最近一段时间,关于AMD的利好消息不断出现。

实际上,AMD就在几个小时前——在2021年3月15日美国太平洋时间上午8点由AMD总裁兼首席执行官Lisa Su博士发布了基于Zen3架构的第三代AMD EPYC(霄龙)处理器(代号“米兰”)系列,其中包括8～64核心共计19种型号CPU。

这说明一件事情:AMD不仅在服务器处理器市场站稳了脚跟,而且还逐渐开始领跑市场,引领市场的发展方向。这与几年前第一代AMD EPYC(霄龙)处理器刚问世的时候,不少客户对AMD在服务器市场能否长期坚持下去的担忧形成了鲜明对比。

AMD到底做了什么,以至于彻底改变了服务器处理器市场的格局?

从互联网市场到企业市场

如果你了解处理器的发展历史,也许会注意到,古老的计算机是没有CPU的——那时候由一大堆电子元件来完成今天CPU的功能。后来随着集成电路发展,有了封装技术,才有了我们今天看到的计算机芯片。

计算机CPU最初都是单核的,处理器的进化方向是提高频率,改善微架构。后来为了提高性能,服务器开始引入CPU多路并行的架构,在一块电路板上放置多个CPU,在主板上实现互联。再后来,随着各行各业对计算需求的指数级增长,CPU从100MHZ到1GHz只用了几年,CPU频率到了4GHz遇到了瓶颈,提升越来越难。这时候,CPU设计厂商开始尝试采用多核架构来提升计算机处理器的性能。

很显然,通过处理器的多核来提升性能,要比在主板上采用多个处理器更有效,因为片内通讯比主板上多个处理器之间通信更快,延迟更低。很快CPU就从单核发展到双核、四核、八核。

不过,多个核心堆到一个芯片里面,会大大增加芯片的面积。而芯片的面积与良率和成本密切相关,因为一块晶圆上的瑕疵是随机分布的,单个芯片越大,中招的概率越大,合格的芯片越少。所以,大芯片的价格远远高于小芯片。

AMD对于多核心的解决方案是把多块小芯片(Zen2是4核)封装到一个基板上面,虽然在基板上封装的通信速度不如芯片内,但却比在主板上封装要好很多。这种片上系统小芯片架构CCX+IO DIE的全新解决方案,不仅性能适中,价格也便宜得多。打个比方,8个4核小芯片的处理器,要比单芯片28核的处理器价格便宜很多,性能却相差无几。

AMD最初借助第一代EPYC突破的是大型互联网客户的云数据中心市场,因为互联网客户的特点是热爱高科技,敢于尝新。不过,互联网客户也是最苛刻的——可以想像几万台服务器在一个大型数据中心里运行,它需要面对的是春节红包雨和双十一这种最苛刻的部署压力和应用挑战。

而今,AMD的第二代7nm EPYC经受住了考验,证明了它的计算能力,证明了它的稳定性,也证明了它的可靠性。正因为此,去年市场上已经可以看到包括新华三这样的服务器市场巨头,都在全面提供采用第二代EPYC的服务器,满足企业客户的需求。

面向高性能计算市场突破

“第三代EPYC产品是AMD向面高性能计算市场迈进转型的重要一步,同时会进一步扩大AMD在数据中心市场版块中的领先地位。”AMD高级副总裁兼服务器业务总经理Dan McNamara表示。

据Dan介绍,AMD 第三代EPYC不仅在IPC性能上有约19%的提升,同时支持PCIe4和DDR4内存实现了非常高的运算吞吐量。

对于企业市场来说,企业用户面临的是海量的数据,他们要运行多个数据库来进行大量的数据分析,形成决策支持,因此企业市场用户需要在高度融合的架构中运行他们的业务。在这一领域中可以通过SPECjbb的性能基准来进行CPU的测试,而第三代EPYC取得了非常好的成绩,适合这种高融合的基础架构。

其次在云计算市场,对虚机密度和每个Socket的性能都有非常高的要求,可以通过SPEC int指标来衡量云计算应用性能,第三代EPYC的跑分也非常好,可以在总体拥有成本方面帮助云计算客户实现价值的最大化。

不仅如此,AMD在高性能计算市场也不断发力,第三代EPYC能够在很多高性能运行基准方面刷新纪录。

“从Zen2到Zen3架构演进过程中,必须在整个架构的每个环节和部分去分别优化,才能实现代际间约19%的IPC性能提升。”AMD全球院士、Zen核心首席设计师Mike Clark介绍说,“我们首先把BTB提高了一倍达到1024,同时改善了分支预测器的带宽,在分支预测中消除了冒泡现象,以此提高了准确性从而能够更快寻址,以便在应对更大的服务器工作负载时,我们可以无缝在op cache和I cache间实现现更高颗粒度的流水线切换。”

