與x86正面交鋒，Arm服務(wù)器芯片又掀狂瀾

在Arm服務(wù)器處理器陣營(yíng)中，鮮少有從開始一直挺立到現(xiàn)在的，Marvell算其中一個(gè)。

現(xiàn)在仍然可以查到Marvell發(fā)表于2010年的媒體簡(jiǎn)報(bào)，“Marvell今天發(fā)布新款A(yù)RM架構(gòu)嵌入式處理器ARMADA XP，將主要用于云計(jì)算等企業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，諸如高性能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，以及家用NAS、媒體服務(wù)器等。運(yùn)算內(nèi)核包括四核心，頻率最高1.6GHz，擁有2MB二級(jí)緩存，其運(yùn)算性能可達(dá)16600DMIPS，而功耗低于10W?！?br />
今天看來，當(dāng)時(shí)的配置和愿景都過于樸素。

時(shí)間就這樣過去了十年。

這期間，Marvell對(duì)旗下業(yè)務(wù)大刀闊斧地進(jìn)行了整并，移動(dòng)芯片和多媒體芯片業(yè)務(wù)對(duì)外出售，基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域?qū)嵙Σ粩鄰?qiáng)化，直到現(xiàn)在成為一家專注于基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)的半導(dǎo)體廠商，提供存儲(chǔ)、處理、網(wǎng)絡(luò)、無線連接和安全產(chǎn)品組合，服務(wù)器芯片地位越來越重。

今天，Marvell的服務(wù)器芯片主要聚焦三大應(yīng)用市場(chǎng)：超算、云端、邊緣，保持著兩年一代的上新節(jié)奏。
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一次咄咄逼人的上新

近日，Marvell基于第三代Arm的服務(wù)器處理器ThunderX3取得突破性進(jìn)展。它專為當(dāng)今云計(jì)算和HPC市場(chǎng)上較嚴(yán)苛的工作負(fù)載而設(shè)計(jì)，可提供高性能、低功耗、高內(nèi)存帶寬和低內(nèi)存延遲，將于今年年中向客戶提供樣片。

Marvell半導(dǎo)體公司副總裁及服務(wù)器處理器部總經(jīng)理Gopal Hegde指出，如今數(shù)據(jù)中心已從對(duì)單線程性能的關(guān)注轉(zhuǎn)向?qū)C(jī)架級(jí)別性能的關(guān)注，其中性能功耗比、性能成本比和TCO（總擁有成本）是部署考慮的三大關(guān)鍵因素。因此，數(shù)據(jù)中心開始采用專為特定工作負(fù)載而定制的服務(wù)器。

相比上一代ThunderX2，ThunderX3實(shí)現(xiàn)了性能上的全面提升。據(jù)介紹，ThunderX3處理器采用臺(tái)積電7P制程工藝制造，擁有高達(dá)96個(gè)核，4線程/核心，每個(gè)插槽的總計(jì)算能力達(dá)到384線程。內(nèi)存接口支持8通道DDR4-3200，每個(gè)通道可搭載2個(gè)DIMM。I/O擴(kuò)展提供了64個(gè)PCIe Gen 4.0通道，搭載16個(gè)控制器。該處理器支持單節(jié)點(diǎn)和雙節(jié)點(diǎn)配置。在浮點(diǎn)運(yùn)算方面，ThunderX3的每個(gè)核心搭載四個(gè)128位SIMD (Neon)單元。該設(shè)備完全符合SBSA/SBBR，并提供了企業(yè)級(jí)的RAS和虛擬化功能。
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ThunderX3的性能改進(jìn)如何實(shí)現(xiàn)？Marvell半導(dǎo)體公司服務(wù)器處理器部產(chǎn)品營(yíng)銷高級(jí)總監(jiān)周立新告訴<電子發(fā)燒友>，主要來自于微架構(gòu)的改進(jìn)，使得IPC的整體性能較ThunderX2提高25%。結(jié)合處理器頻率和DDR頻率的提升，單線程總體性能較上一代提高了60%以上。在單顆處理器層面，相較于ThunderX2，ThunderX3的整數(shù)運(yùn)算性能提升3倍以上，浮點(diǎn)運(yùn)算性能提升5倍以上。

那么，對(duì)于HPC市場(chǎng)來說，需要什么樣的性能？周立新表示，HPC需要很多并行處理，ThunderX3每一個(gè)核有4個(gè)線程，最多96個(gè)核，可以支持384個(gè)線程。他強(qiáng)調(diào)，單核支持四線程，不論是x86架構(gòu)還是其它Arm處理器，目前都沒有實(shí)現(xiàn)，ThunderX3在這方面實(shí)現(xiàn)了“數(shù)量級(jí)的差異”。

四線程跟單線程比，究竟有什么好處？可以主要從三方面來看，一是SPECCPU，這是最標(biāo)準(zhǔn)的衡量服務(wù)器的指標(biāo)；二是MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)；三是Web搜索。根據(jù)測(cè)算，四線程比單線程有顯著的性能提升，特別是MySQL，可以提高80%的性能。

當(dāng)然，CPU不僅僅是計(jì)算指標(biāo)，還涉及先進(jìn)的DDR、PCIe。ThunderX3采用了PCIe 4.0，當(dāng)年在ThunderX2，每個(gè)核里面有2個(gè)128bit SIMD (Neon) Units，而ThunderX3提升到4個(gè)，這對(duì)超算、AI和機(jī)器學(xué)習(xí)來說非常重要。

