Когда говорят о противостоянии серверных процессоров, как правило, называют AMD и Intel, а с недавних пор ещё и ARM. Некогда крупный игрок, IBM со своими процессорами серии POWER, упоминается существенно реже, и на то есть причины — за прошедшее десятилетие дела у компании шли не слишком хорошо. Но, если верить аналитикам IT Jungle, ситуация с POWER не так проста и не так плоха.

Если верить отчётам самой IBM, доходы снизились на рекордную величину за последние пять лет, упали даже продажи мейнфреймов. Доходы в сегменте аппаратного обеспечения за прошедший год у IBM упали на 18% относительно 2019 года, а у подразделения Power Systems называют даже цифру 43,3%. Однако как считают некоторые аналитики, дела в секторе серверов на базе процессоров POWER могут обстоять не так плохо, как это может показаться на первый взгляд.

Платформа IBM POWER самобытна и весьма интересна сама по себе: так, уже не новые процессоры POWER9 поддерживают четыре потока на ядро против традиционных двух у x86, а в некоторых вариантах способны работать даже в режиме SMT8. Более новые POWER10 также поддерживают восьмипоточный режим; кроме того, они работают с прогрессивным форматом оперативной памяти OMI и имеют контроллер PCI Express 5.0.

Планы развития архитектуры POWER

Здесь следует немного углубиться в историю. Китайская компания Inspur, один из крупнейших среднеазиатских производителей серверного оборудования, всегда мечтала о «большом железе». В 2014 году ей удалось добиться договорённости с IBM о праве запускать фирменное ПО последней (в частности, базы данных DB2 и сервер приложений WebSphere) на 32-процессорных Itanium-системах. А месяцем позднее Inspur присоединилась к консорциуму OpenPower с целью создания серверов уже на базе архитектуры POWER.

В 2017 начинается «война санкций», при этом приличного самостоятельного открытого клона POWER-процессора консорциум так и не создал. Известно, что китайская Suzhou PowerCore Technology, входящая в OpenPower, занималась адаптацией POWER под более «толстые» техпроцессы. Сейчас компания активно нанимает сотрудников и открывает новое подразделение в США. Однако чем именно она занимается и связан ли этот рост с полным открытием POWER ISA, не до конца ясно.

Структура продаж POWER-систем по мнению ресурса IT Jungle

До ввода санкций IBM и Inspur успевают создать совместное предприятие (51% Inspur + 49% IBM), которое, что интересно, тоже называется IBM — Inspur Business Machines. Цель новой компании, в которую вложили порядка 1 млрд юаней ($150 млн) — создание мощных серверных систем на базе архитектуры POWER для крупного бизнеса. Поставками же POWER-процессоров для Inspur занималась, в частности, всё та же Suzhou.

Судя по косвенным данным, сделка для Inspur оказалась весьма успешна. Кроме того, компания вообще чувствует себя отлично, поставляя также x86-серверы как малому и среднему бизнесу, так и китайским гигинтам Alibaba, Baidu и Tencent. К сентябрю 2020 года продажи Inspur составят $7,71 млрд, что на 43% больше, нежели у IBM с её $5,4 млрд.

С учётом поставок Inspur общий объём продаж POWER-серверов может выглядеть так по мнению IT Jungle

К настоящему моменту IBM публикует только свои цифры продаж систем на базе POWER, и графики выглядят достаточно удручающе. Из-за санкций IBM не может продавать POWER-системы в КНР напрямую, а Inspur Business Machines — может. Из $8 млрд продаж Inspur примерно 10-12% может приходиться на системы с процессорами POWER, а это от $800 до $960 млн, и эти цифры сопоставимы с продажами серверов самой IBM.

Иными словами, платформа POWER, скорее всего, отнюдь не находится в процессе вымирания. Более того, после неудачных 2016 и 2017 годов объёмы продаж таких серверов могли, как минимум, вернуться к показателям 2015 года. Также вполне вероятно, что и Google производит для себя серверы на базе POWER — соответствующие предложения появились в Google Cloud уже достаточно давно. Похожее решение есть и в Microsoft Azure.

Мы внимательно следим за судьбой и развитием архитектуры POWER, которая наряду с ARM представляет определённую угрозу для x86 в сфере серверов и суперкомпьютеров — недаром одна из самых мощных в мире HPC систем, суперкомпьютер Ок-Риджской национальной лаборатории Summit, использует процессоры POWER9.

