она получила дополнительные $240 млн для производства первых чипов.

Источник изображений: NUVIA

У двух крупных игроков, Qualcomm и Broadcom, с серверными Arm-процессорами не заладилось. Первая забросила Centriq, а наследие проекта Vulcan второй в результате череды слияний и поглощений оказалось в руках Marvell, которая этими же руками проект, судя по всему, и похоронила. Так что на этом рынке к концу 2020 года осталось только два заметных игрока: Ampere, уже представившая свои чипы (очень неплохие, надо сказать), и подающие надежды NUVIA. Из альтернатив остаются Amazon Graviton2, который доступен только в облаке AWS, и Kunpeng от Huawei, которая находится под санкциями США и будущее её несколько туманно.

Qualcomm, судя по сегодняшнему релизу, пока не очень заинтересована в развитии серверных Arm-процессоров. Вероятно, она надеется, что NUVIA поможет ей догнать Apple — Qualcomm традиционно отставала от последней в выводе на рынок SoC на базе новых архитектур Arm. Среди основателей NUVIA числится Джерард Уильямс III (Gerard Williams III), который почти десять лет руководил разработкой Arm-чипов в Apple, был научным сотрудником Arm и ведущим дизайнером Texas Instruments. В конце 2019 года Apple подала к нему иск.

Двое других основателей NUVIA имеют не менее солидный послужной список: Ману Гулати (Manu Gulati) и Джон Бруно (John Bruno) в разное время работали в AMD, Apple и Google, в том числе в должности архитектора. К компании также присоединились бывший вице-президент Intel по маркетингу Джон Карвилл (Jon Carvill), работавший в Facebook✴, Qualcomm, Globalfoundries, AMD и ATI, а также Энтони Скарпино (Anthony Scarpino), проработавший 24 года в ATI и AMD.

Мощные многоядерные процессоры, могущие служить основой суперкомпьютерных комплексов и кластерных систем могут разрабатывать, а тем более производить, не так уж много стран. Но любое государство, претендующее на независимость в IT, хорошо понимает, что в современном мире такая возможность может оказаться ключевой. Именно поэтому создан консорциум European Processor Initiative, именно для этого КНР, Япония и Россия разрабатывают свои многоядерные чипы. Теперь в игру вступает и Южная Корея.

Концепция процессора для сферы супервычислений может отличаться кардинально: так, Европа и Япония предпочитают архитектуру ARM, Европа присматривается и к RISC-V, а Россия делает основную ставку на VLIW (семейство «Эльбрус»). Японские процессоры Fujitsu A64FX тоже основаны на ARM, но заметно отличаются от всех остальных чипов: набор инструкций SVE, HBM-память и встроенный интерконнект.

Южнокорейский институт электроники и телекоммуникаций (ETRI), ведущий свой проект совместно с ARM, объявил о том, что стал ещё на шаг ближе к созданию собственного уникального процессора класса HPC. Уникальность южнокорейской разработки в том, что она должна обеспечивать как высокую производительность в традиционных суперкомпьютерных задачах, обычно использующих вычисления двойной точности (FP64), так и невысокий уровень энергопотребления в «низкоточных» задачах (инференс, машинное обучение и тому подобные сценарии).

Спецификации, поставленные перед южнокорейскими разработчиками, довольно серьёзны: финальный вариант процессора должен обеспечивать 2,5-кратное превосходство над классическими ускорителями (обычно на базе графических чипов), но при этом быть на 60% экономичнее них. Это должно достигаться за счёт уникальной реализации управления питанием и тактовыми частотами отдельных компонентов процессора. Речь идёт как об аппаратной составляющей, так и о разработке собственного программного стека, позволяющего тонко манипулировать режимами работы нового ЦП.

Заявлена возможность интеграции собственных блоков ускорителей, совместимых с уже существующими фреймворками за счёт поддержки OpenMP и OpenCL. Процессор в полной мере сохранит классический режим вычислений с двойной точностью. Текущий прототип получил название K-AB21, причём AB означает «Artificial Brain» (искусственный мозг) — разработчики заявляют, что за счет активного использования матричных ядер (XPU) им удалось достичь производительности 16 Тфлопс на процессор. Это обещает до 1600 Тфлопс на стойку. Процессор с такой производительностью должен открыть Южной Корее дорогу к собственным суперкомпьютерам экзафлопсного класса.

