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漫談hotchip 2020 CPU: ARM服務器

2020-09-03
來源:EETOP
關鍵詞: Marvell ARM ThunderX3 芯片

  今年的hotchip上marvell展示了其基于ARM架構的Thunder X3服務器芯片。Marvell在fabless廠商中應該算是鼎鼎大名,從硬盤控制芯片起家至今,已經發展成為包含豐富產品線的綜合性公司。其中ARM處理器產品線,除了這次展示的服務器芯片Thunder系列外,還包括面向無線通信基站的基帶及智能射頻的Octeon系列,以及低功耗的應用級Armada系列。不過Thunder并非Marvell自家研發,而是在2017年花費60億美元收購了Cavium獲得。并不為大多數人所知的是,這并不是Marvell第一次嘗試ARM服務器的設計。

  早在2006年,Marvell通過收購intel的通信及應用處理器業務Xscale獲得了ARM指令集的授權,資料源碼和設計團隊。在2010年左右Marvell開始著手設計基于ARM v8的服務器芯片,當時的設計主要來自原Xscale的美國團隊,上海部門也有部分人員參與。

  彼時是ARM服務器的第一波熱潮,都對ARM能夠替換X86報有很大的期待,研發也持續了幾年時間。不過最后的結果并不如人意,由于種種原因這款芯片沒有走到tape-out就夭折了,加之當時Marvell深陷和卡耐基梅隆的專利官司,股價一跌再跌,同時其他參與ARM服務器研究的公司也紛紛退出,最終這項充滿不確定和挑戰的項目遺憾的被砍掉,國外的設計團隊也整體轉給了ARM,之后ARM cortex A系列的幾款處理器就出自這個設計團隊。

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  不過Marvell也一直不死心,隨著thunder系列處理器收歸囊中,從thunder X2開始,ARM服務器似乎開始走運了。從新聞上發布的消息來看,這款處理器銷量不錯,比如美國能源部旗下桑迪亞國家實驗室的超級計算機“Stra”,就使用了145152個ThunderX2核心;洛斯阿莫斯國家實驗室和法國原子能機構CEA的超算系統也是基于Thunder X2打造。

  在商用領域,微軟內部也正為Azure部署基于ThunderX2 的量產級服務器集群,主要針對Project Olympus平臺,據說有數十萬顆至多。如果都落實下來的話,這樣的規模對于初出茅廬的Thunder X2來說是非常好的成果了,也可以證明ARM服務器的在超算和商用的可行性。

  雖然包括Amazon在內的幾家公司也在推出相應的ARM服務器芯片,不過其核心仍然是由ARM提供,大多是Neoverse N1內核,而Thunder的ARM核心是Marvell自研的,對于其他的競爭者來說還是有很大的差異性。下面就來看看新一代Thunder x3有哪些改進。

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  首先回顧下Thunder X2,這是2016年的產品,基于TSMC 16nm。32核心,單核4線程,頻率2.5GHz,可以boost到3.0GHz。每核心32KB數據和指令緩存、256KB二級緩存,共享32MB三級緩存。其他的如虛擬化,TrustZone的也基本都支持。

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  到Thunder X3,可以看到核心從32增加到了60個,同時還提供了一個dual die的增強版,可以增加到96個核心。每個核心仍然是4個線程,工藝升級到TSMC 7nm。可以看到Thunder X3相比X2在同頻下單線程有30%的性能提升,這個一個是比較高的數字。其中dual die的設計還是很有特點,并不是single die數目乘2,應該是考慮到單芯片的功耗。不過為什么不在單個die上直接堆疊96個核心呢,這樣還能避免2個die一起的互聯問題,這個暫時沒有答案。

