На первый взгляд, позиции архитектуры x86 в мире высокопроизводительных вычислений выглядят незыблемыми: примерно 94% всех систем класса HPC используют в качестве основы процессоры Intel и ещё 2,2% занимает AMD. Однако запуск кластера Fugaku доказал, что ARM — соперник весьма и весьма опасный.

Система на базе процессоров Fujitsu A64FX использует именно архитектуру ARM. И наступление ARM продолжается и на других фронтах: к примеру, AWS предлагает инстансы на собственных ARM-процессорах Graviton2. Не дремлет Ampere Computing, анонсировавшая сегодня новые процессоры Altra и Altra Max.

Разработкой мощных многоядерных процессоров с архитектурой ARM компания занимается довольно давно: в конце прошлого года она уже рассказывала о втором поколении своих продуктов, чипах QuickSilver. В их основу лег дизайн ядра ARM Neoverse N1 (ARM v8.2+), количество самих ядер достигло 80, появилась поддержка интерфейса PCI Express 4.0, чего, например, до сих пор нет в процессорах Intel Xeon Scalable.

Серверные процессоры с архитектурой ARM доказали своё превосходство в энергоэффективности перед x86, что сделало их отличным выбором для облачных сервисов — в таких ЦОД плотность упаковки вычислительных мощностей максимальна и такие параметры, как удельная производительность, энергопотребление и тепловыделение играют крайне важную роль. Новые процессоры Ampere под кодовым именем Altra нацелены именно на этот сектор рынка.

В основе Altra также лежит ядро Neoverse N1 — оно же применено и в проекте Amazon Graviton2 — но Ampere Computing намеревается охватить с помощью Altra остальных крупных провайдеров облачных услуг, которые также заинтересованы в высокоплотных энергоэффективных ЦП. При этом утверждается, что Altra превосходит Graviton2; по крайней мере, на бумаге это выглядит убедительно.

Всего в серии Altra анонсировано 12 процессоров, с количеством ядер от 32 до 80, частотами от 1,7 до 3,3 ГГц и теплопакетами от 45 до 250 Ватт. Все они располагают восьмиканальным контроллером памяти DDR4-3200 (до 4 Тбайт на процессор) и предоставляют в распоряжение системы 128 линий PCI Express 4.0, чем пока могут похвастаться разве что AMD Rome. Применена очень простая система наименований: например, «Q72-30» означает, что перед нами 72 ядерный процессор поколения QuickSilver с частотой 3 ГГц.

Altra следует большинству современных тенденций в процессоростроении: процессоры располагают солидным массивом кешей (1 Мбайт на ядро, 32 Мбайт L3), ядра имеют два 128-битных блока инструкций SIMD, а также поддерживают популярные в задачах машинного интеллекта и инференс-комплексах форматы вычислений INT8 и FP16. Что касается удельной энергоэффективности, то ядро AMD Rome потребляет около 3 Ватт при полной нагрузке на частоте 3 ГГц, а для Altra Q80-30 этот показатель равен 2,6 Ватта; турборежима у Altra, впрочем, нет и максимальные частоты справедливы для всех ядер.

В настоящий момент компания поставляет образцы платформ Altra двух типов: однопроцессорную Mt. Snow и двухпроцессорную Mt. Jade. В число партнёров компании входят такие производители, как GIGABYTE и Wiwynn, заявлен также ряд контрактов с производителями более низких эшелонов. В основе Mt. Jade, вероятнее всего, лежит системная плата GIGABYTE MP32-AR0, о ней мы уже рассказывали нашим читателям.

Цены новых решений пока не разглашаются, однако, заинтересованные в процессорах Ampere провайдеры уже в течение двух месяцев тестируют новые платформы; в их число входят такие компании, как Packet и CloudFlare, причём Packet уже предоставляет своим клиентам «ранний доступ» к услугам, запускаемым на новых платформах Ampere. Более массовых поставок следует ожидать в августе и сентябре текущего года.

