加速CPU设计，Arm再出新招

加速CPU设计，Arm再出新招在本周的HotChips2023上，ArmLtd在宣布（再次）上市后展示了其“Demeter”V2内核，该公司还推出了“Genesis”N2计算子系统，简称CSS智能包。（我们将单独深入探讨V2核心。）Genesis的这一努力有可能比过去更快地让ArmCPU进入该领域。多年来，Arm一直在朝着将成熟的CPU组装在一起以供客户修改并直接推向市场的目标迈进。早在2000年代末，当Arm接管智能手机时，服务器制造商正在考虑Arm架构如何改进基本上处于垄断地位的X86架构，服务器芯片设计人员从Arm架构许可开始，并开始使用它。这是一种非常昂贵且耗时的创建服务器芯片的方法，尽管比从定制ISA开始要好，但由于大量的软件移植工作，世界无法容忍定制ISA。在Broadcom、高通、AMD和三星等老牌半导体巨头以及Calxeda和AppliedMicro等初创公司多次尝试Arm服务器芯片失败后，以及Cavium凭借其ThunderX和ThunderX2CPU取得了一些有限的成功后，Arm决定将其推出。Neoverse的工作于2018年10月推出，它不仅提供了服务器芯片核心的路线图，还提供了参考架构，用于将这些核心转变为适当的CPU，并混合了其他Arm知识产权（例如片上芯片）网状互连和第三方内存、PCI-Express控制器和以太网控制器。这些Neoverse设计是针对台积电的特定工艺节点量身定制的，这使得服务器芯片制造商更容易更快地采取行动。我们从来不确定Neoverse是否比架构许可证更便宜或更贵。你可以用多种不同的方式来论证它。Neoverse完成了更多的工作，但与Arm架构许可证相比，自由度有限。也许更重要的是，正如我们所说，如果Arm不能比开源的RISC-VISA和设计更便宜，那么它可以更快。由于客户不耐烦，Arm无论如何都必须更快。以下是2022年9月公布的最新Neoverse路线图：最初，只有一个内核系列-N系列-但Arm将其分为三个内核系列和三个相应的平台，每个平台都针对系统市场的不同部分。N系列核心和平台针对主流服务器工作负载，其中每瓦性能驱动设计，而V系列具有更重的矢量处理，针对计算密集型工作负载，例如AI训练和推理以及HPC模拟和建模。E系列旨在实现吞吐量计算，并且不仅针对更高的每瓦性能进行了优化，而且还以比N系列更低的热封装实现了最大吞吐量。现在不仅有三个系列的内核和平台，还有两种方法：DIY和CSS。所以现在新的Neoverse路线图看起来像是硬塞进去了CSS选项：我们已经为我们所知的每个核心和平台添加了代号。Neoverse的努力让芯片公司在设计上取得了优势，而且许多公司已经做到了。富士通的A64FX芯片比当前任何供应商都早得多（比Neoverse的努力早了很多年），并且在许多方面都可以被视为“Kronos”V0实现，因为它发明了可扩展矢量扩展并将其带入了-IntelAVX-512的位向量极限。亚马逊在其Graviton1芯片中使用了原始Neoverse堆栈中的“Maya”CortexA72，在其Graviton2芯片中使用了“Ares”N1，在其Graviton3芯片中使用了“Zeus”V1。十多年前，NVIDIA最初使用其Arm架构许可来创建“Denver”服务器处理器，但已改用“Grace”CPU芯片的V2内核现在即将上市。AmpereComputing的Altra和AltraMaxArmCPU中使用N1内核，但现在正在开发定制内核。显然，阿里巴巴已经为其倚天710处理器定制了Armv9核心，如果这是真的，那么NVIDIA的Grace并没有市场上第一个Armv9核心。印度政府正在其“Aum”A48Z处理器中使用V1内核。还有其他的，但这些是最重要的。他们都花费了大量资金来创建Arm服务器芯片。但这既关乎时间，也关乎金钱。众所周知，爱因斯坦证明了时间就是疯狂的金钱，也证明了能量就是疯狂的物质。正如Arm产品管理高级总监JeffDefilippi在HotChips上的Arm演讲之前解释的那样，随着摩尔定律的耗尽，对专用芯片的需求不断增长，芯片设计人员面临的压力也在不断增加。正如上图所示，随着晶体管尺寸的缩小，设计芯片的成本也在上升，而在7纳米节点之后，每个晶体管的制造成本也在上升，但该图没有显示这一点。Arm的CSS知识产权包旨在加快设计速度，从时间就是金钱的意义上来说，至少可以将金钱转化为节省的时间，正如爱因斯坦所证明的那样，这既是节省的金钱，也是通过早期销售获得的金钱。（我们假设CSS的成本比常规IP许可更高，因为它包含更多内容，但风险要低得多，而且成本和风险的乘积（不是总和，而是乘积，因为这些是乘法效应而不是累积效应）因此较低.)从概念上讲，CSS包如下所示：以下是它与SoC许可、IP许可和架构许可的比较：“本质上，该产品是Arm拼接在一起的多核设计，”Defilippi解释道。