霸主英特爾2020年能否守住HPC市場

在利潤豐厚的服務(wù)器和HPC（高性能計(jì)算）處理器市場，英特爾的市場份額在很長一段時(shí)間都超過九成，但市場不總是一成不變。隨著AMD Epyc處理器的推出，以及Arm架構(gòu)處理器進(jìn)入這一市場，2020年英特爾難以避免他們帶來的競爭。

但是，市場份額并不會迅速變化，英特爾x86處理器在未來五年甚至更長時(shí)間仍將主導(dǎo)這一市場，面對強(qiáng)有力的競爭者，能否守住這一市場，新產(chǎn)品變得更加重要。

高性能計(jì)算（HPC）市場已經(jīng)連續(xù)多年增長。目前至少有三種架構(gòu)的CPU可用于HPC任務(wù)，包括X86、Arm和Power，有超過六家可靠的供應(yīng)商，還有兩種（即將成為三種）GPU架構(gòu)。不過，目前該領(lǐng)域的絕大多數(shù)HPC系統(tǒng)還是由英特爾 CPU（有時(shí)是Nvidia GPU）提供算力。從今年開始，情況將開始改變。

近期內(nèi)的變化可能會來自x86領(lǐng)域，AMDEpyc的勢頭將使英特爾面臨自O(shè)pteron（皓龍，AMD 2003年推出的64位處理器）時(shí)代以來最激烈的競爭。特別是，幾乎可以確定第二代Epyc芯片（又名“羅馬”）將搶占英特爾在服務(wù)器領(lǐng)域（包括HPC）的市場份額。

羅馬令人印象深刻的性價(jià)比無疑是促使美國、英國、德國和芬蘭等超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)選擇它的關(guān)鍵，大多數(shù)系統(tǒng)將于今年上線?，F(xiàn)在的關(guān)鍵問題是，更新的至強(qiáng)處理器（14納米“ Cooper Lake”至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器），尤其是未來的10納米“ Ice Lake”至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器，能在多大程度減少市場份額的流失。

Arm也在緩慢地進(jìn)入HPC市場，我們認(rèn)為，緩慢的主要原因是，從技術(shù)角度看，與x86或任何其它通用處理器相比，該架構(gòu)沒有任何特殊的優(yōu)勢。Arm的優(yōu)勢在于其IP是可授權(quán)的，因此該架構(gòu)可以滿足不同市場定制處理器的需求，這和全球軟件生態(tài)系統(tǒng)捆綁在一起。

需要說明，這種可延展性是長期的優(yōu)勢，而不是短期的優(yōu)勢。富士通花了至少五年的時(shí)間設(shè)計(jì)和開發(fā)了A64FX，這是第一個(gè)基于Arm架構(gòu)的HPC專用處理器。它即將在RIKEN Lab的“ Fugaku” 400 petaflops超級計(jì)算機(jī)中首次亮相，將測試Arm架構(gòu)在高端HPC中的可行性以及相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)。巧的是，它也將展示沒有加速器或外部存儲器系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。

Cavium凱為半導(dǎo)體2017年已經(jīng)被Marvell收購）的ThunderX2 SoC是一種更普通的芯片，其目標(biāo)是在低級別的HPC領(lǐng)域，這款處理器于2018年推出，很快就獲得了Marvell的訂單，并成為了英國和其它地區(qū)為數(shù)不多的第一批基于Arm處理器構(gòu)建HPC集群的基礎(chǔ)。盡管ThunderX2不是超高性能，但由其較好的集成內(nèi)存控制器分配，在受內(nèi)存帶寬限制的應(yīng)用中表現(xiàn)出色。Marvell希望在ThunderX2成功的基礎(chǔ)上再推出ThunderX3，該產(chǎn)品有望在今年年初發(fā)布。

Marvell預(yù)測，第三代產(chǎn)品將基于7納米制程，將與AMD的“羅馬” Epyc 7002和英特爾的Ice Lake至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器競爭，性能將比ThunderX2高出兩倍以上，時(shí)鐘頻率也更快，能源效率更高。

今年，基于Arm的高性能計(jì)算將有另一個(gè)重要選擇——基于A64FX的商用系統(tǒng)。例如，由于與富士通達(dá)成了合作協(xié)議，客戶現(xiàn)在可以從Cray / HPE選擇支持A64FX的CS500集群。對于日本或者歐洲市場，富士通還將提供基于A64FX的FX700和FX1000系統(tǒng)。

如果這些系統(tǒng)在各自的地區(qū)能夠吸引足夠的客戶，其他OEM也可能與富士通達(dá)成類似的協(xié)議。

基于A64FX的商業(yè)系統(tǒng)的前景也可以預(yù)測。Isambard 2是布里斯托大學(xué)最初由ThunderX2驅(qū)動的Isambard集群的迭代版本，將采用A64FX Cray CS500。盡管還沒有宣布任何消息，但是如果歐洲三臺E級超級計(jì)算機(jī)（每秒可進(jìn)行百億億次數(shù)學(xué)運(yùn)算）中的一臺（或更多臺）也都采用A64FX芯片，這也不會令人感到驚訝。

