Marvell ThunderX3處理器解析：96核心384線程、ARM芯片之王

長久以來，服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域一直是x86 CPU架構(gòu)的天下，但是隨著市場需求、應(yīng)用負(fù)載的多元化，隨著云計算、邊緣計算、高性能計算的不斷演進(jìn)，RISC-V、ARM等架構(gòu)也都迎來了新的爆發(fā)機(jī)遇，尤其是ARM，眾多巨頭紛紛參與，生態(tài)建設(shè)也是如火如荼。

比如最近，亞馬遜就發(fā)布了ARM架構(gòu)的64核心Graviton2，安晟培(Ampere)則推出了80核心的Altra。現(xiàn)在，Mavell(美滿電子)奉上了第三代ARM芯片“ThunderX3”。

Marvell的大名很多人可能不太熟悉，但這家歷史悠久的半導(dǎo)體企業(yè)其實隨時都在你身邊，比如機(jī)械硬盤主控，絕大部分都出自Marvell的手筆，SSD主控也有豐富的產(chǎn)品。

Marvell成立于1995年，總部位于美國加州圣克拉拉，在美國、以色列、印度、德國、中國都設(shè)有研發(fā)中心，全球員工超過5000人，全球?qū)＠^1萬件，2020財年收入27億美元，核心業(yè)務(wù)覆蓋存儲、網(wǎng)絡(luò)、計算三大領(lǐng)域，特別是擁有超過15年的高性能多核心CPU研發(fā)經(jīng)驗。

Mavell旗下?lián)碛型暾腃PU處理器產(chǎn)品線，包括Armada、Octeon TX、Octeon Fusion、ThunderX四大系列，尤其是已經(jīng)悄然成為全球最大的ARM服務(wù)器處理器供應(yīng)商，應(yīng)用范圍、生態(tài)支持都獨(dú)步全球，累計出貨量已突破1億顆。

2017年，Marvell還以約60億美元的價格收購了美國無工廠半導(dǎo)體企業(yè)Cavium(凱為半導(dǎo)體)，進(jìn)一步增強(qiáng)了ARM平臺的設(shè)計能力。

既然有了成熟的x86，為何要大力推廣ARM？它有什么吸引整個行業(yè)的呢？

Marvell認(rèn)為，在架構(gòu)、工藝、性能、能效、生態(tài)等多個方面，ARM都展現(xiàn)出了更優(yōu)秀的品質(zhì)，雖然不會也不能全方位取代x86，但是在部分特定領(lǐng)域，尤其是云計算、高性能計算等，已經(jīng)明顯超越x86。

架構(gòu)方面，x86一直是一個架構(gòu)打天下，從服務(wù)器數(shù)據(jù)中心到桌面筆記本消費(fèi)級，都基于同一個架構(gòu)衍生不同的產(chǎn)品，缺乏靈活性，尤其是在并行處理方面，而且規(guī)模越做越大，也導(dǎo)致成本、功耗越來越無法滿足需求。

工藝方面，Intel已經(jīng)失去了領(lǐng)導(dǎo)地位，至強(qiáng)系列至今還是14nm，AMD雖然走到了7nm，但又在架構(gòu)上“取巧”使用chiplet多芯片設(shè)計，導(dǎo)致內(nèi)存帶寬、內(nèi)存延遲明顯不足，ARM方面則跟著臺積電一路走到了7nm，并即將進(jìn)入5nm。

性能和能效方面，Marvell認(rèn)為ARM架構(gòu)的單線程性能已經(jīng)是一流水準(zhǔn)，多線程和平臺性能更是遙遙領(lǐng)先，內(nèi)存帶寬、延遲同樣優(yōu)秀，而且功耗低、能效高。

生態(tài)方面，x86雖然歷史悠久，但負(fù)擔(dān)也很重，比如考慮各種歷史甚至是消費(fèi)級兼容性，ARM則沒有過多拖累，架構(gòu)直接為服務(wù)器優(yōu)化而生。

同時，軟硬件行業(yè)對ARM的支持也越來越豐富，比如Marvell ThunderX2已經(jīng)被20多家終端客戶部署在大規(guī)模云計算、高性能計算市場，包括微軟Azure、HPE、Cray、Atos、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、桑迪亞國家實驗室、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室、布里斯托大學(xué)、萊徹斯特大學(xué)等等。

