Разработчики серверных платформ для центров обработки данных стремятся найти более экономичные и энергоэффективные решения, позволяющие сократить операционные затраты, что остается весьма актуальной задачей. Согласно результатам исследования Amazon, на серверное оборудование приходится около 57% текущих затрат в ЦОД, поэтому именно серверы являются важнейшим фактором повышения их экономичности и энергоэффективности.

Чтобы снизить энергопотребление серверов, разработчики уже несколько лет экспериментируют с недорогими и энергоэффективными процессорами, традиционно применяемыми в мобильных устройствах (см. статью автора «Серверы в ЦОД: отход от традиций» в майском номере «Журнала сетевых решений/LAN»). Сегодня отрасль вплотную подошла к созданию новой серверной архитектуры (альтернативной повсеместно применяемой архитектуре x86) и к разработке для нее программного обеспечения. В последнюю пару месяцев поток новостей, связанных с серверами архитектуры ARM, стал особенно плотным.

ARM ДЛЯ СЕРВЕРОВ

Проект ARM официально стартовал в 1983 году, и уже более десяти лет решения ARM доминируют на мобильном рынке. Благодаря своей экономичности, процессоры ARM применяются сегодня в большинстве смартфонов и планшетов, а также в различных встроенных системах. Они могут потреблять на порядок меньше мощности, чем процессоры Intel.

Два года назад британская компания ARM Holdings впервые вышла на серверный рынок: в сентябре 2010-го она представила процессор Cortex-A15 на базе архитектуры ARMv7. Его версия ARM Cortex A15 MPCore, рассчитанная на тактовую частоту до 2,5 ГГц, в пять раз превосходила по производительности процессоры, применяемые в смартфонах, а по уровню энергопотребления была сопоставима с ними.

Cortex-A15 не поддерживает 64-разрядных вычислений, однако многие приложения для облаков могут быть и 32-разрядными. Серверы с энергоэффективными процессорами ARM, в частности, хорошо подходят для Web-приложений и сайтов социальных сетей. На таких системах можно без изменения кода исполнять приложения для облачных сервисов: Java, LAMP (Linux, Apache, MySQL, Python) и Ruby on Rails.

 

Рисунок 1. Четырехпроцессорная серверная плата Calxeda EnergyCore.
Рисунок 1. Четырехпроцессорная серверная плата Calxeda EnergyCore.

Кроме того, архитектура Cortex-A15 была дополнена технологией расширенной адресации (Long Physical Address Extensions), благодаря которой процессор способен адресовать 1 Тбайт памяти, а также аппаратной поддержкой виртуализации. Cortex-A15 — наиболее совершенная и мощная архитектура в линейке ARM. Применяемые в ней вычислительные ядра (до четырех) являются развитием процессоров Cortex-A9.

Вскоре появился прототип Webсервера с процессорами ARM от компании Marvell, представляющий собой четырехъядерный серверный процессор архитектуры ARM с тактовой частотой 1,6 ГГц. А ARM инвестировала средства в создание стартапа Smooth-Stone — производителя энергоэффективных процессоров (сейчас известен как Calxeda). Опытные образцы серверов ARM, в частности на базе процессоров Calxeda EnergyCore (см. Рисунки 1 и 2), уже созданы компаниями HP и Dell (см. Рисунок 3), однако это тоже 32-разрядные системы.

 

Рисунок 2. При использовании 32-разрядных процессоров Calxeda EnergyCore архитектуры ARM SoC с энергопотреблением 1,5 Вт на процессор (5 Вт на сервер) расход энергии существенно ниже, чем в случае применения самых энергоэффективных процессоров архитектуры x86 от Intel, потребляющих 20 Вт, но производительность последних выше (по данным Calxeda).
Рисунок 2. При использовании 32-разрядных процессоров Calxeda EnergyCore архитектуры ARM SoC с энергопотреблением 1,5 Вт на процессор (5 Вт на сервер) расход энергии существенно ниже, чем в случае применения самых энергоэффективных процессоров архитектуры x86 от Intel, потребляющих 20 Вт, но производительность последних выше (по данным Calxeda).

 

 

Рисунок 3. В мае Dell анонсировала серверы Copper на базе процессоров ARM Armada XP SoC от Marvell.
Рисунок 3. В мае Dell анонсировала серверы Copper на базе процессоров ARM Armada XP SoC от Marvell.