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  Anandtech網站給了一個很好的數據對比,可以看到對比amazon和ampere的產品,Thunder X3在核心線程數和L3 cache容量上遙遙領先,其他的數據也都持平,不過PCIe的帶寬上小氣了一些。另外一個典型的區別是Thunder系列仍然采用了Ring的結構,和同類A型產品包括X86在內幾乎都是使用mesh總線的。由于核心數量較多時,Ring總線訪問的不對稱時延會比較明顯,同時拓撲結構不如mesh能提供更靈活的連接性和更高的帶寬,對于這個選擇還是持保留態度,雖然Thunder X3采用了一個增強版的swithed 3x Ring。這也許就是96個核心沒有選擇放在一個die上而是dual die的原因。

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  ThunderX3面向服務器級別,肯定是和intel,AMD一樣選擇全亂序多發射的架構。其中有幾個設計的特點值得討論。

  第一,ThunderX3給出的decode寬度高達8個,這個數字遠遠超過其他競爭對手,而issue寬度卻只有4,前寬后窄的比例達到了2:1。這個是很奇怪的比例,取值譯碼的高帶寬會在相當程度上被issue的瓶頸所堵住,因此浪費了一定的硬件面積。不清楚ThunderX3這樣的設計是否有其他原因。

  第二,經過dispatch,指令會統一發送到一個多大70個entry的unified Scheduer,也就是通常說的Issue Queue。之前曾經分析過ARM和ZEN的issue Queue設計,都是采用分離式的queue,這樣可以比較好的解決timing問題,同時能夠保證ALU的single cycle forwarding。ThunderX3這么大的unified Queue,一個cycle要發射8條指令到不同的執行單元,雖然調度策略上更優一些,但復雜程度可想而知。

  另外應該是舍棄了single cycle forwarding的支持,通常來說這個對性能的影響是比較大的。希望Marvell之后能夠提供更詳細的性能對比。

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  這個是我從網站信息上總結的Thunder X3和Neoverse N1的參數對比總結。可以看到除了上邊的2個主要區別,其他的參數差距并不大,也都選擇了比較強的load-store單元,較大的L1和L2 cache size。當然這個對比不是很公平,畢竟N1是2年前的產品,其下一代應該也會有比較大的提升。之后的幾頁 slides是Thunder X3在各級流水線上的一些設計參數和細節,就不仔細分析,有興趣可以在文末的anandtech網站上查看細節。

  這里介紹了thunderX3的單核4線程的仲裁方式,主要是在fetch,dispatch,scheduler和retire階段根據各線程指令的多少和新舊程度進行資源的平衡。

  這里就是thunderX3所說的switch ring的具體結構了。可以看出其基本結構是一個雙向雙工的環路,shared L3 cache被分成若干個tile和core綁定在一起。有幾個地方值得注意。

  第一,這不是一個典型的ring,可以看到環的中間還有個上下貫通的通路,這個應該是在核心比較多的情況下給在ring上本來比較遠的節點提供一個更快的旁路通路。不過既然已經搞的這么復雜了,為什么不一步到位直接用更合適的mesh?

  第二,在60個核心的規模上,還在使用snoop協議,而不是通常效率更高的directory協議,多核snoop造成的總線擁堵和核內干擾應該會很大程度制約其性能發揮,這個選擇很值得商榷。

  第三,使用exclusive L3,這樣當然會剩一些存儲面積,但卻增加了不必要的L2-L3數據訪問,在以性能至上的服務器芯片,這似乎不是一個合適的選擇。

  總體來看,ThunderX3在眾多采用arm公版設計的廠商中,還是努力走出了自己定制化的特點。這個和華為鯤鵬的策略應該是殊途同歸。然而在核心設計和互聯上的一些疑問,可能會對其真實性能發揮造成阻礙。這個希望能在后續詳細的性能評測中得到解釋。

  另外服務器領域的具體應用非常龐雜,benchmark并不能提供較真實的數據,還是要靠大規模應用后得到實際的反饋。這一點arm服務器相比已經深耕十幾年的X86來說還有很長的路要走。不管怎樣,從amazon到marvell,arm服務器的定制化設計總算開了個頭,期待后邊能出現和x86更精彩的對決。

  


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