Marvell ThunderX3處理器解析：96核心384線程、ARM芯片之王

長(zhǎng)久以來,服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域一直是x86 CPU架構(gòu)的天下,但是隨著市場(chǎng)需求、應(yīng)用負(fù)載的多元化,隨著云計(jì)算、邊緣計(jì)算、高性能計(jì)算的不斷演進(jìn),RISC-V、ARM等架構(gòu)也都迎來了新的爆發(fā)機(jī)遇,尤其是ARM,眾多巨頭紛紛參與,生態(tài)建設(shè)也是如火如荼。

比如最近,亞馬遜就發(fā)布了ARM架構(gòu)的64核心Graviton2,安晟培(Ampere)則推出了80核心的Altra?，F(xiàn)在,Mavell(美滿電子)奉上了第三代ARM芯片“ThunderX3”。

Marvell的大名很多人可能不太熟悉,但這家歷史悠久的半導(dǎo)體企業(yè)其實(shí)隨時(shí)都在你身邊,比如機(jī)械硬盤主控,絕大部分都出自Marvell的手筆,SSD主控也有豐富的產(chǎn)品。

Marvell成立于1995年,總部位于美國(guó)加州圣克拉拉,在美國(guó)、以色列、印度、德國(guó)、中國(guó)都設(shè)有研發(fā)中心,全球員工超過5000人,全球?qū)＠^1萬(wàn)件,2020財(cái)年收入27億美元,核心業(yè)務(wù)覆蓋存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算三大領(lǐng)域,特別是擁有超過15年的高性能多核心CPU研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

Mavell旗下?lián)碛型暾腃PU處理器產(chǎn)品線,包括Armada、Octeon TX、Octeon Fusion、ThunderX四大系列,尤其是已經(jīng)悄然成為全球最大的ARM服務(wù)器處理器供應(yīng)商,應(yīng)用范圍、生態(tài)支持都獨(dú)步全球,累計(jì)出貨量已突破1億顆。

2017年,Marvell還以約60億美元的價(jià)格收購(gòu)了美國(guó)無工廠半導(dǎo)體企業(yè)Cavium(凱為半導(dǎo)體),進(jìn)一步增強(qiáng)了ARM平臺(tái)的設(shè)計(jì)能力。

既然有了成熟的x86,為何要大力推廣ARM?它有什么吸引整個(gè)行業(yè)的呢?

Marvell認(rèn)為,在架構(gòu)、工藝、性能、能效、生態(tài)等多個(gè)方面,ARM都展現(xiàn)出了更優(yōu)秀的品質(zhì),雖然不會(huì)也不能全方位取代x86,但是在部分特定領(lǐng)域,尤其是云計(jì)算、高性能計(jì)算等,已經(jīng)明顯超越x86。

架構(gòu)方面,x86一直是一個(gè)架構(gòu)打天下,從服務(wù)器數(shù)據(jù)中心到桌面筆記本消費(fèi)級(jí),都基于同一個(gè)架構(gòu)衍生不同的產(chǎn)品,缺乏靈活性,尤其是在并行處理方面,而且規(guī)模越做越大,也導(dǎo)致成本、功耗越來越無法滿足需求。

工藝方面,Intel已經(jīng)失去了領(lǐng)導(dǎo)地位,至強(qiáng)系列至今還是14nm,AMD雖然走到了7nm,但又在架構(gòu)上“取巧”使用chiplet多芯片設(shè)計(jì),導(dǎo)致內(nèi)存帶寬、內(nèi)存延遲明顯不足,ARM方面則跟著臺(tái)積電一路走到了7nm,并即將進(jìn)入5nm。

性能和能效方面,Marvell認(rèn)為ARM架構(gòu)的單線程性能已經(jīng)是一流水準(zhǔn),多線程和平臺(tái)性能更是遙遙領(lǐng)先,內(nèi)存帶寬、延遲同樣優(yōu)秀,而且功耗低、能效高。

生態(tài)方面,x86雖然歷史悠久,但負(fù)擔(dān)也很重,比如考慮各種歷史甚至是消費(fèi)級(jí)兼容性,ARM則沒有過多拖累,架構(gòu)直接為服務(wù)器優(yōu)化而生。

同時(shí),軟硬件行業(yè)對(duì)ARM的支持也越來越豐富,比如Marvell ThunderX2已經(jīng)被20多家終端客戶部署在大規(guī)模云計(jì)算、高性能計(jì)算市場(chǎng),包括微軟Azure、HPE、Cray、Atos、洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、布里斯托大學(xué)、萊徹斯特大學(xué)等等。