Ранее ожидалось что по ряду причин выход следующей в семействе архитектуры, POWER10, откладывается до 2021 года, хотя IBM и продвигала активно новые решения вроде универсального стандарта оперативной памяти OMI. Однако официальный анонс IBM POWER10 состоялся сегодня, а немецкий портал Hardwareluxx выложил слайды презентации компании.

Как компания уже отмечала ранее, она делает упор на большие системы и гибридные облака. С учётом этих тенденций и были разработаны новые процессоры. Поскольку в крупных облачных ЦОД упаковка вычислительных плотностей достигает уже невиданного ранее уровня, всё острее встаёт вопрос с энергоэффективностью и отводом тепла. Но именно здесь, как считает IBM, POWER10 и должен показать себя с наилучшей стороны — новые процессоры производятся с использованием 7-нм техпроцесса и могут демонстрировать трёхкратное преимущество в энергоэффективности в сравнении с POWER9.

POWER10 — первый коммерческий процессор IBM, использующий нормы производства 7 нм; любопытно, что теперь Intel отстаёт не только от AMD, которая стала пионером в использовании столь тонкого техпроцесса в «крупных» серверных процессорах, но и от IBM. В отличие от AMD EPYC, производимых на мощностях TSMC, новинки IBM «куются» в полупроводниковых кузнях Samsung. Площадь кристалла, состоящего из 18 миллиардов транзисторов, у новых процессоров достигает 602 мм2, что меньше, чем у новейших графических ядер, но всё равно цифра довольно солидная.

Техпроцесс POWER10 является совместной разработкой Samsung и IBM. В нём реализованы некие особенности, которые, предположительно, должны позитивно сказаться на характеристиках отдельных транзисторов. Не забыта и мода на установку нескольких кристаллов в один корпус: POWER10 доступны как в классическом варианте (SCM), так и в виде сборки из двух кристаллов (DCM), так что для каждого сценария использования можно выбрать подходящий вариант. В варианте SCM тактовая частота ядер составляет 4 ГГц, количество процессорных разъёмов в системе может достигать 16. В версии DCM частота снижена до 3,5 ГГц.

Базовый кристалл POWER10 имеет 16 вычислительных ядер, хотя используется из них только 15, каждое ядро дополнено 2 Мбайт кеша L2, а общий объём кеша L3 может достигать внушительных 120 Мбайт. Степень параллелизма была увеличена с SMT4 до SMT8, так что процессор может исполнять одновременно до 120 потоков, хотя, естественно, не в любой задаче такое распараллеливание ресурсов ядер будет эффективным. Производительность блоков SIMD была существенно увеличена, они вдвое быстрее аналогичных блоков POWER9, а на матричных операциях — быстрее в четыре раза.

За общение процессора с «внешним миром» отвечают интерфейсы PowerAXON 2.0 и PCI Express 5.0, в первом случае поддерживается открытый стандарт OpenCAPI, во втором реализовано 64 линии со скоростью 32 ГТ/с на линию, как и предписано стандартом. Компоновка связей у DCM и SCM разная. В первом случае сокетов может быть только 4, зато используется топология «каждый с каждым», а вот в 16-сокетном варианте SCM «по диагонали» между собой процессоры напрямую не общаются.

Интерфейс PowerAXON универсален, он использовался, в числе прочего, для реализации протокола NVLink для подключения ускорителей на базе графических процессоров NVIDIA. Проблем с пропускной способностью быть не должно, у каждого процессора в системе PowerAXON обеспечивает до 1 Тбайт/с. Кроме подключения ускорителей и общения процессоров между собой, у PowerAXON есть и ещё одно интересное и важное применение, о котором ниже.

О преимуществах унифицированного интерфейса OMI, позволяющего «малой кровью» модернизировать подсистему памяти, мы уже рассказывали читателям ранее. В новом процессоре эти возможности задействованы полностью. Каждый базовый кристалл POWER10 имеет 16 линков OMI x8, общая пропускная способность достигает 1 Тбайт/с. Латентность, разумеется, возросла, поскольку контроллер DDR у OMI, по сути, внешний, но прирост небольшой и составляет менее 10 наносекунд.