HP и Dell предлагают заказчикам протестировать серверы ARM в своих лабораториях, чтобы получить представление об их характеристиках и познакомиться с новыми возможностями. Коммерчески доступные процессоры Calxeda применяются и в сервере компании Viridis. В этой системе используются до 48 процессоров — всего 192 ядра ARM, а кроме того, имеются встроенные коммутаторы и системы хранения в корпусе 2U.

Последняя версия процессора Calxeda основана на Cortex-A9: лицензиаты ARM пока производят процессоры только на базе этой микроархитектуры. Однако компания планирует расширить партнерство и выпустить новые продукты. Уже объявлено о разработке чипа под названием Midway, основанного на ядре ARM Cortex-A15. Как обещает производитель, процессор будет отличаться от своих предшественников увеличенным быстродействием и присутствием аппаратных средств поддержки виртуализации. Его выход запланирован на 2013 год. В октябре компания Calxeda получила инвестиции в размере 55 млн долларов для разработки новых серверных процессоров архитектуры ARM с малой потребляемой мощностью.

Ожидается, что в ближайшие несколько лет процессоры ARM закрепятся на серверном рынке, где сейчас господствуют процессоры x86. Особые надежды связываются с 64-разрядной архитектурой ARM — ARMv8. Большинство современных операционных систем основаны на 64-разрядной архитектуре и потому лучше подходят для исполнения приложений, обрабатывающих огромные объемы транзакций и данных. Недавно ARM выпустила первые 64-разрядные процессоры — Cortex-A57 (см. Рисунок 4) и A53. Предлагаются два типа лицензий: на архитектуру ARM, позволяющую разработчикам создавать собственные процессоры, и на законченную разработку. Например, партнер ARM, компания AppliedMicro, сообщила о создании собственного процессора.

 

Рисунок 4. Мощность процессора ARM Cortex-A57 на 30% больше, чем у Cortex-A15, а производится он по той же технологии 28 нм. Его версии 20 нм будут работать на 50% быстрее. Однако коммерческие поставки Cortex-A57 SoC начнутся лишь в 2014 году.
Рисунок 4. Мощность процессора ARM Cortex-A57 на 30% больше, чем у Cortex-A15, а производится он по той же технологии 28 нм. Его версии 20 нм будут работать на 50% быстрее. Однако коммерческие поставки Cortex-A57 SoC начнутся лишь в 2014 году.

 

В отрасли быстро растет интерес к энергоэффективным серверам архитектуры ARM, позволяющим обрабатывать большие объемы онлайновых транзакций и обеспечивать быструю реакцию на поисковые запросы в Интернете и социальных сетях, так что архитектура ARM имеет все шансы перекочевать из смартфонов и планшетов в ЦОД. Некоторые процессоры Intel Atom с малой потребляемой мощностью тоже используются в серверах, и, как ожидается, Intel вскоре представит 64-разрядную архитектуру Atom под кодовым наименованием Centerton, которую рассматривают в качестве конкурента ARM. Преимущество этого производителя состоит в наличии широкого спектра уже готовых программных продуктов для платформы x86.

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ НОВЫХ ПЛАТФОРМ

По мере выпуска серверов новой платформы сторонники ARM надеются привлекать на свою сторону все больше разработчиков ПО. В архитектурах ARM и x86 используются разные наборы команд (в ARM — набор команд RISC), поэтому серверы платформы ARM требуют создания новых программных продуктов, включая серверные ОС и средства виртуализации.

В этом году ARM начала предпринимать активные шаги для создания экосистемы ПО, включая предложение инструментов программирования и сотрудничество с разработчиками программных продуктов. В планах ARM — налаживание партнерских отношений с разработчиками операционных систем и оптимизация различных продуктов для процессоров ARM в серверной среде. Кроме того, компания намерена переносить на платформу ARM имеющиеся программные продукты, что будет способствовать снижению стоимости разработки.

ARM надеется, что разработчики приложений обратят внимание на опытные образцы 64-разрядных серверов ARM. В этих серверах будут применяться процессоры X-Gene компании AppliedMicro. По данным последней, поставки таких процессоров, скорее всего, начнутся в конце 2012 года. К массовой продаже новых вычислительных платформ приступят в 2014 году, однако поначалу их объем будет, естественно, невелик.

