Японская научная группа RIKEN Center for Computational Science представила виртуальную версию принадлежащего ей Arm-суперкомпьютера, которую можно развернуть в облаке AWS. По данным The Register, суперкомпьютер считался самым производительным в мире в 2020 году, пока его не потеснила первая экзафлопсная машина Frontier двумя годами позже.

Источник изображения: RIKEN

Центр намерен упростить желающим использование системы Fugaku, поэтому в RIKEN и решили создать виртуального двойника, способного работать в облаке или даже на суперкомпьютерах, принадлежащих другим компаниям. Представители центра сообщили, что построить машину из 160 тыс. узлов недостаточно, ведь необходимы ещё и программные решения. Другими словами, в облаке полностью воспроизвели программную HPC-экосистему Fugaku, которая включает массу оптимизированных для Arm пакетов и специализированного ПО.

Первая версия Virtual Fugaku доступна в виде Singularity-образа. Она предназначена для запуска на Arm-процессорах Amazon Graviton3E, которые оптимизированы для задач HPC/ИИ. Как и процессоры Fujitsu A64FX, используемые в Fugaku, они предлагают инструкции Scalable Vector Extension (SVE). Основная ОС — RHEL 8.10. ПО собрано с использованием GCC 14.1 и библиотеки OpenMPI, которая поддерживает EFA. В Amazon крайне довольны выбором AWS в качестве базовой платформы для Virtual Fugaku.

Источник изображения: RIKEN

В будущем возможно портирование Virtual Fugaku и на другие архитектуры, но на какие бы платформы его ни перенесли, в RIKEN надеются, что инстансы «продолжат дело» своего родителя. Исследователи заявили, что результаты использования Fugaku, включая разработки, связанные с контролем заболеваний, созданием новых материалов и лекарств, хорошо известны. В ходе эксплуатации специалисты получили богатый опыт обращения с суперкомпьютером и намерены поделиться им с обществом.

В RIKEN даже рассматривают Virtual Fugaku как стандартную платформу для использования программных HPC-решений — если суперкомпьютерные центры по всему миру примут этот формат, пользователи оценят богатство библиотеки ПО. Впрочем, некоторые эксперты считают, что такая концепция не вполне жизнеспособна — HPC-задачи часто связаны с использованием оборудования, оптимизированного под конкретные цели, поэтому маловероятно, что одна программная платформа подойдёт всем заинтересованным сторонам.

Всего за пять лет Amazon успела разработать и внедрить четыре поколения серверных Arm-процессоров Graviton. 4-нм Graviton4 получили 96 ядер и 12 каналов памяти DDR5-5600, а также поддержку PCIe 5.0. Всё это дало AWS основание утверждать, что Graviton4 производительнее предшественника на 30 %, а пропускная способность памяти у него выше на 75 %. Насколько это соответствует истине, выяснил ресурс Phoronix, который заодно сравнил новинки с другими современными процессорами.

В тестировании Phoronix приняли участие следующие модели Graviton:

• Graviton1: конец 2018 г., 16 нм, 16 × Cortex-A72 (Arm v8), 2,3 ГГц, инстанс a1.metal;
• Graviton2: декабрь 2019 г., 7 нм, 64 × Neoverse-N1 (Arm v8.2-A), 8 × DDR4-3200, 2,5 ГГц, PCIe 4.0, инстанс r6g.metal;
• Graviton3: ноябрь 2021 г., 5 нм, чиплеты, 64 × Neoverse-V1 (Arm v8.4-A), 8 × DDR5-4800, 2,6 ГГц, PCIe 5.0, инстанс r7g.metal;
• Graviton4: ноябрь 2023 г., 4 нм, чиплеты, 96 × Neoverse-V2 (Arm v9.0-A), 12 × DDR5-5600, 2,8 ГГц, PCIe 5.0, инстанс r8g.metal-24xl.

