來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察

　　由 Amazon Web Services 的 Annapurna Labs 部門設(shè)計(jì)的 Graviton 系列 Arm 服務(wù)器芯片可以說是當(dāng)今數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)上產(chǎn)量最大的 Arm 服務(wù)器芯片，并且它們恰好擁有一個(gè)且只有一個(gè)客戶，也是直接客戶——AWS。

　　這兩個(gè)事實(shí)說明了Annapurna Labs 為創(chuàng)建更強(qiáng)大的 Arm 服務(wù)器處理器所做的設(shè)計(jì)選擇，并且它們區(qū)別于其他兩種針對(duì)當(dāng)今市場(chǎng)上服務(wù)器的合理大容量 Arm 服務(wù)器 CPU，即富士通的 A64FX 處理器和Ampere Computing 的 Altra 家族。還有其他針對(duì)特定地區(qū)和用例的 Arm 服務(wù)器芯片正在開發(fā)中，這似乎總是存在，但它們看起來都不會(huì)像 Graviton 和 Altra 系列那樣成為批量產(chǎn)品；富士通 A64FX 是量產(chǎn)產(chǎn)品，因?yàn)橛惺褂盟闹鳈C(jī)——日本理研實(shí)驗(yàn)室的“Fugaku”超級(jí)計(jì)算機(jī)。

　　AWS 在拉斯維加斯的 re:Invent 大會(huì)上推出了第三代 Graviton3 服務(wù)器芯片，我們未能參加，我們?cè)?12 月根據(jù)當(dāng)時(shí)可用的摘要信息對(duì)處理器進(jìn)行了概述，承諾在提供更多來自技術(shù)會(huì)議的信息時(shí)回過頭來進(jìn)行更深入的研究。該信息現(xiàn)在可以從云巨頭負(fù)責(zé) Graviton 實(shí)例的高級(jí)首席工程師 Ali Saidi 的演示中看到。Saidi 更詳細(xì)地介紹了預(yù)覽中的 64 核、550 億晶體管 Graviton3 與其前身——2018 年 11 月預(yù)覽的 16 核、50 億晶體管 Graviton 和 2019 年 11 月預(yù)覽的64 核、300 億晶體管 Graviton2 的不同之處。AWS 需要幾個(gè)月的時(shí)間才能使 Graviton 芯片全面生產(chǎn)，一旦使用 Graviton3 芯片的 EC2 服務(wù)上的 C7g 實(shí)例全面生產(chǎn)并停止預(yù)覽，我們就會(huì)知道更多。

　　首先，Saidi 談到了為什么 AWS 甚至費(fèi)心制造自己的服務(wù)器 CPU，也許制造自己的“Nitro”DPU 來卸載 X86 服務(wù)器處理器的管理程序以及安全處理和存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)虛擬化似乎就足夠了。

　　“構(gòu)建我們自己的芯片確實(shí)讓我們能夠在各種層次上進(jìn)行創(chuàng)新，更快地創(chuàng)新，提高安全性，并提供更多價(jià)值，”Saidi解釋道?！霸趧?chuàng)新方面，能夠構(gòu)建芯片和服務(wù)器，并讓編寫軟件的團(tuán)隊(duì)在一個(gè)屋檐下進(jìn)行，這意味著創(chuàng)新速度更快，我們可以跨越傳統(tǒng)界限。我們也可以為我們的需要制造芯片。我們可以將它們專門用于我們正在嘗試做的事情，而不必添加其他人想要的功能。我們可以只為我們認(rèn)為將為我們的客戶提供最大價(jià)值的東西構(gòu)建它們，而忽略那些實(shí)際上不是的東西。我們得到的第三件事是速度。我們可以控制項(xiàng)目的開始、進(jìn)度和交付。我們可以并行化硬件和軟件開發(fā)，并使用大規(guī)模的云來進(jìn)行構(gòu)建芯片所需的所有模擬。最后，操作。通過運(yùn)行 EC2，我們可以深入了解操作，我們可以將功能放入芯片中，以執(zhí)行諸如刷新固件以解決問題或增強(qiáng)功能等操作，而不會(huì)打擾在機(jī)器上運(yùn)行的客戶?！?/p>