“这就是互连、CPU、虚拟化IP要求-我们将它们缝合在一起，进行验证，并将其作为生产就绪的RTL可交付成果交付给我们的客户。除了RTL之外，我们还提供与之相关的额外好处：我们提供实现包、平面图、实现脚本以及达到该性能所需的物理IP库以及设计所需的功耗范围。领先的技术。我们提供完整的软件参考堆栈。因此，这包括从固件、电源管理、系统管理、系统所需的运行时安全性等一切内容。我们提供参考堆栈，以确保软件开发从第一天开始，并且我们的客户有一个良好的起点。最后但并非最不重要的一点是，我们不仅包括工艺节点，还包括我们的领先技术。每年都会有一些新的、令人兴奋的事情出现。当然，现在的一个例子就是CXL内存扩展池。”现在想象一下，特别是如果您位于中国、印度、非洲，甚至位于美国或欧洲的具有成本意识的超大规模企业、云构建商或HPC中心，并且您没有大量熟悉高级服务器CPU的熟练工程师设计或正确设计和测试它们的工具，以便快速推出下一代芯片。那么CSS方法不仅可以大大加快速度，而且可以从一开始就制造出芯片。但时间很重要，以下是Arm如何计算通过CSS包与使用普通IP许可证相比节省的时间：节省80个工程师一年的时间是相当可观的，特别是在定制自由度仍然存在的情况下。问题是：与芯片制造商所做的大量工作相比，CSS设计的价值有多大？将芯片从概念变为服务器、网络设备或存储阵列需要多少成本？这比使用Intel或AMD的X86服务器或AmpereComputing的Arm芯片便宜多少？这些麻烦值得吗？嗯，随着AWS和阿里巴巴制造自己的Arm芯片，而且有传言称Google也将这样做，微软、腾讯和百度（以及阿里巴巴、Google和甲骨文）也使用AmpereComputing的AltraArm芯片，看来这是值得的。ArmCPU为他们节省了资金，并且在他们的服务器群中所占的比例越来越大。而且，他们通过自己的努力拥有更直接的控制权，并通过与安培计算的紧密合作获得更间接的控制权。当然，超大规模厂商和云构建商仍会购买大量英特尔和AMDCPU。但正如我们多次说过的那样，这将是为了支持旧版WindowsServer，有时甚至是Linux应用程序，他们会故意对基于它们的实例收取额外费用，英特尔和AMD也会对底层芯片收取额外费用。没有人在我们看到的分层上串通一气，但英特尔和AMD没有动力与Graviton和其他公司竞争。他们只是将15%、20%、25%的超大规模和云机群让给Arm，他们对无需打价格战就能获得85%、80%、75%的更大机群感到满意。“Perseus”N2核心网格的CSS实现可从24个核心扩展到64个核心，并且可以使用UCI-Express（而非CCIX）或专有互连将其中四个核心组合在一个封装中，以扩展到插槽中的256个核心。根据客户的需求提供小芯片。考虑到许多现代处理器将执行预期的HPC和...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380973.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380973.htm

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亚马逊将成为ArmIPO主要投资者为何如此青睐Arm？不久前，Arm作为指令集架构(ISA)在很大程度上被降级为智能手机、平板电脑和物联网设备中使用的低功耗移动SoC，这些设备优先考虑效率和电池寿命而不是性能。作者认为，为笔记本电脑提供Arm芯片是很不寻常的，更不用说服务器了。文章认为，这并不是说它们不存在。早在2014年，Cavium（在被Marvell收购之前）就推出了ThunderX，这是一款具有48个定制内核的64位Arm服务器处理器。当时，英特尔最强大的芯片只有18个内核，而AMD的Eypc还需要数年时间才能实现。据报道，虽然ThunderX系列被取消，但另一家公司看到了超高效、多核处理器的潜力，可以根据特定的工作负载进行调整。在re:Invent2018上，AWS展示了配备16个ArmA72内核的GravitonCPU。虽然最初是为了运行亚马逊的内部基础设施而开发的，但Graviton现已成为云提供商平台的支柱。现在，该公司的Graviton实例已进入第三代，可配备多达64个NeoverseV1核心，包括通用型和HPC型品种。AWS将从Arm的成功中获益许多人（包括Arm的几位员工）都认为AWS证明了Arm的可行性，并推动了Arm在数据中心的采用。低成本Graviton实例的可用性使得开发工作负载并将其移植到该平台成为一个有吸引力的前景。在最近的一份报告中，分析师估计五分之一的AWS云实例现在由GravitonCPU提供支持。亚马逊Graviton处理器系列的成功并没有被长期忽视。Ampere于2020年推出了自己的基于Arm的服务器芯片，拥有多达80个核心，后来又增加到128个。