Источник: AWS

Платформа Graviton в последней итерации выглядит вполне достойно. Она использует современный набор инструкций Arm, а по количеству ядер и каналов памяти сопоставима с новейшими решениями Intel и AMD. Производительность по мере смены поколений у Graviton растёт практически линейно, за исключением перехода от первого поколения ко второму, что легко объясняется возросшим сразу вчетверо количеством ядер.

Что касается Graviton4, то новые процессоры в среднем быстрее Graviton3 примерно в 1,55 раза, а первенца серии они превосходят в 10,4 раза. В некоторых случаях выигрыш выходит далеко за рамки теоретических 1,5x, поскольку у Graviton4 более совершенная архитектура, новее набор инструкций, вдвое больший объем кеша на ядро и существенно более производительная подсистема памяти. Такое поведение, к примеру, характерно для тестов srsRAN, задач криптографии и особенно работы с базами данных.

Источник здесь и далее: Phoronix

В другом исследовании Phoronix процессорам Graviton4 довелось столкнуться с серьёзными соперниками из мира x86, включая 128-ядерный AMD EPYC 9754 (Bergamo) и 144-ядерные Intel Xeon 67xx (Sierra Forest), а также с ближайшим конкурентом по Arm-платформе, 128-ядерным процессором Ampere Altra Max. К сожалению, метрик энергопотребления в текущей версии инстанса r8g.metal-24xl получить не удалось, но и без этого результаты получены весьма интересные.

С первых тестов очевидно, что Altra Max уже не соперник современным решениям, несмотря на сопоставимое количество ядер — сказывается не самая новая архитектура. А вот Graviton4 чувствует себя неплохо и в тестах на компиляцию может опережать даже AMD EPYC 9754. Хороша новинка и в базах данных, она лишь немного уступает процессорам Genoa и зачастую опережает 144-ядерное решение Intel c E-ядрами. И даже в HPC-нагрузках, для которых характерно активное использование FP-вычислений у Graviton4 всё хорошо! Неплохо себя детище AWS чувствует и в сценариях (де-)компрессии данных и кодировании видео.

В итоговом зачёте AWS Graviton4 уверенно занимает место в середине таблицы, опережая оба Xeon — и 64-ядерный Platinum 8592+ (Emerald Rapids), и 144-ядерный Xeon 6780E, но до уровня AMD EPYC 9754 всё же несколько недотягивая. Это вполне даёт основание считать, что платформа AWS Graviton достигла зрелости. Она вполне конкурентоспособна даже на фоне x86-монстров. Более того, на сегодня Graviton4 можно считать самым продвинутым серверным процессором с архитектурой AArch64. Впрочем, вскоре предстоят сражения с Granite Rapids, Turin и AmpereOne (а на подходе ещё и Aurora с HBM).

AWS объявила о доступности инстансов EC2 R8g на базе Arm-процессоров Graviton4. По сравнению с Graviton3 они обладают на 30 % большей вычислительной мощностью, имеют на 50 % больше ядер и на 75 % выше пропускную способность памяти, говорит AWS. Также сообщается, что процессоры Graviton4 до 30 % быстрее в обработке веб-приложений, на 40 % быстрее в работе с базами данных и на 45 % быстрее при запуске больших Java-приложений, чем Graviton3.

Инстансы Amazon EC2 R8g позволяют повысить производительность приложений, интенсивно использующих ресурсы памяти, включая высокопроизводительные СУБД, in-memory кеши и системы аналитики Big Data в режиме реального времени. Впрочем, согласно подсчётам The Next Platform, новые инстансы по сравнению с прошлыми по соотношению цены и производительности стали на четверть дороже.

