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ARM等于低功耗的未来?冷静看待低功耗领域发展

文章来源:米尔科技 发布日期:2013.6.21 浏览次数:1254 次
2013年即将过半,虽然与前两三年的上半年相比,这半年来企业计算及数据中心市场上并没有涌现出像云计算或大数据这样,能够一鸣惊人、充分聚焦人们目光的大概念、大想法,但源自三个原本并不起眼的新型数据中心设备——微型服务器、冷数据存储设备和新一代数据中心网络设备,却在这几个月的时间里成功地扮演了“黑马”的角色,引发了一股几乎席卷所有相关数据中心软硬件厂商,以及拥有或希望构建大规模数据中心的用户的数据中心低功耗设备创新风潮。

如果现在就对这股风潮做一下简单总结,不难发现,它之所以能够吸引如此多的注意力,凭心而论,并不在于它已经打造出了足以颠覆传统数据中心的创新,而是在于ARM,这家曾专攻移动设备和嵌入式设备市场、以设计低功耗处理器见长的厂商,正以上述三类设备、特别是微型服务器市场为突破口进军数据中心,从而让人们看到了一些潜在的迹象——业内人士及用户关注的,是ARM及其技术架构的进入是否会真正引发数据中心软硬件技术架构上的巨变,他们所持的态度是谨慎观望;但业外观众紧盯的,则是ARM进军数据中心的“戏剧性”,毕竟如今这一领域内x86架构设备及应用已占据主流,ARM的到来就如同勇闯长坂坡的赵子龙,无论它最终成功与否,都应该轰轰烈烈,都应该为这份胆识叫个好。

于是,少数专业人士的冷静对待,与多数人希望看热闹的想法,就形成了数据中心低功耗设备创新风潮在真实市场上和声音市场上两种反响的偏差,也因此衍生了一些不利于人们准确了解和判断ARM与x86架构,以及ARM阵营与英特尔阵营各自优势、双方的竞争态势和走向的噪音,本文就将列出这些噪音中一些颇具影响力的观点,并力图分析和还原其背后的真实状况。

一、ARM的指令集更适于打造低功耗处理器及设备

这个观点在ARM进军微型服务器之初曾经被人们广为讨论,它也确有很强的杀伤力。毕竟,这个观点是从处理器研发中最核心、最基础的层面——指令集体系结构(ISA)出发,一旦为人们所接受,就能起到盖棺定论的效果。

但事实是否真是如此呢?我们可能要先从这个观点的论据——RISC(简单指令集计算)和CISC(复杂指令集计算)在节能方面孰估孰劣说起。如果是最初的,或者说是纯粹的RISC和CISC时代,RISC确实是通过降低系统软件和硬件之间的动态-静态接口(DSI,它可定义哪些任务和优化是由软件和编译器静态完成、哪些任务和优化是由处理器或硬件动态完成)的位置,让软件和编译器来完成更多的优化工作,从而降低了处理器硬件设计的复杂度,以换取更高的执行效率和更低的功耗。但如今,RISC和CISC都已不再纯粹,自从上世纪90年代英特尔率先吸引应用了来自RISC的、拥有更高指令处理效率的技术后,RISC和CISC之间都一直在吸收彼此的先进技术,两者的结合也变得越来越紧密,这也使得它们在硬件复杂度和能效方面的差距越来越模糊,特别是在目前处理器已经普遍进入多核多线程的时代,这种最初由指令集带来的节能优势,更是难再体现。

指令集对节能的效果影响已经有限,那在处理器领域,又有哪些其他的因素能够带来真正的影响呢?公认的答案应该是微架构和制程工艺的更新。回顾多年来处理器领域更新的历史,很清晰地就能看到,前者对于性能和功耗改良的作用都很明显,而后者,则是前者实现革新的基础(通过提供更高的晶体管集成度),同时也有助于降低功耗。而在这两方面的创新上,英特尔的积累和实力依然领先于整个业界。虽然ARM总裁Warren East曾于去年公开表示摩尔定律将限制移动处理器的发展,省电更重要。但有趣的是,ARM一直都在享受摩尔定律带来的好处——芯片制程工艺的快速更新也为它的处理器带来了节能效果上的帮助,否则,它和它的合作伙伴就没有必要急着在明年即将问世的Cortex-A50系列处理器上导入14纳米制程工艺了。

二、测试结果表明ARM架构的处理器更适用于微型服务器等设备

这个观点倒是确有“事实依据”,这不过,这个依据让人等了很久,而且也不够严谨。以3月时才姗姗而来,由某知名美国IT媒体撰写的ARM架构服务器评测报告为例,报告中Calxeda ARM架构服务器虽然在最终的Web托管应用吞吐量和功耗实测中扳回了一些优势(在大多内存带宽、处理性能测试上均落后于至强E5和凌动N2800处理器),但与它一起参与这项测试对比的,却并不是英特尔去年12月份发布的,针对微型服务器、冷数据存储设备和新一代网络设备设计的,设计热功耗最低为6瓦的64位凌动S1200处理器,而是面向主流服务器市场的,以性能而非功耗见长的至强E5处理器,而且在比较时,还在至强E5平台上使用了会带来额外性能开销的虚拟化技术。

