与x86正面交锋，Arm服务器芯片又掀狂澜

在Arm服务器处理器阵营中，鲜少有从开始一直挺立到现在的，Marvell算其中一个。
 
现在仍然可以查到Marvell发表于2010年的媒体简报，“Marvell今天发布新款ARM架构嵌入式处理器ARMADA XP，将主要用于云计算等企业应用领域，诸如高性能网络设备、网页服务器，以及家用NAS、媒体服务器等。运算内核包括四核心，频率最高1.6GHz，拥有2MB二级缓存，其运算性能可达16600DMIPS，而功耗低于10W。”
 
今天看来，当时的配置和愿景都过于朴素。
 
时间就这样过去了十年。
 
这期间，Marvell对旗下业务大刀阔斧地进行了整并，移动芯片和多媒体芯片业务对外出售，基础设施领域实力不断强化，直到现在成为一家专注于基础设施市场的半导体厂商，提供存储、处理、网络、无线连接和安全产品组合，服务器芯片地位越来越重。
 
今天，Marvell的服务器芯片主要聚焦三大应用市场：超算、云端、边缘，保持着两年一代的上新节奏。
 

一次咄咄逼人的上新

近日，Marvell基于第三代Arm的服务器处理器ThunderX3取得突破性进展。它专为当今云计算和HPC市场上较严苛的工作负载而设计，可提供高性能、低功耗、高内存带宽和低内存延迟，将于今年年中向客户提供样片。
 
Marvell半导体公司副总裁及服务器处理器部总经理Gopal Hegde指出，如今数据中心已从对单线程性能的关注转向对机架级别性能的关注，其中性能功耗比、性能成本比和TCO（总拥有成本）是部署考虑的三大关键因素。因此，数据中心开始采用专为特定工作负载而定制的服务器。
 
相比上一代ThunderX2，ThunderX3实现了性能上的全面提升。据介绍，ThunderX3处理器采用台积电7P制程工艺制造，拥有高达96个核，4线程/核心，每个插槽的总计算能力达到384线程。内存接口支持8通道DDR4-3200，每个通道可搭载2个DIMM。I/O扩展提供了64个PCIe Gen 4.0通道，搭载16个控制器。该处理器支持单节点和双节点配置。在浮点运算方面，ThunderX3的每个核心搭载四个128位SIMD (Neon)单元。该设备完全符合SBSA/SBBR，并提供了企业级的RAS和虚拟化功能。
 
ThunderX3的性能改进如何实现？Marvell半导体公司服务器处理器部产品营销高级总监周立新告诉<电子发烧友>，主要来自于微架构的改进，使得IPC的整体性能较ThunderX2提高25%。结合处理器频率和DDR频率的提升，单线程总体性能较上一代提高了60%以上。在单颗处理器层面，相较于ThunderX2，ThunderX3的整数运算性能提升3倍以上，浮点运算性能提升5倍以上。
 
那么，对于HPC市场来说，需要什么样的性能？周立新表示，HPC需要很多并行处理，ThunderX3每一个核有4个线程，最多96个核，可以支持384个线程。他强调，单核支持四线程，不论是x86架构还是其它Arm处理器，目前都没有实现，ThunderX3在这方面实现了“数量级的差异”。
 
四线程跟单线程比，究竟有什么好处？可以主要从三方面来看，一是SPECCPU，这是最标准的衡量服务器的指标；二是MySQL数据库；三是Web搜索。根据测算，四线程比单线程有显著的性能提升，特别是MySQL，可以提高80%的性能。

当然，CPU不仅仅是计算指标，还涉及先进的DDR、PCIe。ThunderX3采用了PCIe 4.0，当年在ThunderX2，每个核里面有2个128bit SIMD (Neon) Units，而ThunderX3提升到4个，这对超算、AI和机器学习来说非常重要。
 