Источник изображений: AWS

По сравнению с EC2 R7g инстансы R8g предлагают более крупные конфигурации: в три раза больше vCPU (до 192 шт.), в три раза больше памяти (до 1,5 Тбайт) и в два раза больше L2-кеша. Инстансы R8g также обеспечивают пропускную способность сети до 50 Гбит/с и пропускную способность EBS до 40 Гбит/с по сравнению с 30 Гбит/с и 20 Гбит/с соответственно у инстансов прошлого поколения. Кроме того, Amazon EC2 R8g — первые инстансы на чипах Graviton, предлагающие две крупные конфигурации bare metal (metal-24xl и metal-48xl).

Как сообщила компания, инстансы R8g идеально подходят для всех рабочих нагрузок на базе Linux, включая контейнерные приложения и приложения на основе микросервисов, созданные с использованием EKS, ECS, ECR, Kubernetes, и Docker, а также приложения, написанные на C/C++, Rust, Go, Java, Python, .NET Core, Node.js, Ruby и PHP. Новые инстантсы используют AWS Nitro.

По словам AWS, с момента анонса превью R8g более 100 клиентов, включая Epic Games, SmugMug, Honeycomb, SAP и ClickHouse, протестировали свои рабочие нагрузки на этих инстансах и отметили значительное улучшение производительности по сравнению с сопоставимыми экземплярами на Graviton3.

В настоящее время R8g доступны в регионах AWS US East (Северная Вирджиния), US East (Огайо), US Wes (Орегон) и Europe (Франкфурт). Они доступны как по запросу, так в качестве спотовых и зарезервированных инстансов, а также в рамках планов Savings. На текущий момент у AWS есть уже более 2 млн процессоров Graviton разных поколений, а инстансами на их основе пользуются более 50 тыс. клиентов.

Amazon Web Services представила Arm-процессор нового поколения Graviton4 и ИИ-ускоритель Trainium2, предназначенный для обучения нейронных сетей. Всего к текущему моменту компания выпустила уже 2 млн Arm-процессоров Graviton, которыми пользуются более 50 тыс. клиентов.

Amazon Graviton4 (Изображение: AWS)

«Graviton4 представляет собой четвёртое поколение процессоров, которое мы выпустили всего за пять лет, и это самый мощный и энергоэффективный чип, который мы когда-либо создавали для широкого спектра рабочих нагрузок», — отметил Дэвид Браун (David Brown), вице-президент по вычислениям и сетям AWS. По сравнению с Graviton3 новый чип производительнее на 30 %, включает на 50 % больше ядер и имеет на 75 % выше пропускную способность памяти.

Изображение: AWS

Graviton4 будет иметь до 96 ядер Neoverse V2 Demeter (2 Мбайт L2-кеша на ядро) и 12 каналов DDR5-5600. Кроме того, новый чип получит поддержку шифрования трафика для всех своих аппаратных интерфейсов. Процессор изготавливается по 4-нм техпроцессу TSMC и, вероятно, имеет чиплетную компоновку. Возможно, это первый CPU компании, ориентированный на работу в двухсокетных платформах.

Изображение: AWS

Поначалу Graviton4 будет доступен в инстансах R8g (пока в статусе превью), оптимизированных для приложений, интенсивно использующих ресурсы памяти — высокопроизводительные базы данных, in-memory кеши и Big Data. Эти инстансы будут поддерживать более крупные конфигурации, иметь в три раза больше vCPU и в три раза больше памяти по сравнению с инстансами Rg7, которые имели до 64 vCPU и 512 Гбайт ОЗУ.

Amazon Trainium2 (Изображение: AWS)

В свою очередь, Trainium 2 предназначен для обучения больших языковых моделей (LLM) и базовых моделей. Сообщается, что ускоритель в сравнении с Trainium 1 вчетверо производительнее и при этом имеет в 3 раза больший объём памяти и в 2 раза более высокую энергоэффективность. Инстансы EC2 Trn2 получат 16 ИИ-ускорителей с возможностью масштабирования до 100 тыс. единиц в составе EC2 UltraCluster, которые суммарно дадут 65 Эфлопс, то есть по 650 Тфлопс на ускоритель. Как утверждает Amazon это позволит обучать LLM с 300 млрд параметров за недели вместо месяцев.