值得一提的是,在Zen3上可以看到除了性能提升之外,更关键的是每个Chiplet上所有的八核能够去同时共享32MB的缓存,通过这样的设计来降低时延,对于那些需要用内存子系统比较密集的应用来说,这样的设计可以有效提高性能。

“对于核心数据库这样一些需要调用很多核心,同时指令密集型的应用,可能需用用到8MB的缓存容量。”AMD院士及SoC架构师Noah Beck介绍说,“在Zen2上是把L3缓存的量用掉了一半,但是在Zen3架构中我们可以看到32MB的缓存只需要用四分之一的水平,所以这样每一个核心可以提高缓存容量的使用,从而有效提高命中率,无论是多核心还是多线程的应用。”

此外,在内存通道配置方面第三代EPYC也从原来的4+8再增加了一个6通道选择,从整个系统来说不论是单线程、单核心还是每个插槽都实现了在服务器市场中更强的性能。显然,第三代EPYC是AMD面向高性能市场突破的利器。

高可靠高安全弥补AMD短板

我们知道,无论是企业级市场还是高性能计算市场,客户对于安全性的需求是非常严苛的,而这,也曾经是AMD的短板之一。而今,AMD在安全方面进行了重大改进。

“AMD不仅在在指令集优化方面,在加速、加密和解密算法上扩展了AVX2指令到256位,更重要的是,AMD对SEV进行改进,限制中断的注入,限制恶意管理程序注入SEV-ES访客中断/异常类型。”Mike Clark介绍说,“AMD在Zen3上将调试寄存器添加到交换状态中,同时通过SNP安全嵌套分页,可以在现有的SEV-ES对虚机内存和虚机寄存器加密保密的基础上,增加系统完整性保护,防止恶意管理程序通过重放、损坏、重新映射进行攻击;此外,新一代Milan还有CET shadow stack CET影子栈,通过这个功能可以防止ROP编程的攻击,更好地优化系统安全性。”

换句话说,第三代EPYC是AMD从架构层面已经做好了强防御,同时对性能的折损降到最低,不仅能够实现19%的代际之间IPC每核性能的提升,同时大大增强了系统的安全性和稳定性。

从这一角度,我们可以看出AMD在服务器处理器市场的战略是持续提供更高性能、更安全可靠的CPU。

“第三代EPYC处理器,AMD采用了小芯片架构,能够在产品配置方面给客户提供更高的灵活性,覆盖了从低到高的产品,包括内存通道、内存容量,PCIe4 128,以及安全性方面的特性。”AMD EPYC产品管理全球副总裁Ram Peddibhotla把第三代EPYC家族的19款处理器产品分成三个类别:最上面四款是针对单核性能做了最大优化,提高单核频率,可最大限度调用缓存和带宽,非常适用于关系型数据库、技术类运算场景;中间是核心密度高的产品,主要是给行业提供多线程运算性能和多插槽运算性能,针对的目标市场主要是企业应用、高性能计算和云计算;下边的10款产品聚焦在性能平衡和优化,面向对于整体拥有成本有较强需求的企业客户。

“从Milan的32核起,新一代EPYC不论从单核性能、整体性能还是线程密度方面都有非常强的优势。”Ram Peddibhotla表示,与英特尔的Silver 4216产品比较,米兰16核产品就已经确立了很强的优势。

据Ram Peddibhotla介绍,在高性能计算方面通过SPEC FP的基准测试可以看到,第二代EPYC已经比竞争对手的6258R高出76%的速度,第三代EPYC的性能是竞争对手6258R的最佳的双插槽处理器的两倍以上;在云计算应用方面使用SpecinRate这样的基准测试,AMD双插槽第二代EPYC已经比竞争对手6258R的产品快81%,第三代EPYC的性能现在比竞品的6258R快一倍以上,达到106%;在企业应用方面采用SPEC JBB的基准测试,第二代EPYC比竞品目前性能最强的基准跑分结果的产品快79%,第三代EPYC的性能比竞品的8280产品性能高出一倍以上达到117%,领先优势进一步扩大。

正因为此,无论是互联网数据中心市场还是企业市场、高性能计算市场如今都对AMD EPYC处理器给予了高度关注。

事实上,无论是核心还是系统层面,AMD在性能方面的领先优势在进一步扩大——几乎在所有基准跑分上AMD新一代EPYC处理器都跑出了世界纪录;与此同时,在整体拥有成本方面,AMD对于市场用户而言,为客户和投资人提供了很好的价值;此外,AMD正在围绕第三代EPYC加速布局生态,为客户推出更多、更好的应用。

应该说,EPYC服务器处理器自推出至今大约四年的时间,通过片上系统小芯片架构、CCX+IO DIE设计不仅成功重新进入数据中心市场,而且通过几年的努力无论从性能提升方面、运算吞吐量、安全和成本方面都为服务器市场带来了新的活力和新的价值。在市场上,我们听到更多的是:感谢AMD,让计算市场有了更多更好的选择!

文/余文

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