Компоновкой K-AB21 отчасти напоминает Fujitsu A64FX, поскольку также предусматривает наличие пула HBM2 в виде четырёх сборок, однако это не единственная его память. HBM выступает скорее в роли ещё одного уровня кеша, а основной объём составляют модули DDR5. Вычислительная часть состоит из классических ARM-ядер Zeus и многопоточных масштабируемых ядер XPU собственной разработки ETRI. Их-то разработчики и называют «матричными ядрами», поскольку работа с матричной математикой главная задача этих ядер.

Группы таких ядер, называемые доменами XEMC на схеме (всего их в каждом процессоре 4), имеют свой MMU, а также собственные подсистемы кешей и программируемых блоков логики с поддержкой SMT. За соединение частей процессора между собой отвечает внутренняя сеть с ячеистой (mesh) топологией. Текущая реализация K-AB21 также включает в себя шесть контроллеров шины PCI Express 5.0, каждый на 16 линий.

В настоящее время разработчики заняты финализацией отдельных элементов дизайна K-AB21, но в целом разработка близка к завершению. Полноценная реализация «в кремнии» ожидается к концу 2021 года, что для проекта такого масштаба достаточно быстро и позволит Южной Корее вовремя войти в эру суперкомпьютеров экза-класса.

В настоящее время самым мощным южнокорейским кластером является Nurion, занимающий 17 место в Top500. Однако это система Cray CS500 на базе Intel Xeon Phi 7250, которая целиком базируется на технологиях США, а выпуск собственного HPC-процессора позволит Южной Корее стать более независимой в этом аспекте.

Когда-то архитектура x86 была очень простой, хотя её CISC-основа и была сложнее пути, по которому пошли процессоры RISC. Но за всё время своей эволюции она постоянно усложнялась и на процессоры возлагались всё новые и новые задачи, требующие дополнительных расширений, а то и перекладывались задачи с плеч специализированных чипов. Эта тенденция сохраняется и поныне, однако один из лидеров в мире виртуализации, компания VMware, имеет иное видение.

Перекладывание на x86 несвойственных этой архитектуре задач началось с внедрения расширений MMX. Сегодня современные серверные процессоры умеют практически всё и продолжают усложняться — достаточно вспомнить Intel VNNI, подмножество AVX-512, ускоряющее работу с всё более популярными задачами машинного обучения. Однако VMware считает, что x86 не успевает за усложнением программного обеспечения и полагает, что будущее ЦОД лежит в дезагрегации вычислительных ресурсов.

Сложность приложений и сценариев растёт, x86 может не успевать за возрастающей нагрузкой

С учётом того, что задачи перед серверами и ЦОД встают всё более и более сложные, неудивительно, что наблюдается расцвет всевозможных ускорителей и сопроцессоров, от умных сетевых адаптеров и уже ставших привычными ГП-ускорителей до относительно экзотических идей, вроде «процессора обработки данных» (DPU). Последнюю концепцию на конференции VMworld 2020 поддержал такой гигант в сфере виртуализации, как VMware.

Переработкой своей основной платформы виртуализации vSphere компания занимается уже давно, и в проекте прошлого года под кодовым названием Pacific переработано было многое. В частности, в основу системы управления была окончательно положена контейнерная модель на базе коммерческой системы для Kubernetes под названием Tanzu. Проект этого года, получивший имя Monterey, ознаменовал дальнейшее движение в этом направлении.

Но ряд задач можно переложить на плечи ускорителей типа SmartNIC или DPU

Теперь Kubernetes стал не дополнением, пусть и включенным изначально, но единственным движком для управления как виртуальными машинами первого поколения, так и более современными контейнерами. Но из этого следует дальнейшее повышение вычислительной нагрузки на серверы.

В частности, как отмечает VMware, обработка данных ввода-вывода становится всё сложнее. Как мы уже знаем, это привело к зарождению таких устройств, как «умные сетевые адаптеры» (SmartNIC) и даже специализированных чипов DPU. Как первые, так и вторые, как правило, содержат ядра на базе архитектуры ARM, и именно их-то и предлагает использовать для разгрузки основных процессоров VMware. Информация о том, что компания работает над переносом гипервизора ESXi на архитектуру ARM официально подтвердилась.

Новая версия платформы vSphere проще, но она эффективнее использует имеющиеся вычислительные ресурсы

Важной частью ESXi, как известно, является виртуализация сетевой части — «коммутаторов» и «микро-файрволлов», и в Project Monterey появилась возможность запускать сетевую часть ESXi полностью на ресурсах DPU или SmartNIC, благо современные ускорители этих классов имеют весьма солидную производительность, а иногда и превосходят в этом плане классические центральные процессоры.