Со временем на Graviton4 заработает SAP HANA Cloud, портированием и оптимизацией этой платформы уже занимаются. Oracle также перенесла свою СУБД на Arm, а заодно перевела все свои облачные сервисы на чипы Ampere, в которую в своё время инвестировала. Microsoft же пошла по пути AWS и недавно анонсировала 128-ядерый Arm-процессор (Neoverse N2) Cobalt 100 и ИИ-ускоритель Maia 100 собственной разработки. Всё это может представлять отдалённую угрозу для AMD и Intel. С NVIDIA же все всё равно пока что продолжают дружбу — именно в инфраструктуре AWS, как ожидается, появится самый мощный в мире ИИ-суперкомпьютер на базе новых GH200.

Один из крупнейших провайдеров облачных услуг, Amazon Web Services, объявил о доступности анонсированных ещё в прошлом году инстансов на базе фирменных Arm-процессоров Graviton3E, ориентированных на задачи HPC и ИИ. Более того, это наиболее производительные по части сетевой подсистемы EC2-инстансы, которые подходят для формирования маршрутизаторов, сетевых экранов, балансировщиков, кластеров и т.д.

Источник изображений здесь и далее: Amazon Web Services

Процессоры Graviton3E являются дальнейшим развитием чипов Graviton3, дебютировавших ещё в конце 2021 года. Упор в новой версии CPU был сделан на повышение производительности векторных операций — до +35 %. Вместе с тем инстансы получили AWS Nitro пятого поколения, так что EFA-подключение не только самое быстрое на текущий момент, но ещё и предлагает самую низку задержку.

Новые инстансы доступны в различных конфигурациях: количество vCPU может достигать 64 шт., а максимальный объём RAM равен 128 Гбайт. При этом даже в минимальной конфигурации (1 vCPU, 2 Гбайт RAM) скорость сетевого подключения составляет до 25 Гбит/с. Скорость EBS — от 10 до 40 Гбит/с. Новинки доступны в восточном и западном регионах США (Огайо и Орегон), а также в европейском регионе AWS (Ирландия).

Облачная платформа AWS объявила о запуске инстансов EC2 I4g, оптимизированных для хранения данных. В основу положены процессоры AWS Graviton2 и NVMe-накопители AWS Nitro SSD. Утверждается, что по сравнению с другими инстансами, нацеленными на хранение информации, решения I4g обеспечивают прирост производительности до 15 %.

В зависимости от конфигурации (см. таблицу ниже) заказчикам предоставляются от 2 до 64 vCPU и от 468 Гбайт до 15 Тбайт SSD-хранилища. Заявленная пропускная способность сетевого подключения варьируется от 10 Гбит/с до 37,5 Гбит/с, пропусканая способность EBS — от 40 до 80 Гбит/с.

Источник изображения: Amazon

Amazon отмечает, что инстансы на базе Graviton2 поддерживают широкий спектр вычислительных нагрузок: универсальные, с повышаемой производительностью, оптимизированные для вычислений, памяти и хранения, а также ускоренные. Утверждается, что инстансы на базе Graviton2 — лучшее решение по соотношению цены и быстродействия для рабочих нагрузок в EC2.

SSD в составе EC2 I4g выдают показатель IOPS при произвольном чтении данных до 1 млн, при произвольной записи — до 800 тыс. Скорость последовательного чтения достигает 8000 Мбайт/с, скорость последовательной записи — 5600 Мбайт/с. Инстансы EC2 I4g уже доступны для клиентов в США и Европе.

Один из крупнейших облачных провайдеров, компания Amazon Web Services объявила о доступности новых инстансов EC2 на базе процессора Graviton3E. Новый чип — наследник анонсированного в конце 2021 года Graviton3, 5-нм 64-ядерного процессора на дизайне Arm Neoverse V1 (Zeus) с поддержкой DDR5 и PCI Express 5.0.