Универсальность и возможность модернизации этот недостаток искупают с лихвой. В текущем варианте пиковая пропускная способность достигает 410 Гбайт/с на разъём, объём — 4 Тбайт на разъём, однако с внедрением более быстрых типов памяти (DDR5, GDDR или даже HBM) может быть достигнута цифра 800 Гбайт/с на разъём. Отдельно упоминается возможность работы с SCM, но без конкретики. На данный момент такая память массово представлена только 3D XPoint в виде Intel Optane DCPMM.

Любопытна технология Memory Clustering. С помощью PowerAXON система может обращаться к оперативной памяти в другой системе, как к собственной. Латентность при этом составляет 50 ‒ 100 нс, для систем типа NUMA совсем немного. Общий объем на одну систему POWER10 может достигать 2 Пбайт; с учётом применения систем IBM для запуска таких «пожирателей памяти», как SAP HANA такие объемы очень к месту.

Следуя текущей моде на машинное обучение, разработчики реализовали в POWER10 развитую поддержку форматов вычислений, отличных от традиционных FP32/64. Блок плавающих вычислений в новом процессоре носит название Matrix Math Accelerator. В сравнении с POWER9 он быстрее в 10, 15 и 20 раз в режимах FP32, BFloat16 и INT8 соответственно. Иными словами, именно для инференс-систем POWER10 станет хорошим выбором.

Поскольку одним из применений POWER10 компания видит облачные комплексы, серьёзное внимание уделено обеспечению безопасности. Новые процессоры поддерживают полное шифрование содержимого оперативной памяти, а для ускорения криптографических процедур в их составе есть соответствующие аппаратные блоки, причём не только для широко распространённого стандарта AES. Они достаточно гибки, чтобы поддерживать и шифрование будущего класса quantum safe. Также поддерживается защита и изоляция контейнеров на аппаратном уровне. Успешная атака на один контейнер в пределах машины не означает и успеха с другими контейнерами.

В качестве программной основы IBM предлагает Red Hat OpenShift, и архитектура POWER10 была соответствующим образом оптимизирована, чтобы показывать наилучшие результаты именно с этой средой. В целом, можно уверенно сказать: новые процессоры Голубого Гиганта получились интересными и весьма достойно выглядящими решениями даже на фоне успеха AMD EPYC.

Официальный анонс состоялся сегодня, но развёртывание массового производства должно занять определённое время, так что появления первых серверов на базе IBM POWER10 стоит ожидать не ранее начала следующего, 2021 года. А планы компании говорят о том, что POWER11 уже находится в разработке.

Корпорация IBM сообщила, что переводит архитектуру набора команд (ISA) Power в разряд открытых решений. То есть, за неё не нужно будет платить, как это было в последние 6 лет. Отмечается, что с 2013 года действовал консорциум OpenPOWER, который лицензировал связанную с Power интеллектуальную собственность. Но теперь все наработки и патенты будут переданы сообществу безвозмездно.

Сама же организация OpenPOWER Foundation будет переподчинена Linux Foundation, что позволит создать площадку для развития архитектуры без привязки к чипмейкеру или иной компании. Как отмечается, OpenPOWER Foundation включает в себя более 350 компаний, а сообществу передали свыше 3 млн строк кода системных прошивок, спецификаций и схем. Всё это позволит создавать Power-совместимые чипы всем желающим.

pixabay.com

Помимо собственно процессоров, компания передала сообществу и смежные технологии для разработки расширений на основе интерфейсов OpenCAPI (Open Coherent Accelerator Processor Interface) и OMI (Open Memory Interface). Первая технология должна устранить «узкие места» во взаимодействии CPU, GPU, ASIC, а также других чипов и контроллеров. Вторая же должна ускорить оперативную память. Это позволит создавать на базе архитектуры Power специализированные чипы для искусственного интеллекта.

Важно отметить, что процессоры Power позволяют создавать современные серверы и суперкомпьютеры. К примеру, суперкомпьютеры Summit и Sierra работают как раз на таких чипах. А это, на минуточку, первый и второй номера в мировом рейтинге таких систем.

Напомним, на процессорах с архитектурой Power (хотя и специализированных) работали в том числе и консоли Sony PlayStation 3, Xbox 360, а также старые ПК и ноутбуки Apple.