Сама идея ускорения сетевой части, в частности, задач обеспечения сетевой безопасности в серверах за счёт SmartNIC не нова. Новизна подхода VMware заключается в другом: теперь реализация ESXi-on-ARM позволит не просто снять нагрузку в этих сценариях с плеч основных процессоров, но и представить за счёт виртуализации все сетевые ресурсы безопасно, в виде единого унифицированного пула и вне зависимости от типа процессоров, занятых в этих задачах. Среди уже существующих на рынке устройств, совместимых с новой концепцией VMware числятся, к примеру, и NVIDIA BlueField-2 — «умный сетевой адаптер», разработанный Mellanox — и решения Intel.

Новое видение кластера по версии VMware: каждый процессор и сопроцессор занят своим делом

Как считает VMware, такой подход кардинально изменит архитектуру и экономику ЦОД нового поколения. На это есть основания, ведь если объединить пару 64-ядерных процессоров AMD EPYC второго поколения с сетевым ускорителем или DPU, работающим под управлением ESXi в составе единой платформы vSphere, то эту систему можно будет с полным правом назвать «ЦОД в коробке». Такое сочетание позволит запускать множество виртуальных машин с достаточным уровнем производительности, ведь основным x86-процессорам не придётся вывозить на себе виртуализацию сети, функционирование файрволлов и задачи класса data storage.

Пока Project Monterey имеет статус «технологического демо», но сама идея дизагрегации серверов, над которой продолжает работу VMware, выглядит логичной и законченной. Каждый процессор будет выполнять ту задачу, к которой он лучше всего приспособлен, но за счёт единой системы виртуализации платформа не будет выглядеть сегментировано, и разработка ПО не усложнится. Кроме того, VMware уже подтвердила возможность запуска на SmartNIC и DPU приложений сторонних разработчиков, так что лёд явно тронулся.

Компания Arm объявила о расширении своего портфолио серверных решений семейства Neoverse, представив сразу два варианта платформы. Новая серия V и её первенец V1 под кодовым именем Zeus вместе с N2 (Perseus) получат поддержку SIMD-расширений SVE и формата bfloat16, а также интерфейсы PCIe 5.0, DDR5 и HBM.

Однако отличия между ними весьма существенны. В Neoverse V1 в отличие от N2 Arm отказывается от традиционной оптимизации сразу по трём направлениям — энергопотребление, производительность и площадь кристалла — и делает упор на мощность. Вероятно, основой для них станут вариации Cortex-X1. Эти чипы будут потреблять больше энергии и будут физически больше, но взамен предложат значительное увеличение размеров буферов, кешей, окон и очередей. Показатель IPC для одного потока будет увеличен на впечатляющие 50% в сравнении с Neoverse N1.

А новые техпроцессы 5 и 7 нм позволят повысить частоты будущих процессоров. Так что они потенциально смогут соревноваться с грядущими платформами x86-64 не только по показателю производительность на Ватт, но и в чистой производительности. Поспособствует этому и долгожданное официальное появление векторных инструкций Scalable Vector Extension (SVE) в составе самого ядра. Их отличительной чертой (от SSE/AVX) является нефиксированная ширина — производители конкретных SoC могут реализовать поддержку от 128 до 2048 бит с шагом в 128 бит. При этом SVE-код будет работать на любом из них, просто скорость обработки данных будет разной.

Конкретно в V1 Arm заложила два блока SVE-256. Это явно хуже пары SVE-512 в Fujitsu A64FX, единственном «кремнии», который уже поддерживает новые инструкции, но всё равно в два раза лучше, чем у N1 с двумя «старыми» 128-бит NEON. Так что мы вполне можем увидеть в будущем ориентированные на высокопроизводительные вычисления решения от других компаний. Этому поспособствует и поддержка памяти HBM2e. Опять-таки, в A64FX она была нужна именно для того, чтобы SVE-блоки не «голодали». Кроме того, обновлённые спецификации SVE включают и поддержку формата bfloat16, актуального для нейронных сетей.

Arm Neoverse V1 формально доступен уже сейчас. Первыми процессорами на базе этой архитектуры должны стать 72-ядерные SiPearl Rhea, которые вместе с другими чипами, уже на базе открытой архитектуры RISC-V, лягут в основу будущих европейских суперкомпьютеров. Таким образом Евросоюз надеется получить большую независимость от технологий США. Впрочем, объявленная сделка между NVIDIA и Arm может расстроить эти планы. Следующим крупным лицензиатом V1 может стать Ampere, которая готовится выпустить в 2022 году процессоры Siryn.