Graviton3 использует набор команд Armv8.4 c расширениями Neon (4×128 бит) и SVE (2×256 бит) и поддерживает работу с популярными в сфере машинного обучения форматами данных INT8 и BF16. В сравнении c Graviton2 процессор быстрее на 25-60 % при сохранении аналогичного уровня тепловыделения. Дизайн серверов AWS предусматривает наличие трёх процессоров на узел высотой 1U.

Изображения: AWS

Новый процессор Graviton3E представляет собой дальнейшее развитие Graviton3. Чип оптимизирован с учётом потребностей рынка высокопроизводительных вычислений и основное внимание в его архитектуре уделено повышению производительности на операциях с плавающей запятой и вычислениях с использованием векторной математики.

AWS, к сожалению, пока не раскрывает деталей относительно архитектуры Graviton3E, но прирост производительности на векторных операциях относительно обычного Graviton3 может достигать 35 %. Помимо классического теста HPL новый процессор хорошо проявляет себя в тестах, имитирующих медико-биологические и финансовые задачи.

Сценарии нагрузок, характерные для HPC, как правило, активно оперируют перемещением крупных объемов данных. Чтобы оптимизировать этот процесс, в новых инстансах AWS использует сеть на базе Elastic Fabric с новыми адаптерами Elastic Network Adapter (ENA). Такая сеть оперирует т. н. Scalable Reliable Datagram (SRD) вместо всем привычных TCP-пакетов. SRD позволяет организовать повторную отправку пакетов за микросекунды вместо миллисекунд в классическом Ethernet.

Сердцем же новых инстансов AWS стало пятое поколение аппаратных гипервизоров Nitro 5. В сравнении с предыдущим поколением, Nitro 5 обладает вдвое более высокой вычислительной производительностью, на 50 % повышенной пропускной способностью памяти, а также позволяет обрабатывать на 60 % больше сетевых пакетов при сниженной на 30 % латентности.

Здесь и далее источник изображений: AWS

Инстансы Hpc7g с процессорами Graviton3E получат внутреннюю сеть с пропускной способностью 200 Гбит/с и станут доступны в различных конфигурациях вплоть до 64 vCPU и 128 ГиБ памяти. Аналогичные параметры имеют инстансы C7gn, предназначенные для задач с интенсивным сетевым трафиком: виртуальных маршрутизаторов, сетевых экранов, балансировщиков нагрузки и т.п.

Также компания анонсировала инстансы R7iz, в которых используются процессоры Intel Xeon Scalable четвёртого поколения (Sapphire Rapids) с постоянной частотой всех ядер 3,9 ГГц. Они могут иметь конфигурацию до 128 vCPU с 1 ТиБ памяти.

Анонсированный на днях Arm-процессор Graviton3, создававшийся специально для нужд Amazon и AWS, неожиданно оказался по ряду параметров на голову выше ещё даже не вышедших EPYC и Xeon следующего поколения. И это не самый хороший сигнал для AMD, Intel, Qualcomm и прочих производителей.

Amazon Graviton3. Фото: Ian Colle

Graviton3 — первый массовый (самой Amazon и рядом избранных клиентов он используется уже не один месяц) серверный процессор с поддержкой DDR5 и PCIe 5.0. CPU выполнен по 5-нм техпроцессу TSMC и содержит примерно 55 млрд транзисторов. Для удешевления он использует BGA-корпусировку и чиплетную компоновку из семи отдельных кристаллов — два PCIe-контроллера и четыре двухканальных контроллера DDR5 вынесены за пределы собственно CPU.