　　顯然，Graviton 的努力不僅僅是從英特爾和 AMD 那里獲得更便宜的 X86 服務(wù)器芯片價(jià)格——盡管它也是如此，即使Saidi沒有提到它。但只要 AWS 在其云中托管大量 X86 客戶，它就會(huì)為其云客戶購買 Xeon SP 和 Epyc 處理器，用于他們創(chuàng)建的那些不易移植到 Arm 架構(gòu)并因此從 20 Graviton 系列在 EC2 上的 X86 實(shí)例上顯示了 1% 到 40% 的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，涵蓋了廣泛的工作負(fù)載和場(chǎng)景。

　　沒有人確切知道 AWS 隊(duì)列中有多少 Graviton 處理器，但我們所知道的是 Graviton 處理器以某種方式在 23 個(gè)不同的 AWS 區(qū)域和十幾種不同的 EC2 實(shí)例類型中可用。

　　AWS擁有超過475不同的EC2實(shí)例類型，其在CPU，內(nèi)存，存儲(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)和加速器配置方面運(yùn)行域，以及Graviton實(shí)例是明顯的一個(gè)很小的部分品種EC2 實(shí)例。24 個(gè)地區(qū)中有 23 個(gè)至少擁有一些 Graviton 處理器，這或許更能說明 Graviton 在 AWS 機(jī)群中的流行——但不一定。我們認(rèn)為可以誠實(shí)地說，與運(yùn)行 Web 式工作負(fù)載的 X86 處理器相比，性價(jià)比提高了 30% 到 40%，并且隨著產(chǎn)品線的發(fā)展，Graviton 芯片的功能越來越強(qiáng)大，我們認(rèn)為 AWS 軟件工作負(fù)載的一部分越來越大與在運(yùn)行 Windows Server 或 Linux 的 X86 處理器上運(yùn)行其他人的應(yīng)用程序無關(guān)——比如無數(shù)的數(shù)據(jù)庫和 SageMaker AI 服務(wù)——最終將使用 Graviton，從而降低這些服務(wù)的總體成本，同時(shí)保持 AWS 的利潤(rùn)。

　　事實(shí)上，Saidi 表示，對(duì)于 AWS 兜售的 PaaS 和 SaaS 服務(wù)，如果客戶在注冊(cè)服務(wù)時(shí)沒有特別指定實(shí)例類型，他們將在該服務(wù)下獲得一個(gè) Graviton 實(shí)例。這表明 AWS 隊(duì)列中有相當(dāng)多的 Graviton 服務(wù)器。事實(shí)上，在今年的 Prime 會(huì)員日，安裝在 EC2 服務(wù)下的 Graviton2 實(shí)例支持了亞馬遜在線零售業(yè)務(wù)使用的十幾個(gè)核心零售服務(wù)。曾經(jīng)支持跨 Amazon 內(nèi)部零售數(shù)據(jù)服務(wù)的查找、查詢和聯(lián)接的關(guān)鍵服務(wù) Datapath 從 X86 服務(wù)器移植到由超過 53,000 個(gè)基于 Graviton2 的 C6g 實(shí)例組成的三區(qū)域集群。

　　這就是事實(shí)，這可能也是為什么英特爾和 AMD 需要在 15 年前構(gòu)建自己的云，而不是讓戴爾、惠普企業(yè)和 VMware 嘗試并失敗的原因。在不久的將來，CPU 將成為數(shù)據(jù)中心的弱勢(shì)群體。