Что касается архитектуры Neoverse N2, то она появятся уже в следующем году, а лицензирование начнётся в конце этого. Она также получит поддержку SVE и bfloat16, но в виде двух 128-бит блоков. Будет внедрена поддержка HBM3, CXL 2.0 и CCIX 2.0. В N2 Arm придерживается своего традиционного подхода, так что прирост IPC в однопотоке составит «всего лишь» до 40% в сравнении с N1, но при этом сохранятся те же уровень энергопотребления и площадь ядра. Можно предположить, что основной для неё станет Cortex-A78.

Именно N2 должна стать наиболее массовой платформой благодаря масштабируемости. Arm видит различные варианты дизайнов будущих SoC. От 8 до 16 ядер с TDP 20-35 Вт пойдут в экономичные решения на самой границе сети, варианты на 12-36 ядер с TDP от 30 до 80 Вт могут стать основой периферийных вычислений, а сборки с числом ядер от 32 до 192 и с TDP от 80 до 350 Вт займут место в мощных серверах, включая облачные. Пока что единственным более-менее массовым решением на базе Neoverse N1 владеет Amazon — в мае в AWS появились инстансы на базе 64-ядерных Graviton2.

После 2022 года выйдет следующее поколение Neoverse под кодовым именем Poseidon. Про него пока говорится в общих чертах, что оно станет производительнее на 30%, получит улучшения по части векторных инструкций и машинного обучения, обзаведётся поддержкой будущих версий CCIX и CXL, а также предложит более плотную упаковку ядер.

Последние дни оказались богатыми на анонсы новых процессоров. Компания IBM представила новейшие POWER10 с поддержкой памяти OMI DDR5 и PCI Express 5.0, Intel анонсировала Xeon Ice Lake-SP, которые, наконец, получили поддержку PCIe 4.0. Третьей в этом списке можно назвать Marvell, которая на мероприятии Hot Chips 32 рассказала подробности о последнем, третьем поколении ARM-процессоров ThunderX, формально анонсированном ещё весной этого года.

Источник изображений: ServeTheHome

Процессоры с архитектурой ARM покорили сегмент мобильных устройств, но в последние несколько лет интереснее другая тенденция — данная архитектура ложится в основу всё новых и новых «крупных» процессоров, предназначенных для серверного применения. И как показывает практика, когда-то считавшаяся «слабой» архитектура оказывается вовсе не такой.

Она успешно соперничает с x86, особенно там, где необходима высокая плотность упаковки вычислительных мощностей и высокая энергоэффективность. Примеры AWS Graviton2 и кастомных процессоров Google тому доказательством, а разработка Fujitsu, процессор A64FX, и вовсе лежит в основе мощнейшего суперкомпьютера планеты, японского кластера Fugaku.

Одной из компаний, прилагающих серьёзные усилия к освоению серверного рынка с помощью архитектуры ARM, является Marvell. Если первые процессоры ThunderX, доставшиеся в наследство от Broadcom, сложно назвать успешным, то уже второе поколение показало себя неплохо, и, судя по всему, третье, наконец, готово к массовому внедрению. Напомним, в отличие от домашних проектов AWS и Google, процессоры ThunderX3 должны получить развитую поддержку многопоточности, на уровне SMT4, что больше, чем у x86, но меньше, чем у POWER10.

При этом максимальное количество ядер у ThunderX3 впечатляет. Теперь известно, что о 96 ядрах речь идёт только в двухкристалльной компоновке (этим подход Marvell напоминает IBM POWER10, также существующий в двух вариантах). Один кристалл может нести до 60 ядер, что меньше, чем у Graviton2, но, во-первых, ненамного, а во-вторых, с лихвой компенсируется наличием SMT. SMT4 может дать 240 или 384 потока в зависимости от версии, и наверняка это понравится крупным облачным провайдерам, поскольку позволит разместить беспрецедентное количество VM в рамках одного сокета.

Однопоточная производительность не осталась без внимания. Компания заявила о 30% превосходстве над ThunderX2 в пересчёте на поток. В целом же, третье поколение ThunderX должно быть в 2-3 раза быстрее второго. Архитектурно процессор основывается на наборе инструкций ARM v8.3, однако сказано о частичной поддержке ARM v8.4/8.5.

В споре о том, что эффективнее для связи ядер между собой, кольцевые шины или единая mesh-сеть, единого мнения нет. Intel предпочитает первый подход, но Marvell остановила свой выбор на втором. Как обычно, на внешнем кольце расположены кеш (80 Мбайт L3 на кристалл), блоки управление питанием, а также контроллеры памяти, PCI Express и межпроцессорной шины (в данном случае CCPI).