80 ядер — весьма солидное количество, даже в арсенале AMD таких процессоров ещё нет, семейство EPYC всё ещё ограничено 64 ядрами, но с SMT. Однако на достигнутом Ampere не останавливается и позднее в этом году планирует представить миру настоящего монстра — 128-ядерный процессор Altra Max, на базе всё той же архитектуры QuickSilver/Neoverse.

Этот чип имеет кодовое имя Mystique, он будет базироваться на новом дизайне кристалла, однако отличия здесь количественные, качественно это всё та же Altra, но с большим количеством ядер, оптимизированная с учётом возможностей сохранённой неизменной подсистемой памяти. Сохранится даже совместимость по процессорному разъёму. Образцы Altra Max если и существуют, то только в лаборатории Ampere Computing, а публичного появления сэмплов этих процессоров следует ожидать не ранее 4 квартала с началом производства в 2021 году.

Таким образом, можно утверждать, что технологическая ступень 7 нм компанией освоена. Она штурмует новую высоту — образцы процессоров Siryn, построенные с использованием 5-нм техпроцесса TSMC должны появиться ближе к концу следующего года. Некоторые блоки Siryn уже существуют в кремнии. Эти процессоры получат и новую платформу, а, возможно, и поддержку таких технологий, как PCI Express 5.0 и DDR5.

Конечно же, речь идёт о японском суперкомпьютере Fugaku на базе ARM-процессоров A64FX, который досрочно начал трудиться весной этого года. Эта машина стала самым мощным суперкомпьютером в мире сразу в трёх рейтингах: классическом TOP500, современном HPCG и специализированном HPL-AI.

Суперкомпьютер состоит из 158976 узлов, которые имеют почти 7,3 млн процессорных ядер, обеспечивающих реальную производительность на уровне 415,5 Пфлопс, то есть Fugaku почти в два с половиной раза быстрее лидера предыдущего рейтинга, машины Summit. Правда, оказалось, что с точки зрения энергоэффективности новая ARM-система мало чем отличается от связки обычного процессора и GPU, которой пользуется большая часть суперкомпьютеров. Так что на первое место в Green500 она не попала.

Однако на стороне Fugaku универсальность — понижение точности вычислений вдвое приводит к удвоение производительности. Так что машина имеет впечатляющую теоретическую пиковую скорость вычислений 4,3 Эопс на INT8 и не менее впечатляющие 537 Пфлопс на FP64. Это помогло занять её первое место в бенчмарке HPL-AI, которые использует вычисления разной точности. А общая архитектура процессора, включающего набортную память HBM2, и системы, использующей интерконнект Tofu, способствовали лидерству в бенчмарке HPCG, который оценивает эффективность машины в целом.

Как и предполагалось, NVIDIA вслед за SXM4-версией ускорителя A100 представила и модификацию с интерфейсом PCIe 4.0 x16. Обе модели используют идентичный набор чипов с одинаковыми характеристикам, однако, помимо отличия в способе подключения, у них есть ещё два существенных отличия.

Первое — сниженный с 400 Вт до 250 Вт показатель TDP. Это прямо влияет на величину устоявшейся скорости работы. Сама NVIDIA указывает, что производительность PCIe-версии составит 90% от SXM4-модификации. На практике разброс может быть и больше. Естественным ограничением в данном случае является сам форм-фактор ускорителя — только классическая двухслотовая FLFH-карта с пассивным охлаждением совместима с современными серверами.

Второе отличие касается поддержки быстрого интерфейса NVLink. В случае PCIe-карты посредством внешнего мостика можно объединить не более двух ускорителей, тогда как для SXM-версии есть возможность масштабирования до 8 ускорителей в рамках одной системы. С одной стороны, NVLink в данном случае практически на порядок быстрее PCIe 4.0. С другой — PCIe-версия наверняка будет заметно дешевле и в этом отношении универсальнее.

Производители серверов уже объявили о поддержке новых ускорителей в своих системах. Как правило, это уже имеющиеся платформы с возможностью установки 4 или 8 (реже 10) карт. Любопытно, что фактически единственным разумным вариантом для плат PCIe 4.0, как и в случае HGX/DGX A100, является использование платформ на базе AMD EPYC 7002.