到2022年，AWS最大的竞争对手谷歌和微软已经推出了基于Ampere的AltraCPU系列的Arm实例。今年早些时候，微软开始聘请电气工程师来开发自己的定制数据中心芯片。亚马逊显然引领了一种趋势。目前，每个主要的云提供商以及许多较小的云提供商都已在一定程度上采用了Arm处理器。然而，大部分Arm服务器仍然驻留在AWS数据中心。BernsteinResearch发现，超过一半的Arm服务器CPU由AWS拥有和运营。毫无疑问，亚马逊是一家无晶圆厂芯片制造商，但可以说，这家芯片制造商的成功很大程度上归功于它从Arm授权的核心。对于第二代和第三代GravitonCPU，AWS授权了Arm专注于数据中心的Neoverse核心。这些核心于2019年推出，专为数据中心应用程序而设计，AWS是首批将它们在Graviton2中使用的核心之一。Arm随后推出了该核心的性能优化版本，AWS再次成为首批部署Graviton3的公司之一。这家云提供商预计将在2025年某个时候推出Graviton4，即使AWS跟随Ampere、苹果和其他公司走上开发自己的内核的道路，Arm仍然可以从这些收入中分得一杯羹。对Arm的崇拜亚马逊并不是唯一一家对Arm的未来拥有既得利益的芯片制造商。本周早些时候有报道称，英伟达、苹果、三星和x86巨头英特尔将在上市后立即竞购股票。所有这些公司都是Arm的长期授权商。苹果、英伟达和三星尤其对Arm生态系统进行了大量投资。事实上，英伟达对Arm的潜力如此投入，以至于它试图以660亿美元收购这家英国芯片设计公司。由于该芯片制造商未能缓解多个市场监管机构的担忧，该交易最终于2022年初失败。虽然英伟达以其GPU闻名，但该公司十多年来一直在生产基于Arm的CPU，主要用于移动、手持游戏和边缘应用。然而，该公司在2021年推出了首款数据中心CPU，名为Grace，基于Arm当时未公开的NeoverseV2内核。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376863.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376863.htm

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64位ARMLinux内核团队反对CPU特定优化因为这相当难以维护AmpereComputing发送了一组4个补丁，为其新的AmpereOne服务器处理器提供优化。AmpereComputing发现，当使用4K页面大小时，这些新的高内核数ARM服务器处理器可以从积极的预取中获益。据报告，在连续读取性能测试中，使用HugeTLB或Tmpfs的收益"高达1.3~1.4倍"。测试结果显示，在hugetlb或tmpfs中，我们可以将连续读取性能大幅提升至1.3x~1.4x。虽然这些提升对于增强AmpereOneLinux性能来说令人兴奋，但目前看来，这项工作不会被上传到主线Linux内核中。著名的ARMLinux内核开发人员WillDeacon就AmpereOneCPU的性能增强补丁发表了自己的看法："我们倾向于回避arm64内核中针对微体系结构的优化，因为这些优化非常难以维护，难以正确测试，通常会导致臃肿，并为更新我们的库例程增加额外的障碍。诚然，我们在copy_page()（伪装成ARM64_HAS_NO_HW_PREFETCH）中为Thunder-X1提供了一些帮助，但坦率地说，那台机器需要一切可以得到的帮助。因此，我真的不希望合并；现代CPU在复制数据方面应该做得更好。这是copy_to_user()，不是火箭科学。"ARM的马克-拉特兰（MarkRutland）也同意Deacon的说法，并赞同取消Thunder-X1的针对性优化。内核开发人员MarcZyngier也表示同意，并已在开发一个补丁，以删除Thunder-X1的特定代码。为了保持代码的可维护性，避免ARM64Linux内核代码过于复杂，他们不再追求CPU/微体系结构的特定优化。未来是否会有任何专注于ARMLinux的发行版自身携带此类补丁，或者任何经过AmpereOne优化的Linux发行版继续向前发展值得关注。特别是考虑到Ampere专注于高性能和高能效的ARMLinux服务器很可能不希望留下任何优化的痕迹，尤其是考虑到他们的目标是与AMDEPYC和IntelXeon服务器竞争。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1399085.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1399085.htm

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