Поддержка SMT4 реализована полностью аппаратно. С точки зрения операционной системы каждый поток ThunderX3 выглядит, как обычный процессор с архитектурой ARM. При этом реализация столь развитой многопоточности привела всего лишь к 5% увеличению площади кристалла в сравнении с однопоточной реализацией.

Разделение ресурсов ядра у нового процессора динамическое, осуществляется оно в четырёх точках: выборка, когда потока с меньшим количеством инструкций получают более высокий приоритет; выполнение, работающее по такому же принципу; планирование, которое базируется на «возрасте» потока; наконец, «отставка» — здесь приоритет получают потоки с наибольшим количеством инструкций. Оптимизация многопоточности позволяет Marvell говорить о практически линейной масштабируемости новых процессоров, по крайней мере, в пределах одного разъёма. В зависимости от числа инструкций на ядро коэффициент прироста может варьироваться от x1,28 до 2,21.

Подсистема ввода-вывода у новинок достаточно развитая. Контроллер памяти имеет 8 каналов и поддерживает DDR4-3200. За поддержку PCI Express отвечают 16 раздельных контроллеров, поддерживающих четвёртую версию стандарта. Это должно обеспечивать высокий уровень производительности при подключении 16 NVMe-накопителей, на каждый из которых придётся по четыре линии PCIe.

Заявлено о «тонком» управлении питанием, но деталей Marvell не приводит и остаётся только догадываться, насколько эта подсистема ThunderX3 продвинута. Производится новый процессор на мощностях TSMC с использованием техпроцесса 7 нм. Версия с одним 60-ядерным кристаллом выйдет на рынок уже в этом году, а вариант с двумя кристаллами и большим общим количеством ядер начнет поставляться позже, в 2021 году. Компания уже работает над ThunderX4, ожидается что эти процессоры будут использовать техпроцесс 5 нм и увидят свет в 2022 году.

Мощными серверными ARM-процессорами сейчас уже никого не удивить: A64FX трудятся в самом быстром в мире суперкомпьютере Fugaku, ThunderX и Altra стараются быть универсальными, а Graviton2 осваивается в облаке Amazon. Вот с последним как раз и хочет побороться NUVIA, молодой, но перспективный разработчик процессоров.

SoC NUVIA Orion, в составе которого будет ARM-процессор Phoenix, ориентирован в первую очередь на облачных провайдеров и гипескейлеров, то есть на весьма «жирный» кусок рынка серверных процессоров, где сейчас доминирует Intel и архитектура x86-64 вообще. В этом сегменте, где число активных серверов исчисляется миллионами, крайне важны не расходы на закупку, а расходы на обслуживание и содержание такого огромного парка.

Источник изображений: NUVIA

Одним из основных пунктов являются затраты на энергопотребление (питание и охлаждение), поэтому в NUVIA справедливо считают, что таким заказчикам нужен быстрый и энергоэффективный процессор. Решения на базе x86-64 компания к таковым не причисляет: они действительно имеют высокую производительность, однако рост мощности непропорционален росту TDP и потребления, и в этом их основная проблема в отличие от ARM.

Для подкрепления своей точки зрения NUVIA провела собственные тесты в Geekbench 5 современных мобильных платформ ARM и x86-64. Выбор бенчмарка обусловлен тем, что он включает современные и разнообразные нагрузки на CPU. А мобильные платформы выбраны потому, что они, как и сервера в ЦОД гиперскейлеров, имеют вынужденные ограничения по питанию и охлаждению. И действительно, та же Facebook✴ для собственных платформ стремится к значению в 400 – 600 Вт на шасси.

Приведённый график наглядно показывает, что производительность ядер ARM-процессоров нарастает намного быстрее при увеличении мощности. И именно к этому и стремится NUVIA — ядра Phoenix будут быстрее на 50-100% других и при этом в три-четыре раза экономичнее ядер x86-64. Но надо учесть, что сама NUVIA ориентируется на потребление в диапазоне примерно от 0,5 до 5 Вт на ядро. Компания полагает, что в ближайшее время все серверные процессоры будут иметь от 64 до 128 ядер и TDP на уровне 250 – 300 Вт, так что её SoC с такими параметрами ядер вписывается в эти параметры.

Как сообщает cnTechPost, Phytium, китайский разработчик процессоров, анонсировал новый 64-ядерный чип Tengyun S2500, ориентированный на высокопроизводительные вычисления (HPC). Компания и прежде была известна разработками в этой области — её процессоры легли в основу суперкомпьютеров Tiahne, занимавших первые строчки рейтинга TOP500.