Узел EC2 C7g. Здесь и ниже изображения Amazon AWS

Более того, их упаковка использует передовые решения с каналами длиной менее 55 мкм, что вдвое меньше, чем у других серверных CPU. Уменьшение длины проводников положительно сказывается на энергоэффективности, которая очень важна для любого гиперскейлера. Этим же объясняется и относительно небольшое по современным меркам число ядер (всего 64) и их частота (2,6 ГГц). Всё это позволило добиться энергопотребления примерно в 100 Вт.

Есть и ещё один важный плюс в сохранении числа ядер — переход на DDR5-4800 позволил не только достичь пиковой суммарной пропускной способности памяти в 300 Гбайт/с на чип, но и повысить реальную скорость работы с памятью каждого vCPU (фактически ядра) в полтора раза по сравнению с прошлым поколением. Та же ситуация и с PCIe 5.0 — для достижения той же пропускной способности, что ранее, нужно вдвое меньше линий.

Для удешевления используются готовые IP-блоки сторонних компаний и, судя по всему, ядра тоже несильно отличаются от референсов Arm. А вот какие именно, узнаем не сразу, поскольку Amazon явно не указала, будут ли это Neoverse V1 (Zeus) или N2 (Perseus). Вероятно, это всё же V1 (ARMv8.5-A), поскольку по описанию Graviton3 похожи именно на эту архитектуру. Новые ядра стали значительно «шире» прежних — они забирают 8 инструкций, декодируют от 5 до 8 из них и отправляют на исполнение сразу 15 инструкций. Соответственно и число исполнительных блоков по сравнению с Neoverse-N1 (Graviton2) практически удвоилось.

Кроме того, они обзавелись поддержкой 256-бит векторных инструкций SVE, что повысило не только скорость выполнения «классических» FP-операций (например, для задач медиакодирования и шифрования), но и благодаря поддержке bfloat16 позволило утверждать Amazon, что новые чипы годятся и для инференса. Среди упомянутых ранее мер защиты есть, например, принудительное шифрование оперативной памяти, изолированные кеши для каждого vCPU (ядра), аппаратная защита стека.

В подписи второго столбца явная опечатка

В целом, средний прирост производительности Graviton3 по сравнению с Graviton2 составил 25 %, но в некоторых задачах он достигает 60 %. И всё это при сохранении того же уровня энергопотребления и тепловыделения. Всё это позволило уместить в одном 1U-узле с воздушным охлаждением сразу три процессора Graviton3. И они разительно отличаются от грядущих 128-ядерных процессоров Altra Max и EPYC Bergamo, которые Ampere и AMD позиционируют как решения для гиперскейлеров. Зато в чём-то похожи на Yitian 710 от Alibaba Cloud.

Но CPU — это лишь часть платформы, фундамент для которой несколько лет назад заложило появление чипов Nitro. Их сейчас стоило бы назвать DPU/IPU, хотя на момент их появления такого понятия, можно сказать, и не было. Nitro берёт на себя все задачи по обслуживанию гипервизора, обеспечению безопасности, работе с хранилищем и сетью и т.д., высвобождая, с одной стороны, все ресурсы CPU, памяти и SSD для обработки задачи клиента, а с другой — позволяя практически полностью дезагрегировать всю инфраструктуру.

Узел с Nitro SSD

Впрочем, Amazon пошла ещё дальше — теперь она самостоятельно закупает NAND-чипы и производит SSD, тоже под управлением Nitro. То есть у компании под контролем практически полный стек современных аппаратных решений: CPU, DPU, SSD, ИИ-ускорители для обучения (Trainium) и инференса (Inferentia). Она активно переносит на него собственные сервисы и предлагает их клиентам. И именно это и должно обеспокоить крупных вендоров, поскольку их решения вряд ли позволят добиться такого же уровня TCO, а гиперскейлеров, желающих перейти на аналогичную модель, немало.

UPD 06.12.21: презентация новых процессоров стала доступна публично, поэтому в материал добавлены некоторые иллюстрации, а в галерее ниже приведены результаты тестов производительности.