谈及对比于x86架构处理器的主要优势，Gopal Hegde表示，x86架构面向服务器、桌面等众多市场，而Armv8-A是专门面向服务器应用开发的核，在面积、性能、功耗层面更加优化。x86架构两大厂商：英特尔在工艺上相比台积电已落后一两代，这对其x86服务器CPU性能有一定的影响；AMD在架构上采用封装集成，64核有9个Die，相应地在延时、带宽方面存在不足，同时功耗偏高。

未来可能考虑Chiplet

各家由于情况不同，也有各自的实现路径。比如AMD，其EYPC系列的成功与Chiplet技术的采用密不可分，它作为一种解决物理瓶颈的方法，Marvell是否会予以考虑？
 
Gopal Hegde谈到，当时AMD的EPYC，如果把32核放在同一芯片中，物理上首先难以量产，就算生产出良率会比较差，所以不得不用4个Die来做32核。Marvell每个核的尺寸比AMD的约小30%左右，所以在ThunderX3中还可以集成这么多核。他谈到了一些不采用chiplet的优势，比如内存带宽，而且延迟也比较短。不过，未来再往下走，就算核再小早晚也会碰到物理瓶颈，那时可能也会考虑Chiplet方案。

盘点Arm服务器阵营的底气

从Arm进入服务器市场的第一天起，整个业界就充满了怀疑的论调，这种唱衰一路贯穿，甚至在高通正式取消其服务器芯片项目时达到顶峰。
 
不过，后面的故事越来越精彩，2017年，英特尔前高管离职创办了从事Arm 服务器芯片研发的Ampere公司；2018年，富士通公开介绍了业界首款支持基于ArmV8指令集扩展SVE(Scalable Vector Extension)的A64FX芯片，据称性能强悍到无需与GPU组合；2019年AWS推出的Graviton 2堪称惊艳……
 
事实上，也正是从去年开始，业界推出Arm服务器处理器的节奏明显加快，性能PK也更为激烈。国产阵营的代表有飞腾和华为，作为国内最早获得ARMv8指令集架构授权的设计厂商，飞腾的CPU产品近年来不论是性能还是生态都成果颇丰；还有华为鲲鹏，正在通过全生态体系和产业链的整合能力高歌猛进。
 
为什么Arm服务器生态开始呈现出前所未有的繁荣景象？Gopal Hegde认为，最显著的原因是最终用户发现Arm加速应用的时机已经成熟，才会有越来越多的人投入。
 
Arm框架的核心优势在于低能耗、移动市场的高占比。但是，服务器是一个跟生态密切相关的业务，现在整个市场x86架构还是占据了90%以上的份额。本文发布之时，英特尔刚刚公布了2020年第一季度财报，其中数据中心业务同比增长43%，个中原因这里不去深究，但足以见得Marvell等面临的是怎样的对手。
 
那么，Marvell竞争的底气来自哪里？
 
Gopal Hegde表示，生态层面其实是一种“滚雪球”效应，滚到一定地步就会自己越滚越大。自前两年推出ThunderX2之后，部署进度在不断加速，得到了诸多OEM厂商和平台、IHV硬件厂商、操作系统和固件、中间件、应用和工具的支持，目前生态系统覆盖已超过100家合作伙伴企业。微软正为Azure部署基于ThunderX2的量产级服务器，也公开表态未来可能有40%-50%的量迁移到Arm平台上。此外，ThunderX2系列服务器处理器已实现对NVIDIA GPU的支持，将进一步满足HPC 和游戏应用的需求。
 
比较聪明的一点是，正如Gopal Hegde在采访中所澄清的，Marvell并非全线与x86竞争，只主抓生态成熟、且成长非常快的领域，就是超算和云这两块，企业级的市场不会进入。
 
Arm架构在服务器市场进入了关键时期。诸多创新场景带来的海量数据计算、存储需求将孕育庞大的云服务市场，对基础计算架构产生了真正的多元化的需求。而先进算力的提升也确实需要多元化的构建，眼下这种繁荣的生态景象正是行业所需要的。

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