Изображения: cnTechPost

В отличие от своего предшественника FT-2000+/64, тоже 64-ядерного, ядра новинки в дополнение к L2-кешу объёмом 512 Кбайт получили общий L3-кеш на 64 Мбайт. Кроме того, чип поддерживает восемь каналов памяти DDR4-3200. Отличительной чертой Tengyun S2500 является возможность объединения — судя по всему, бесшовного — от двух до восьми процессоров в рамках одной системы. Для связи между CPU используется несколько линий собственной шины со скоростью 800 Гбит/с.

В основе CPU лежат ядра FTC663, работающие на частоте 2 – 2,2 ГГц. Они же используются в представленном в прошлом году младшем чипе Phytium FT2000/4. Ядра серии FTC600 базируются на модифицированной архитектуре ARMv8 и включают переделанные блоки для целочисленных вычислений и вычислений с плавающей запятой, ASIMD-инструкции, новый динамический предсказатель переходов, поддержку виртуализации, а также традиционные для китайских CPU блоки шифрования и безопасности, соответствующие локальным стандартам.

Энергопотребление новинок достигает 150 Вт. Изготавливаться они будут на TSCM по техпроцессу 16-нм FinFET. Начало массового производства запланировано на четвёртый квартал этого года. Тогда же появятся и 14-нм десктопные чипы Phytium Tengrui D2000, которым через года не смену придут Tengrui D3000. Выход 7-нм серверных процессоров Phytium Tengyun S5000 запланирован на третий квартал 2021 года, а 5-нм чипы Tengyun S6000 появятся уже в 2022-ом.

На первый взгляд, позиции архитектуры x86 в мире высокопроизводительных вычислений выглядят незыблемыми: примерно 94% всех систем класса HPC используют в качестве основы процессоры Intel и ещё 2,2% занимает AMD. Однако запуск кластера Fugaku доказал, что ARM — соперник весьма и весьма опасный.

Система на базе процессоров Fujitsu A64FX использует именно архитектуру ARM. И наступление ARM продолжается и на других фронтах: к примеру, AWS предлагает инстансы на собственных ARM-процессорах Graviton2. Не дремлет Ampere Computing, анонсировавшая сегодня новые процессоры Altra и Altra Max.

Разработкой мощных многоядерных процессоров с архитектурой ARM компания занимается довольно давно: в конце прошлого года она уже рассказывала о втором поколении своих продуктов, чипах QuickSilver. В их основу лег дизайн ядра ARM Neoverse N1 (ARM v8.2+), количество самих ядер достигло 80, появилась поддержка интерфейса PCI Express 4.0, чего, например, до сих пор нет в процессорах Intel Xeon Scalable.

Серверные процессоры с архитектурой ARM доказали своё превосходство в энергоэффективности перед x86, что сделало их отличным выбором для облачных сервисов — в таких ЦОД плотность упаковки вычислительных мощностей максимальна и такие параметры, как удельная производительность, энергопотребление и тепловыделение играют крайне важную роль. Новые процессоры Ampere под кодовым именем Altra нацелены именно на этот сектор рынка.

В основе Altra также лежит ядро Neoverse N1 — оно же применено и в проекте Amazon Graviton2 — но Ampere Computing намеревается охватить с помощью Altra остальных крупных провайдеров облачных услуг, которые также заинтересованы в высокоплотных энергоэффективных ЦП. При этом утверждается, что Altra превосходит Graviton2; по крайней мере, на бумаге это выглядит убедительно.

Всего в серии Altra анонсировано 12 процессоров, с количеством ядер от 32 до 80, частотами от 1,7 до 3,3 ГГц и теплопакетами от 45 до 250 Ватт. Все они располагают восьмиканальным контроллером памяти DDR4-3200 (до 4 Тбайт на процессор) и предоставляют в распоряжение системы 128 линий PCI Express 4.0, чем пока могут похвастаться разве что AMD Rome. Применена очень простая система наименований: например, «Q72-30» означает, что перед нами 72 ядерный процессор поколения QuickSilver с частотой 3 ГГц.

Altra следует большинству современных тенденций в процессоростроении: процессоры располагают солидным массивом кешей (1 Мбайт на ядро, 32 Мбайт L3), ядра имеют два 128-битных блока инструкций SIMD, а также поддерживают популярные в задачах машинного интеллекта и инференс-комплексах форматы вычислений INT8 и FP16. Что касается удельной энергоэффективности, то ядро AMD Rome потребляет около 3 Ватт при полной нагрузке на частоте 3 ГГц, а для Altra Q80-30 этот показатель равен 2,6 Ватта; турборежима у Altra, впрочем, нет и максимальные частоты справедливы для всех ядер.