Процессоры AppliedMicro обладают большей производительностью, чем 32-разрядные аналоги ARM от Calxeda и Marvell. Компания ARM планирует выпустить к концу года новые процессорные микроархитектуры Apollo и Atlas на базе ARMv8 — 64- и 32-разрядной.Готовятся и инструментальные средства для разработки ПО на платформе ОС Linux для ARMv8.

В августе ARM опубликовала пакет дополнений к ядру Linux, обеспечивающих поддержку набора инструкций ядра ARMv8. В настоящее время эти дополнения реализованы в ряде дистрибутивов Linux, включая Ubuntu. Специалисты Calxeda предлагают разработчикам помощь в создании приложений для 64-разрядных серверов ARM.

Российская компания «Эльбрус Технологии» разрабатывает решение, которое даст возможность переносить программное обеспечение для платформы x86 на серверы с процессорами архитектуры ARM. Система трансляции двоичного кода x86 в ARM позволит без изменений исполнять на серверах ARM приложения, скомпилированные для архитектуры x86. В первую очередь будет обеспечена поддержка серверов Linux и ПО для них, но в перспективе планируется реализовать и поддержку Windows.

Проект был начат весной текущего года, а готовность к бета-тестированию запланирована на середину следующего. Продукт предполагается выпустить в начале 2014 года. Кроме того, «Эльбрус-Технологии» работают над реализацией поддержки расширений Streaming SIMD Extensions (SSE) и MMX. Быстродействие транслированного кода составляет 45% от написанного специально для ARM, но конечная цель разработчиков — выйти на уровень не меньше 80%.

Что касается Microsoft, то, хотя дата выпуска версии Windows для 64-разрядных процессоров ARM пока не определена, в компании ARM утверждают, что работа над реализацией поддержки 64-разрядных архитектур ведется с партнерами — разработчиками программного обеспечения постоянно. ОС Windows RT устанавливается на планшеты с 32-разрядными процессорами производства Nvidia и Qualcomm. Однако появится ли версия Windows Server для платформы ARM и когда это произойдет, пока не ясно.

В ноябре к альянсу Linaro Enterprise Group, занимающемуся разработкой серверного варианта Linux для процессоров архитектуры ARM, присоединились компании AMD, Facebook, Red Hat, HP, AppliedMicro, Calxeda, Canonical, Marvell и другие. До этого в него входили ARM, HiSilicon, Samsung и ST-Ericsson. В первую очередь участники альянса намерены реализовать ядро и низкоуровневую архитектуру Linux, которыми смогут воспользоваться проектировщики SoC, поставщики дистрибутивов Linux и производители серверов. Первые результаты проекта обещано представить еще до конца этого года. Ранее Linaro и ARM разработали предварительный вариант Linux для архитектуры ARMv8.

AMD И DELL: ИГРА ПО-КРУПНОМУ

Участие AMD в данном альянсе не случайно. В октябре компания объявила о намерении разработать 64-разрядные процессоры на базе технологии ARM, и первый из них будет представлять собой высокоинтегрированную 64-разрядную многоядерную однокристальную систему (SoC), оптимизированную для энергоэффективных серверов и серверов высокой плотности, которые широко применяются в крупнейших ЦОД и используются для решения таких задач, как облачные вычисления. Процессор AMD Opteron на базе технологии ARM планируется выпустить в 2014 году. Он будет содержать высокопроизводительную суперкомпьютерную коммутирующую матрицу AMD SeaMicro Freedom.

Новая инициатива AMD призвана удовлетворить растущий спрос на средства поддержки с высоким уровнем производительности на ватт потребляемой энергии для облачных вычислительных решений высокой плотности. AMD создает экосистему с широкими возможностями выбора, предлагая решения, основанные на процессорах AMD Opteron x86, гибридных процессорах (Accelerated Processing Unit, APU) с применением архитектуры гетерогенных систем (Heterogeneous Systems Architecture, HSA) и новых 64-разрядных решений на базе ARM.

Партнерство с ARM рассматривается как следующий этап стратегии создания комбинированных решений для крупных ЦОД. В марте AMD приобрела компанию SeaMicro, производителя энергоэффективных серверов высокой плотности. Применение AMD SeaMicro Freedom с процессорами AMD Opteron на базе архитектур ARM и x86 позволит создавать энергоэффективные кластеры с сотнями связанных между собой процессоров.