这样的评测结果,虽有一定的参考价值,但对于越来越重视投资回报,希望把每分钱都花到刀刃上的用户来说,拿到有双方最新产品支持的系统,并采用具有可比性配置和设置方法的评测似乎才更有意义,更有助于他们做出明智的采购决策。而从这个角度来看,ARM在今年下半年将会面临来自英特尔的强有力挑战,因为基于Slivermont微架构、代号为Avoton的新一代凌动处理器在今年下半年就要发布了,其最高支持8个内核、性能比前一代微架构提升3倍、功耗可降低约5倍的规格,对于ARM将于明年推出的Cortex-A50系列来说都是一个强大的对手,就更别说届时将与其直面对抗的Cortex-A15架 构的产品了。

三、ARM架构处理器更节能,因此更节省数据中心的TCO

或许是意识到性能表现还不够理想,不少看好ARM在数据中心市场发展前景的人在谈及它的优势时,还是更偏重其低功耗特性,并强调它能够为数据中心的TCO节省带来多大帮助。然而事实上,这种观点忽略了四个现实状况:一是发布相关数据的多为厂商和少数用户,还很少有第三方机构在中立的,顾及不同用户典型应用模式的情况下计算得出过类似的数据;二是英特尔已经发布近半年的凌动S1200处理器已经在功耗表现上不逊于ARM架构的同级别对手;三是未来运行在微型服务器、冷数据存储设备和新一代数据中心网络设备上的负载也是会发展变化的,未来很可能需要更高性能的支持,而不再满足于目前的“适当”的性能;四是一旦ARM架构的处理器要提升性能,例如开发更为复杂、性能更高的Cortex A-57架构,也很有可能会让ARM失去节能方面的优势。

而从整个数据中心的层面来看,仅处理器更节能,也并不一定就能带来最理想的节能节支效果。一般来说,处理器的功耗在整个服务器功耗中所占的比例都不会过半,平均在30%左右,这就意味着,处理器的节能只是数据中心走向节能的第一步,而从处理器中的每个晶体管、到处理器、到单个服务器节点,到机柜,到数据中心散热,再到数据中心供电,都需要融入先进的节能技术才能获得更好的节能效果,ARM的竞争对手英特尔对此已经有了一整套的技术和解决方案,以其HTA(高环境温度)数据中心为例:传统数据中心一般都会将其内部温度冷却到18-21摄氏度,而在这一点上所耗费的功耗占整个数据中心总功耗的比例高达40%。英特尔则通过为用户提供更多耐高温的平台组件,从而让用户能将数据中心环境提升至30摄氏度左右。Facebook就在其圣克拉拉市数据中心进行了相关的实验,最终节省能源开支达229,000美元;英特尔也在自家的新墨西哥概念验证数据中心内进行了类似验证,效果相当于一个10兆瓦的数据中心可节能287万美元的支出。

就算大家将英特尔具备的一整套数据中心节能技术排除在外,使用ARM架构数据中心设备的用户也不一定能获得出色的节支效果。毕竟,目前多数用户采用的数据中心IT设备,特别是服务器都是基于英特尔架构的,如果要向ARM架构的产品迁移,必须就会带来软件迁移的额外成本,这也是为什么截止目前少数采用ARM架构产品的用户多为大型互联网行业企业的原因所在,因为只有他们,才拥有可媲美独立软件供应商的应用软件开发和优化实力,有助于推动其自己应用软件从x86架构到ARM架构的迁移。

而对于缺少这一能力的其他行业用户来说,虽然ARM阵营在软件生态系统的营建上,在获得软件厂商和社区的支持上已经取得了一些进步,但与英特尔在软件方面的开发、优化和产业协作力量相比,依然相差较大,这就可能让依靠第三方软件厂商进行软件迁移的用户们面对更高的支出,而在不同的需求之下,这部分支出的增加,多多少少都会抵消在功耗支出方面实现的节省。而且,英特尔自凌动S1200起,已经开始向市场提供性能和功耗表现都较为出色的数据中心低功耗设备用处理器,它们兼容已有x86软件,即使需要优化也无需过高成本。在这种情况下,是否还有必要从x86,从英特尔架构转向ARM架构,就成了用户现阶段必须认真思索的问题。

在走向数据中心市场的道路上,ARM即将面对的,看起来并非一帆风顺,凯歌高奏;而英特尔的反应,也绝不是惊慌失措,进退失据,相反,在技术层面,英特尔这个“防守者”面对未来的半年到一年,倒是就给出了更加清晰的路线图,以及更触手可及的创新产品,ARM相对应的创新,却还过多地停留在让人们期望的阶段。

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