В настоящий момент компания поставляет образцы платформ Altra двух типов: однопроцессорную Mt. Snow и двухпроцессорную Mt. Jade. В число партнёров компании входят такие производители, как GIGABYTE и Wiwynn, заявлен также ряд контрактов с производителями более низких эшелонов. В основе Mt. Jade, вероятнее всего, лежит системная плата GIGABYTE MP32-AR0, о ней мы уже рассказывали нашим читателям.

Цены новых решений пока не разглашаются, однако, заинтересованные в процессорах Ampere провайдеры уже в течение двух месяцев тестируют новые платформы; в их число входят такие компании, как Packet и CloudFlare, причём Packet уже предоставляет своим клиентам «ранний доступ» к услугам, запускаемым на новых платформах Ampere. Более массовых поставок следует ожидать в августе и сентябре текущего года.

80 ядер — весьма солидное количество, даже в арсенале AMD таких процессоров ещё нет, семейство EPYC всё ещё ограничено 64 ядрами, но с SMT. Однако на достигнутом Ampere не останавливается и позднее в этом году планирует представить миру настоящего монстра — 128-ядерный процессор Altra Max, на базе всё той же архитектуры QuickSilver/Neoverse.

Этот чип имеет кодовое имя Mystique, он будет базироваться на новом дизайне кристалла, однако отличия здесь количественные, качественно это всё та же Altra, но с большим количеством ядер, оптимизированная с учётом возможностей сохранённой неизменной подсистемой памяти. Сохранится даже совместимость по процессорному разъёму. Образцы Altra Max если и существуют, то только в лаборатории Ampere Computing, а публичного появления сэмплов этих процессоров следует ожидать не ранее 4 квартала с началом производства в 2021 году.

Таким образом, можно утверждать, что технологическая ступень 7 нм компанией освоена. Она штурмует новую высоту — образцы процессоров Siryn, построенные с использованием 5-нм техпроцесса TSMC должны появиться ближе к концу следующего года. Некоторые блоки Siryn уже существуют в кремнии. Эти процессоры получат и новую платформу, а, возможно, и поддержку таких технологий, как PCI Express 5.0 и DDR5.

Конечно же, речь идёт о японском суперкомпьютере Fugaku на базе ARM-процессоров A64FX, который досрочно начал трудиться весной этого года. Эта машина стала самым мощным суперкомпьютером в мире сразу в трёх рейтингах: классическом TOP500, современном HPCG и специализированном HPL-AI.

Суперкомпьютер состоит из 158976 узлов, которые имеют почти 7,3 млн процессорных ядер, обеспечивающих реальную производительность на уровне 415,5 Пфлопс, то есть Fugaku почти в два с половиной раза быстрее лидера предыдущего рейтинга, машины Summit. Правда, оказалось, что с точки зрения энергоэффективности новая ARM-система мало чем отличается от связки обычного процессора и GPU, которой пользуется большая часть суперкомпьютеров. Так что на первое место в Green500 она не попала.

Однако на стороне Fugaku универсальность — понижение точности вычислений вдвое приводит к удвоение производительности. Так что машина имеет впечатляющую теоретическую пиковую скорость вычислений 4,3 Эопс на INT8 и не менее впечатляющие 537 Пфлопс на FP64. Это помогло занять её первое место в бенчмарке HPL-AI, которые использует вычисления разной точности. А общая архитектура процессора, включающего набортную память HBM2, и системы, использующей интерконнект Tofu, способствовали лидерству в бенчмарке HPCG, который оценивает эффективность машины в целом.

Архитектура ARM активно прокладывает себе путь в серверные системы и даже в суперкомпьютеры. Но судьба первой компании, рискнувшей сделать ставку на ARM, вовсе не так радужна.

В 2011 году компания Calxeda опубликовала сведения о 32-бит серверном процессоре на базе ARM Cortex-A9. В 2020 году можно считать, последний гвоздь в крышку гроба этих CPU забит — в ядре Linux поддержка платформ Calxeda будет в ближайшее время прекращена. Но мы считаем, что те, кто первыми бросил вызов могуществу x86, заслуживают памяти.

Ещё первая разработка Calxeda, четырёхъядерный процессор ARM Cortex-A9, о котором мы писали в 2011 году, позволял создавать серверы формата 2U со 120 процессорами (480 ядер совокупно). Компания называла свою затею «первопроходческой инициативой» и планировала развернуть вокруг своих разработок целую экосистему — и спрос на такие решения был.