　　這也是英偉達(dá)今年與 AWS 合作使其 HPC SDK 在其基于 Graviton 處理器的 ParallelCluster 超級(jí)計(jì)算服務(wù)上運(yùn)行的原因，這將允許使用 OpenMP 的 C、C++ 和 Fortran 程序并行化應(yīng)用程序以在 Graviton 實(shí)例上運(yùn)行，并且這也是 SAP 與 AWS 合作將其 HANA 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫移植到 Graviton 實(shí)例并將這些實(shí)例用作 SAP 自己的托管在 AWS 上的 HANA 云服務(wù)的基礎(chǔ)的原因。

　　探索Graviton3內(nèi)部

　　Saidi 的演講比 re:Invent 主題演講詳細(xì)得多，實(shí)際上展示了 Graviton3 封裝的一個(gè)鏡頭，這是我們聽說的小芯片（chiplet）設(shè)計(jì)。這是顯示 Graviton3 封裝的幻燈片：

　　這個(gè)die頂部的特寫圖像放大了一點(diǎn)，但原始圖像是模糊的——所以不要怪我們。這與 Graviton3 封裝的圖像一樣好。

　　下面的示意圖讓 Graviton3 上的小芯片如何分解其功能更加清晰：

　　Annapurna Labs 團(tuán)隊(duì)沒有像 AMD 使用“Rome”Epyc 7002 和“Milan”Epyc 7003 X86 服務(wù)器芯片那樣擁有中央 I/O 和內(nèi)存芯片，然后圍繞它的小芯片內(nèi)核，而是保留了所有 64 個(gè)內(nèi)核在中心的 Graviton3 上，然后斷開與這些內(nèi)核分離的 DDR5 內(nèi)存控制器（具有內(nèi)存加密）和 PCI-Express 5.0 外圍控制器。封裝底部有兩個(gè) PCI-Express 5.0 控制器和四個(gè) DDR5 內(nèi)存控制器，封裝兩側(cè)也各有兩個(gè)。（這是第一個(gè)支持 DDR5 內(nèi)存的服務(wù)器芯片，其帶寬比當(dāng)今服務(wù)器中常用的 DDR4 內(nèi)存高 50%。當(dāng)然，今年其他芯片也會(huì)跟進(jìn)。）

　　與 Graviton2 相比，Graviton3 增加了 250 億個(gè)晶體管，其中大部分，據(jù)Saidi 說，是為了加強(qiáng)內(nèi)核，正如 AWS 公用事業(yè)計(jì)算高級(jí)總裁 Peter DeSantis已經(jīng)在他的主題演講中解釋的那樣，這個(gè)想法是通過加強(qiáng)pipeline讓內(nèi)核做更多種類的工作以及更多的工作。像這樣：

　　Graviton2 基于 Arm Holding 的 Neoverse “Ares”N1 內(nèi)核設(shè)計(jì)的，他們?cè)?strong>去年 4 月又發(fā)布了“Perseus”V1 和“Zeus”N2 內(nèi)核。正如我們已經(jīng)指出的，與一些人的看法相反，我們認(rèn)為 Graviton3 是基于 N2 核心，而不是 V1 核心。AWS 尚未確認(rèn)正在使用什么核心。我們做了大量嘗試，試圖去確認(rèn) Annapurna Labs 在 Graviton3 中的確使了 N2 核心。我們公開承認(rèn)，這是一個(gè)瘋狂的猜測(cè)，因?yàn)榧t色粗體顯示的項(xiàng)目是：