甚至,Intel的一些軟硬件技術(shù)同樣支持ARM平臺(tái),NVIDIA、AMD GPU同樣也支持。

接下來說說具體產(chǎn)品。Marvell ThunderX系列嚴(yán)格遵循每?jī)赡晟?jí)一代的路線圖,ThunerX2系列誕生于2018年,而在今天的主角ThunerX3之后,2022年還將看到ThunerX4,工藝也是一路升級(jí),28nm、16nm、7nm……

ThunerX3采用臺(tái)積電7nm DUV工藝制造,基于Marvell自主研發(fā)架構(gòu),指令集兼容ARM v8.3 ,最多96個(gè)核心,而且繼續(xù)支持4線程,也就是最多384個(gè)線程,是上一代的整整三倍,而且支持雙路并行,此時(shí)單系統(tǒng)可提供192個(gè)核心、768個(gè)線程。

同時(shí),頻率方面基準(zhǔn)最高2.4GHz,最高加速3.1GHz,比上代還提高了100MHz。

新的內(nèi)核集成四個(gè)128-bit Neon SIMD單元,就寬度而言等效于一個(gè)x86 AVX-512,從而大大提高了浮點(diǎn)性能。Intel至強(qiáng)最高端型號(hào)兩個(gè),AMD霄龍則是每核心兩個(gè)256-bit SIMD單元,基本等效。

內(nèi)存支持八通道DDR4,頻率達(dá)3200MHz,并支持64條PCIe 4.0(16個(gè)控制器),比上代PCIe 3.0更進(jìn)一步而且增加了8條通道,未來還會(huì)隨著PCIe 5.0/6.0標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)而升級(jí)。

當(dāng)然了,企業(yè)級(jí)的RAS、虛擬化這些都是必不可少的元素。

接下來說說性能,當(dāng)然都是來自Marvell官方的數(shù)據(jù),而且具體性能表現(xiàn)取決于特定的工作負(fù)載。

綜合性能方面,ThunderX3對(duì)比上代IPC(每時(shí)鐘周期指令數(shù))性能提升超過25%,基本可視為架構(gòu)本身的進(jìn)步幅度,而結(jié)合更高的運(yùn)行頻率,單核心性能提升超過60%,再加上大大增加的核心數(shù),整體性能提升可以超過3倍!

對(duì)比x86雙雄,ThunderX3的優(yōu)勢(shì)不在于絕對(duì)性能,而是更好的能效,相比于AMD Rome二代霄龍可高出30%,對(duì)比Intel二代可擴(kuò)展至強(qiáng)更是領(lǐng)先多達(dá)1.2倍。

ThunderX3并不貪大求全,主攻市場(chǎng)只有兩個(gè),一是云計(jì)算,包括大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、流媒體、Web、搜索、存儲(chǔ)、移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)、手游等等,其高度并行、豐富I/O、超低延遲、ARM原生都是獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

性能方面,單核心四線程可以帶來可觀的性能提升,常見應(yīng)用中最多可以提升達(dá)80%,特定負(fù)載下甚至能見到3-4倍的提升。

對(duì)比AMD二代霄龍、Intel二代可擴(kuò)展至強(qiáng),ThunderX3在云端也毫不示弱,所服務(wù)的領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)全面勝出,而且延遲更低,而且支持更多數(shù)量的虛擬機(jī)。

第二個(gè)主攻方向就是高性能計(jì)算,包括政府部門、天氣預(yù)報(bào)、油氣勘探、計(jì)算機(jī)輔助工程、生物基因、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化等,高內(nèi)存帶寬、高能效、高并行性的特點(diǎn)可以說非常適合。

對(duì)比兩家x86方案, ThunderX3在浮點(diǎn)、內(nèi)存帶寬指標(biāo)以及量子化學(xué)、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、計(jì)算化學(xué)、矢量物理等應(yīng)用方面,都有著不俗的表現(xiàn)。

對(duì)于ThunderX3的市場(chǎng)前景,Marvell也是非常積極樂觀,透露現(xiàn)在部署ThunderX2的超過20家客戶,都在準(zhǔn)備升級(jí)ThunderX3,而后續(xù)的ThunderX4還會(huì)繼續(xù)帶來大幅度的提升。

中間的是上代ThunderX2