В числе других компаний, разрабатывающих серверные чипы ARM, — Cavium и Nvidia. Последняя в рамках своего проекта Denver создает процессор на основе 64-разрядной архитектуры ARM. В результате появятся гибридные серверы, использующие графические процессоры в сочетании с процессором для ускорения вычислительных операций. Цель проекта — расширить спектр систем на базе ARM на серверы для ЦОД и суперкомпьютеры.

Первые опытные образцы 64-разрядных серверов ARM будут доступны для тестирования уже в этом году. Подтверждение тому — анонс компании Dell, создавшей прототип 64-разрядного сервера с процессором архитектуры ARM производства AppliedMicro. Ранее Dell уже тестировала серверы на базе 32-разрядных процессоров ARM от Marvell и Calxeda, но оборудование с 64-разрядным процессором ARM продемонстрировано ею впервые.

На конференции TechCon по процессорам ARM компания AppliedMicro постаралась проиллюстрировать возможности использования различных элементов экосистемы ARM. Программное обеспечение для тестирования на 64-разрядных серверах ARM уже разработано специалистами Red Hat и Cloudera. Соответствующую версию Java SE подготовила Oracle. А вот новый сервер Dell архитектуры ARM представляет собой опытный образец, и пока не ясно, когда компания начнет продавать системы, использующие технологию AppliedMicro. Dell продолжает экспериментировать с компонентами ARM от нескольких поставщиков.

В настоящее время усилия Dell сфокусированы не на выпуске готового продукта, а на формировании экосистемы — предоставлении разработчикам доступа к серверам ARM для создания и тестирования программного обеспечения. Применяемый в системе Dell процессор AppliedMicro X-Gene тоже является опытным образцом.

Партии X-Gene будут предоставлены заказчикам для тестирования в первой половине следующего года, а позднее, в 2013 году, появятся коммерческие продукты.

AppliedMicro разработала несколько эталонных архитектур серверов со своими процессорами. Они называются X-Memory, X-Compute, X-Storage и предназначены для разных приложений. Например, система X-Storage ориентирована на аналитические приложения наподобие Hadoop. Она включает в себя множество жестких дисков и одну серверную системную плату с процессорами X-Gene. Общая емкость системы составляет 36 Тбайт.

ЧТО ДАЛЬШЕ?

Рост рынка ЦОД открывает возможности для оптимизации вычислений с использованием самых разнообразных решений. По прогнозам IDC, к 2015 году архитектура ARM может завоевать уже 15% рынка микропроцессоров для ПК, однако в отрасли нет единого мнения относительно ее перспектив по поддержке серверных приложений.

Рынок серверов ARM находится в самом начале своего развития. По оценкам аналитиков, коммерческие 64-разрядные серверы ARM появятся лишь в 2014 году. Для этого необходима поддержка соответствующих аппаратных решений основными производителями ПО. Несмотря на преимущества архитектуры ARM перед x86 в сфере энергоэффективности, перенос на нее программного обеспечения может стать нетривиальной и очень дорогостоящей задачей. Вокруг ARM все еще не сложилась сильная экосистема. К тому же необходимость поддержки двух архитектур с разным набором команд может восприниматься заказчиками как непрактичное решение.

Впрочем, аналитики Forrester уверены, что после выпуска на рынок серверов архитектуры ARM программное обеспечение и приложения для них появятся быстро. Хотя перенос ПО на другую платформу потребует времени и усилий, для приложений Web 2.0 подобная архитектура может оказаться весьма подходящей. К тому же высокая производительность мощных процессоров x86 не нужна многим корпоративным приложениям (например, серверам Web, сетям доставки контента, виртуальным машинам Java), а исследования, проводимые в области параллельных вычислений, должны способствовать решению задачи эффективного распределения задачи между большим числом процессоров.

Доступные и экономичные процессоры помогут открыть новую эру в области создания приложений интеллектуального анализа данных и облачных сервисов. И если альтернативные архитектуры не смогут серьезно потеснить традиционные решения, они окажут заметное влияние на дальнейшее развитие процессоров и серверов.

Сергей Орлов — ведущий редактор «Журнала сетевых решений/LAN». С ним можно связаться по адресу: sorlov@lanmag.ru.