　　無論如何，回到pipeline方面。Saidi 解釋說，與 Graviton2 的 N1 內(nèi)核相比，Graviton3 內(nèi)核的性能提高了 25%——我們認(rèn)為這意味著更高的每時(shí)鐘指令數(shù)或 IPC。Graviton3 以稍高的時(shí)鐘速度運(yùn)行（2.6 GHz，而 Graviton2 為 2.5 GHz）。據(jù)Saidi 說，核心的前端寬度是原來的兩倍，而且還有一個(gè)更大的分支預(yù)測(cè)器。指令調(diào)度幾乎是兩倍寬，指令窗口是兩倍寬，SIMD向量單元具有兩倍的性能并支持SVE（富士通和Arm為富岳超級(jí)計(jì)算機(jī)的A64FX處理器發(fā)明的可變長(zhǎng)度可伸縮向量擴(kuò)展在 RIKEN）和 BFloat16（由 Google Brain 人工智能團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的創(chuàng)新格式）。每個(gè)時(shí)鐘有兩倍的內(nèi)存操作來平衡這一切，還有一些增強(qiáng)的預(yù)取器，可以將兩倍的未完成事務(wù)泵送到那些增強(qiáng)的 Gravition3 內(nèi)核。核心的乘法器更寬，數(shù)量是其兩倍。

　　與之前的 Graviton 和 Graviton2 內(nèi)核以及 Ampere Computing Altra 系列中使用的內(nèi)核一樣，Graviton3 內(nèi)核中沒有試圖提高吞吐量的超線程。不安全和更復(fù)雜的權(quán)衡不值得提高性能 - 至少對(duì)于 AWS 對(duì)其應(yīng)用程序進(jìn)行編碼的方式。

　　AWS 沒有做的另一件事是添加 NUMA 電子設(shè)備以將多個(gè) Graviton3 CPU 連接到一個(gè)共享內(nèi)存系統(tǒng)中，并且它也沒有像英特爾通過電路和 AMD 使用其至強(qiáng) SP 那樣將核心塊分解為 NUMA 區(qū)域，在羅馬或米蘭 Epyc 封裝上使用八個(gè)核心tiles。內(nèi)核與運(yùn)行頻率超過 2 GHz 且對(duì)分帶寬超過 2 TB/秒的網(wǎng)格互連。

　　Graviton3 的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是服務(wù)器，我們?cè)缭?12 月就談到了這一點(diǎn)，AWS 正在創(chuàng)建一個(gè)自產(chǎn)的三節(jié)點(diǎn)、三插槽服務(wù)器，它有一個(gè)共享的 Nitro DPU，將它們連接到外部世界。像這樣：

　　通過將大量 CPU 功能卸載到 Nitro DPU 并將一堆單插槽 Graviton3 節(jié)點(diǎn)塞到卡上，AWS 表示它可以將每個(gè)機(jī)架的插槽增加 50%——這大概意味著不會(huì)犧牲任何相關(guān)的性能來自 AMD 的 X86 處理器也處于合理的散熱范圍內(nèi)。

　　我們已經(jīng)在之前的 Graviton3 報(bào)道中討論了一系列性能指標(biāo)，但是這個(gè)顯示 SPEC 2017 整數(shù)和浮點(diǎn)測(cè)試很有趣：

　　C7g 實(shí)例使用 Graviton3，C6g 使用 Graviton2，這表明前者的整數(shù)性能比后者高約 30%，浮點(diǎn)性能比后者高約 60%。C5 實(shí)例基于英特爾定制的“Cascade Lake”Xeon SP 處理器，而 C5a 實(shí)例基于 AMD 的 Rome Epyc 處理器。C6i 實(shí)例基于“Ice Lake”Xeon SP。我們更希望擁有這些實(shí)例的實(shí)際核心數(shù)和時(shí)鐘速度以進(jìn)行更好的比較，但很明顯 AWS 想要給人的印象是 Graviton2 已經(jīng)擊敗了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，而 Graviton3 確實(shí)做到了。

　　任何真正的比較都將著眼于整數(shù)和浮點(diǎn)工作的核心數(shù)、成本、散熱和性能，然后權(quán)衡所有這些因素，以選擇芯片以在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行實(shí)際基準(zhǔn)測(cè)試。SPEC 測(cè)試只是玩游戲的賭注。但他們不是游戲。

　　封面圖片來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察

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　　審核編輯：鄢孟繁