Преимущества платформы Calxeda по мнению компании: экономичность, компактность, низкая стоимость

Проект поддержал солидный список из венчурных фондов и производителей полупроводников: ARM, Advanced Technology Investment Company, Battery Ventures, Flybridge Capital Partners и Highland Capital Partners, а первым ключевым партнёром для Calxeda стала Canonical — разработчик операционной системы Ubuntu.

Архитектура первого серверного процессора Calxeda EnergyCore ECX-1000

К концу 2011 года проект оформился окончательно. CPU получил название EnergyCore, стали известны тактовые частоты (1,1 ‒ 1,4 ГГц) и другие подробности: наличие 4 Мбайт кеша L3, интегрированного коммутатора с производительностью 80 Гбит/с, отдельного ядра для управления энергопотребления.

Энергопотребление одного узла на базе EnergyCore, в состав которого, помимо процессора, входило 4 Гбайт памяти и SSD-накопитель, могло составлять всего 5 ватт. Неудивительно, что разработкой заинтересовалась Hewlett-Packard, объявившая о намерении использовать EnergyCore в своих новых серверах. Говорилось о 4U-шасси, содержащих 288 чипов Calxeda EnergyCore.

Эталонный дизайн вычислительного узла с четырьмя Calxeda EnergyCore

К сожалению, в 2012 году было объявлено о том, что OEM-серверы на базе чипов Calxeda появятся только ближе к концу года. Но HP уже располагает такими системами под названием Redstone; они используются для разработки энергоэффективной серверной архитектуры в проекте Moonshot.

Мини-кластер HP Redstone

Осенью того же года Calxeda объявляет о выпуске новой платформы Midway. В ней используется более совершенная архитектура ARM Cortex-A15 с поддержкой аппаратных средств виртуализации. Опубликованы планы на 2014 год, в них фигурирует поддержка 64-битной архитектуры ARM v8.

Наконец, на конференции Strata + HadoopWorld в Нью-Йорке компания Penguin Computing демонстрирует успешную работу Hadoop на платформе UDX1, построенной с использованием Calxeda EnergyCore.

Типичный дизайн сервера на базе процессоров Calxeda. Производитель Boston, модель Viridis

2013 год. Intel не собирается уступать и в противовес Calxeda и AMD, работающими над созданием экономичных ARM-процессоров, выпускает первую систему на чипе на базе архитектуры Broadwell. К сожалению, это последний год деятельности Calxeda. Исчерпав резервы денежных средств, пионер на рынке ARM-серверов объявляет о прекращении своей работы.

По мнению экспертов, причин краха две — компания слишком рано начала наступление на серверный рынок, ещё не готовый к пришествию ARM, а также сделала ставку на 32-битные процессоры в то время, как серверный рынок уже успел привыкнуть к 64-битным чипам, хотя бы потому, что они поддерживают большие объемы оперативной памяти. Кроме того, даже сама ARM относительно недавно, наконец, ввела спецификации ServerReady для упрощения внедрения в серверный сегмент.

Крах Calxeda также негативно сказался на общее отношение к серверным ARM в индустрии, которая сама по себе всегда была консервативна. В частности, в разговоре на SC19 представитель одного из ведущих производителей серверов отметил, что неуспех первых ARM-платформ и фактически впустую потраченные средства надолго отпугнули корпорацию даже от экспериментов в этой области.

Последние из могикан: вскоре для них не останется работы

Уже выпущенные серверы с процессорами Calxeda ещё работают. Но дни их уже сочтены: на рынке серверных процессоров с архитектурой ARM появляются другие игроки, изначально сделавшие ставку на мощные 64-битные варианты. К 2020 году встретить сервер Calxeda в работе удаётся очень редко — и разработчики ядра Linux объявляют о том, что вскоре откажутся от поддержки инфраструктуры Calxeda. Будет также убрана поддержка KVM-виртуализации для всех 32-битных процессоров ARM.

Это не первая история неуспеха ARM в серверном сегмента. Два крупнейших производителя SoC, Broadcom и Qualcomm, в итоге отказались от затеи. Наработки первой после долгих скитаний воплотились в ThunderX, а процессоры Centriq второй так толком и не увидели свет. Собственные CPU Marvell не снискали большой популярности, так что компания в итоге купила ThunderX.

ThunderX 2 вместе с Fujitsu A64FX пока остаются единственными крупными игроками на этом рынке, если не считать ряда внутренних разработок вроде AWS Graviton, которые не предназначены для свободной продажи. Конкуренцию им в ближайшее время должны составить Ampere eMAG и Huawei KunPeng.