甚至，Intel的一些軟硬件技術(shù)同樣支持ARM平臺，NVIDIA、AMD GPU同樣也支持。

接下來說說具體產(chǎn)品。Marvell ThunderX系列嚴(yán)格遵循每兩年升級一代的路線圖，ThunerX2系列誕生于2018年，而在今天的主角ThunerX3之后，2022年還將看到ThunerX4，工藝也是一路升級，28nm、16nm、7nm……

ThunerX3采用臺積電7nm DUV工藝制造，基于Marvell自主研發(fā)架構(gòu)，指令集兼容ARM v8.3 ，最多96個核心，而且繼續(xù)支持4線程，也就是最多384個線程，是上一代的整整三倍，而且支持雙路并行，此時單系統(tǒng)可提供192個核心、768個線程。

同時，頻率方面基準(zhǔn)最高2.4GHz，最高加速3.1GHz，比上代還提高了100MHz。

新的內(nèi)核集成四個128-bit Neon SIMD單元，就寬度而言等效于一個x86 AVX-512，從而大大提高了浮點(diǎn)性能。Intel至強(qiáng)最高端型號兩個，AMD霄龍則是每核心兩個256-bit SIMD單元，基本等效。

內(nèi)存支持八通道DDR4，頻率達(dá)3200MHz，并支持64條PCIe 4.0(16個控制器)，比上代PCIe 3.0更進(jìn)一步而且增加了8條通道，未來還會隨著PCIe 5.0/6.0標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)而升級。

當(dāng)然了，企業(yè)級的RAS、虛擬化這些都是必不可少的元素。

接下來說說性能，當(dāng)然都是來自Marvell官方的數(shù)據(jù)，而且具體性能表現(xiàn)取決于特定的工作負(fù)載。

綜合性能方面，ThunderX3對比上代IPC(每時鐘周期指令數(shù))性能提升超過25％，基本可視為架構(gòu)本身的進(jìn)步幅度，而結(jié)合更高的運(yùn)行頻率，單核心性能提升超過60％，再加上大大增加的核心數(shù)，整體性能提升可以超過3倍！

對比x86雙雄，ThunderX3的優(yōu)勢不在于絕對性能，而是更好的能效，相比于AMD Rome二代霄龍可高出30％，對比Intel二代可擴(kuò)展至強(qiáng)更是領(lǐng)先多達(dá)1.2倍。

ThunderX3并不貪大求全，主攻市場只有兩個，一是云計算，包括大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫、流媒體、Web、搜索、存儲、移動應(yīng)用開發(fā)、手游等等，其高度并行、豐富I/O、超低延遲、ARM原生都是獨(dú)特優(yōu)勢。

性能方面，單核心四線程可以帶來可觀的性能提升，常見應(yīng)用中最多可以提升達(dá)80％，特定負(fù)載下甚至能見到3-4倍的提升。

對比AMD二代霄龍、Intel二代可擴(kuò)展至強(qiáng)，ThunderX3在云端也毫不示弱，所服務(wù)的領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)全面勝出，而且延遲更低，而且支持更多數(shù)量的虛擬機(jī)。

第二個主攻方向就是高性能計算，包括政府部門、天氣預(yù)報、油氣勘探、計算機(jī)輔助工程、生物基因、電子設(shè)計自動化等，高內(nèi)存帶寬、高能效、高并行性的特點(diǎn)可以說非常適合。

對比兩家x86方案， ThunderX3在浮點(diǎn)、內(nèi)存帶寬指標(biāo)以及量子化學(xué)、計算流體動力學(xué)、計算化學(xué)、矢量物理等應(yīng)用方面，都有著不俗的表現(xiàn)。

對于ThunderX3的市場前景，Marvell也是非常積極樂觀，透露現(xiàn)在部署ThunderX2的超過20家客戶，都在準(zhǔn)備升級ThunderX3，而后續(xù)的ThunderX4還會繼續(xù)帶來大幅度的提升。

中間的是上代ThunderX2