談及對(duì)比于x86架構(gòu)處理器的主要優(yōu)勢(shì)，Gopal Hegde表示，x86架構(gòu)面向服務(wù)器、桌面等眾多市場(chǎng)，而Armv8-A是專門面向服務(wù)器應(yīng)用開發(fā)的核，在面積、性能、功耗層面更加優(yōu)化。x86架構(gòu)兩大廠商：英特爾在工藝上相比臺(tái)積電已落后一兩代，這對(duì)其x86服務(wù)器CPU性能有一定的影響；AMD在架構(gòu)上采用封裝集成，64核有9個(gè)Die，相應(yīng)地在延時(shí)、帶寬方面存在不足，同時(shí)功耗偏高。

未來可能考慮Chiplet

各家由于情況不同，也有各自的實(shí)現(xiàn)路徑。比如AMD，其EYPC系列的成功與Chiplet技術(shù)的采用密不可分，它作為一種解決物理瓶頸的方法，Marvell是否會(huì)予以考慮？

Gopal Hegde談到，當(dāng)時(shí)AMD的EPYC，如果把32核放在同一芯片中，物理上首先難以量產(chǎn)，就算生產(chǎn)出良率會(huì)比較差，所以不得不用4個(gè)Die來做32核。Marvell每個(gè)核的尺寸比AMD的約小30%左右，所以在ThunderX3中還可以集成這么多核。他談到了一些不采用chiplet的優(yōu)勢(shì)，比如內(nèi)存帶寬，而且延遲也比較短。不過，未來再往下走，就算核再小早晚也會(huì)碰到物理瓶頸，那時(shí)可能也會(huì)考慮Chiplet方案。

盤點(diǎn)Arm服務(wù)器陣營(yíng)的底氣

從Arm進(jìn)入服務(wù)器市場(chǎng)的第一天起，整個(gè)業(yè)界就充滿了懷疑的論調(diào)，這種唱衰一路貫穿，甚至在高通正式取消其服務(wù)器芯片項(xiàng)目時(shí)達(dá)到頂峰。

不過，后面的故事越來越精彩，2017年，英特爾前高管離職創(chuàng)辦了從事Arm 服務(wù)器芯片研發(fā)的Ampere公司；2018年，富士通公開介紹了業(yè)界首款支持基于ArmV8指令集擴(kuò)展SVE(Scalable Vector Extension)的A64FX芯片，據(jù)稱性能強(qiáng)悍到無需與GPU組合；2019年AWS推出的Graviton 2堪稱驚艷……

事實(shí)上，也正是從去年開始，業(yè)界推出Arm服務(wù)器處理器的節(jié)奏明顯加快，性能PK也更為激烈。國(guó)產(chǎn)陣營(yíng)的代表有飛騰和華為，作為國(guó)內(nèi)最早獲得ARMv8指令集架構(gòu)授權(quán)的設(shè)計(jì)廠商，飛騰的CPU產(chǎn)品近年來不論是性能還是生態(tài)都成果頗豐；還有華為鯤鵬，正在通過全生態(tài)體系和產(chǎn)業(yè)鏈的整合能力高歌猛進(jìn)。

為什么Arm服務(wù)器生態(tài)開始呈現(xiàn)出前所未有的繁榮景象？Gopal Hegde認(rèn)為，最顯著的原因是最終用戶發(fā)現(xiàn)Arm加速應(yīng)用的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，才會(huì)有越來越多的人投入。

Arm框架的核心優(yōu)勢(shì)在于低能耗、移動(dòng)市場(chǎng)的高占比。但是，服務(wù)器是一個(gè)跟生態(tài)密切相關(guān)的業(yè)務(wù)，現(xiàn)在整個(gè)市場(chǎng)x86架構(gòu)還是占據(jù)了90%以上的份額。本文發(fā)布之時(shí)，英特爾剛剛公布了2020年第一季度財(cái)報(bào)，其中數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)同比增長(zhǎng)43%，個(gè)中原因這里不去深究，但足以見得Marvell等面臨的是怎樣的對(duì)手。

那么，Marvell競(jìng)爭(zhēng)的底氣來自哪里？

Gopal Hegde表示，生態(tài)層面其實(shí)是一種“滾雪球”效應(yīng)，滾到一定地步就會(huì)自己越滾越大。自前兩年推出ThunderX2之后，部署進(jìn)度在不斷加速，得到了諸多OEM廠商和平臺(tái)、IHV硬件廠商、操作系統(tǒng)和固件、中間件、應(yīng)用和工具的支持，目前生態(tài)系統(tǒng)覆蓋已超過100家合作伙伴企業(yè)。微軟正為Azure部署基于ThunderX2的量產(chǎn)級(jí)服務(wù)器，也公開表態(tài)未來可能有40%-50%的量遷移到Arm平臺(tái)上。此外，ThunderX2系列服務(wù)器處理器已實(shí)現(xiàn)對(duì)NVIDIA GPU的支持，將進(jìn)一步滿足HPC 和游戲應(yīng)用的需求。

比較聰明的一點(diǎn)是，正如Gopal Hegde在采訪中所澄清的，Marvell并非全線與x86競(jìng)爭(zhēng)，只主抓生態(tài)成熟、且成長(zhǎng)非?？斓念I(lǐng)域，就是超算和云這兩塊，企業(yè)級(jí)的市場(chǎng)不會(huì)進(jìn)入。

Arm架構(gòu)在服務(wù)器市場(chǎng)進(jìn)入了關(guān)鍵時(shí)期。諸多創(chuàng)新場(chǎng)景帶來的海量數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)需求將孕育龐大的云服務(wù)市場(chǎng)，對(duì)基礎(chǔ)計(jì)算架構(gòu)產(chǎn)生了真正的多元化的需求。而先進(jìn)算力的提升也確實(shí)需要多元化的構(gòu)建，眼下這種繁榮的生態(tài)景象正是行業(yè)所需要的。

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