我們認(rèn)為，用戶和供應(yīng)商當(dāng)前對基于Arm的群集的熱情是基于以下事實(shí)，即變化似乎已達(dá)到拐點(diǎn)。Hyperion Research一直在跟蹤HPC中Arm的銷售情況，他們預(yù)計(jì)在未來五年中，該領(lǐng)域Arm處理器收入的復(fù)合年增長率為64.7％。

盡管在2019年僅有50,000顆Arm芯片被用于HPC，但Hyperion預(yù)計(jì)該數(shù)字到2020年將超過233,000，到2024年將超過610,000。其中許多系統(tǒng)將在美國以外，這一事實(shí)反映出所有最初的基于Arm的億兆級系統(tǒng)都將在歐洲、中國和日本構(gòu)建和部署。這些地區(qū)占高性能計(jì)算一半以上的市場。也就是說，盡管Arm在這一領(lǐng)域可以維持較高的增長率，但x86處理器在未來五年甚至更長時(shí)間內(nèi)仍將主導(dǎo)這一市場。

Power架構(gòu)方面，盡管有OpenPower計(jì)劃，IBM仍然是游戲的唯一玩家。Power10處理器原定于今年推出，但現(xiàn)在看來它將在2021年問世，該公司并沒有依靠HPC來增加出貨。盡管Power10可以成為高性能計(jì)算領(lǐng)域令人印象深刻的芯片，但尚無大型系統(tǒng)由該芯片提供算力（能源部通過了IBM和Power10的CORAL-2合同）。

一個(gè)潛在的增長點(diǎn)是，歐洲開放計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室（LOCA）計(jì)劃選擇OpenPower作為開發(fā)開源HPC處理器的三種架構(gòu)之一。

在可預(yù)見的未來，Power架構(gòu)似乎注定在高性能計(jì)算中扮演次要角色。

GPU和更廣泛的加速器肯定會增長，特別是如果考慮到中國（中科曙光的DCU和Matrix-3000 DSP），歐洲（RISC-V和其他特定領(lǐng)域的加速器）追求定制設(shè)計(jì)（歐洲處理器計(jì)劃）的產(chǎn)品，以及無數(shù)的AI加速器進(jìn)入市場，例如英特爾最近推出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器：NNP-T和NNP-I。當(dāng)然，還有Xilinx和英特爾的各種FPGA迭代產(chǎn)品，可用于在芯片中實(shí)現(xiàn)硬件半定制化的HPC應(yīng)用。

但是，對于主流HPC使用者，GPU仍將是首選的加速器平臺。英偉達(dá)主導(dǎo)了這個(gè)領(lǐng)域，但AMD及其Radeon Instinct準(zhǔn)備搶占該市場的部分市場份額。頂級的MI60通過Infinity Fabric提供7.4 teraflops的64位性能，32 GB的HBM2內(nèi)存以及與GPU之間的200 GB /秒的連接性能。在將來的迭代中，連接性能將擴(kuò)展到AMD的Epyc CPU，以便GPU和CPU可以在同一結(jié)構(gòu)上進(jìn)行通信。這個(gè)功能將在Oak Ridge National Lab的“ Frontier”百億級超級計(jì)算機(jī)中進(jìn)行大規(guī)模測試，將通過Infinity Fabric在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中連接四個(gè)Radeon Instinct GPU和一個(gè)Epyc CPU，F(xiàn)rontier計(jì)劃于2021年啟動。

同年，“ Aurora”E級超算有望在Argonne國家實(shí)驗(yàn)室上線。該系統(tǒng)將配備英特爾的Xe GPU，這是一個(gè)協(xié)處理器，旨在加速HPC和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，就像Nvidia的V100和T4一樣。因此，Aurora將是針對此處理器進(jìn)行HPC和AI負(fù)載的第一個(gè)大型測試。由于現(xiàn)在沒有Xe處理器（定于今年晚些時(shí)候發(fā)布），因此它們的性能以及可編程性未知。

在這方面，英偉達(dá)具有優(yōu)勢，因?yàn)樵摴臼嗄陙硪恢痹趪@其CUDA硬件有條不紊地?cái)U(kuò)展其CUDA軟件，并已擁有數(shù)量龐大的開發(fā)人員和用戶。事實(shí)證明，該公司的GPU也有些難以捉摸，而且隨著可能在今年晚些時(shí)候推出的新一代（“安培”）架構(gòu)的出現(xiàn)，英偉達(dá)可能再次體現(xiàn)出優(yōu)勢。

但現(xiàn)在，至少是一場三雄爭霸的比賽。隨著新十年的開始，這將使加速器市場變得更加有趣。