ARM和AMD發力高性能計算市場：Intel霸主地位遇挑戰
2020-01-17 09:20:34 快科技高性能計算（HPC）市場已經連續多年增長。目前至少有三種架構的CPU可用于HPC任務，包括X86、Arm和Power，有超過六家可靠的供應商，還有兩種（即將成為三種）GPU架構。不過，目前該領域的絕大多數HPC系統還是由英特爾 CPU（有時是Nvidia GPU）提供算力。從今年開始，情況將開始改變。
近期內的變化可能會來自x86領域，AMD Epyc的勢頭將使英特爾面臨自Opteron（皓龍，AMD 2003年推出的64位處理器）時代以來最激烈的競爭。特別是，幾乎可以確定第二代Epyc芯片（又名“羅馬”）將搶占英特爾在服務器領域（包括HPC）的市場份額。
羅馬令人印象深刻的性價比無疑是促使美國、英國、德國和芬蘭等超級計算機系統選擇它的關鍵，大多數系統將于今年上線。現在的關鍵問題是，更新的至強處理器（14納米“ Cooper Lake”至強可擴展處理器），尤其是未來的10納米“ Ice Lake”至強可擴展處理器，能在多大程度減少市場份額的流失。
Arm也在緩慢地進入HPC市場，我們認為，緩慢的主要原因是，從技術角度看，與x86或任何其它通用處理器相比，該架構沒有任何特殊的優勢。Arm的優勢在于其IP是可授權的，因此該架構可以滿足不同市場定制處理器的需求，這和全球軟件生態系統捆綁在一起。
需要說明，這種可延展性是長期的優勢，而不是短期的優勢。富士通花了至少五年的時間設計和開發了A64FX，這是第一個基于Arm架構的HPC專用處理器。它即將在RIKEN Lab的“ Fugaku” 400 petaflops超級計算機中首次亮相，將測試Arm架構在高端HPC中的可行性以及相應的生態系統。巧的是，它也將展示沒有加速器或外部存儲器系統的優缺點。
Cavium（雷鋒網注，凱為半導體2017年已經被Marvell收購）的ThunderX2 SoC是一種更普通的芯片，其目標是在低級別的HPC領域，這款處理器于2018年推出，很快就獲得了Marvell的訂單，并成為了英國和其它地區為數不多的第一批基于Arm處理器構建HPC集群的基礎。盡管ThunderX2不是超高性能，但由其較好的集成內存控制器分配，在受內存帶寬限制的應用中表現出色。Marvell希望在ThunderX2成功的基礎上再推出ThunderX3，該產品有望在今年年初發布。
Marvell預測，第三代產品將基于7納米制程，將與AMD的“羅馬” Epyc 7002和英特爾的Ice Lake至強可擴展處理器競爭，性能將比ThunderX2高出兩倍以上，時鐘頻率也更快，能源效率更高。
今年，基于Arm的高性能計算將有另一個重要選擇——基于A64FX的商用系統。例如，由于與富士通達成了合作協議，客戶現在可以從Cray / HPE選擇支持A64FX的CS500集群。對于日本或者歐洲市場，富士通還將提供基于A64FX的FX700和FX1000系統。
如果這些系統在各自的地區能夠吸引足夠的客戶，其他OEM也可能與富士通達成類似的協議。
基于A64FX的商業系統的前景也可以預測。Isambard 2是布里斯托大學最初由ThunderX2驅動的Isambard集群的迭代版本，將采用A64FX Cray CS500。盡管還沒有宣布任何消息，但是如果歐洲三臺E級超級計算機（每秒可進行百億億次數學運算）中的一臺（或更多臺）也都采用A64FX芯片，這也不會令人感到驚訝。
我們認為，用戶和供應商當前對基于Arm的群集的熱情是基于以下事實，即變化似乎已達到拐點。Hyperion Research一直在跟蹤HPC中Arm的銷售情況，他們預計在未來五年中，該領域Arm處理器收入的復合年增長率為64.7％。
盡管在2019年僅有50,000顆Arm芯片被用于HPC，但Hyperion預計該數字到2020年將超過233,000，到2024年將超過610,000。其中許多系統將在美國以外，這一事實反映出所有最初的基于Arm的億兆級系統都將在歐洲、中國和日本構建和部署。這些地區占高性能計算一半以上的市場。也就是說，盡管Arm在這一領域可以維持較高的增長率，但x86處理器在未來五年甚至更長時間內仍將主導這一市場。
Power架構方面，盡管有OpenPower計劃，IBM仍然是游戲的唯一玩家。Power10處理器原定于今年推出，但現在看來它將在2021年問世，該公司并沒有依靠HPC來增加出貨。盡管Power10可以成為高性能計算領域令人印象深刻的芯片，但尚無大型系統由該芯片提供算力（能源部通過了IBM和Power10的CORAL-2合同）。
一個潛在的增長點是，歐洲開放計算機體系結構實驗室（LOCA）計劃選擇OpenPower作為開發開源HPC處理器的三種架構之一。
在可預見的未來，Power架構似乎注定在高性能計算中扮演次要角色。
GPU和更廣泛的加速器肯定會增長，特別是如果考慮到中國（中科曙光的DCU和Matrix-3000 DSP），歐洲（RISC-V和其他特定領域的加速器）追求定制設計（歐洲處理器計劃）的產品，以及無數的AI加速器進入市場，例如英特爾最近推出的神經網絡處理器：NNP-T和NNP-I。當然，還有Xilinx和英特爾的各種FPGA迭代產品，可用于在芯片中實現硬件半定制化的HPC應用。
但是，對于主流HPC使用者，GPU仍將是首選的加速器平臺。英偉達主導了這個領域，但AMD及其Radeon Instinct準備搶占該市場的部分市場份額。頂級的MI60通過Infinity Fabric提供7.4 teraflops的64位性能，32 GB的HBM2內存以及與GPU之間的200 GB /秒的連接性能。在將來的迭代中，連接性能將擴展到AMD的Epyc CPU，以便GPU和CPU可以在同一結構上進行通信。這個功能將在Oak Ridge National Lab的“ Frontier”百億級超級計算機中進行大規模測試，將通過Infinity Fabric在每個節點中連接四個Radeon Instinct GPU和一個Epyc CPU，Frontier計劃于2021年啟動。
同年，“ Aurora”E級超算有望在Argonne國家實驗室上線。該系統將配備英特爾的Xe GPU，這是一個協處理器，旨在加速HPC和神經網絡訓練，就像Nvidia的V100和T4一樣。因此，Aurora將是針對此處理器進行HPC和AI負載的第一個大型測試。由于現在沒有Xe處理器（定于今年晚些時候發布），因此它們的性能以及可編程性未知。
在這方面，英偉達具有優勢，因為該公司十多年來一直在圍繞其CUDA硬件有條不紊地擴展其CUDA軟件，并已擁有數量龐大的開發人員和用戶。事實證明，該公司的GPU也有些難以捉摸，而且隨著可能在今年晚些時候推出的新一代（“安培”）架構的出現，英偉達可能再次體現出優勢。
但現在，至少是一場三雄爭霸的比賽。隨著新十年的開始，這將使加速器市場變得更加有趣。
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