单线程性能提升超50%!Arm新款服务器CPU要靠单核打天下

低功耗处理器设计已经应用于超过1800亿颗芯片的Arm,两年前就开始探索边缘、云端及5G市场,并发布了Neoverse E系列处理器,Arm当时称到2021年这一系列处理器每年要实现30%的性能提升。2019年,第一代Neoverse N1推出,性能提升60%,是2018年提出的目标的两倍。

Arm在高性能计算市场是要靠单核与x86的多核竞争吗?

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冠状病毒广泛的宿主性以及自身基因组的结构特征使其在进化过程中易发生基因重组,呈现遗传多样性。D614G突变指的是新冠病毒的第614氨基酸位点 D(天冬氨酸)到 G(甘氨酸)的突变,位于S蛋白(图1)。D614G突变的病毒株常伴有5’UTR中的C到T突变(相对于MN908947.3基因组的241位),3037位的C到T突变;在14408位的C到T突变。包含这4个遗传连锁突变的单倍型现已成为全球优势形式,根据GISAID数据库公布的新冠病毒测序结果,发现携带该突变的病毒株主要归类于G型、GR型和GH型。

截止到目前,根据GISAID数据库上公布的所有新冠病毒基因组序列上一共发现了超过1万个不同位点突变,但D614G引起了广泛的关注。

据美国媒体的报道,詹姆斯抨击特朗普的言论是一种“政治把戏”。詹姆斯说,这是特朗普试图报复那些反对其政策的人。 詹姆斯还表示,如果特朗普选择拿民众的生命来玩政治游戏,那么特朗普政府将面临起诉。

英特尔和华为在高性能CPU市场即将迎来一战

Korber等在英国的COVID-19病例中发现感染G614突变体病毒的患者病毒RNA水平较高,但在住院结果上没有发现差异。有学者提出D614G突变和疾病死亡率(case fatality rates)有强相关性,但仍停留在统计学的关联分析。

软件生态方面,Arm关键的任务在于Arm的芯片级接口,这提供了设计系统层级解决方案的机会。Arm在CCIX与CXL投资,提供更好的互联技术,可以提供可扩展性的交换网,支持大量的处理器核。

Chris Bergey表示,关于新发布的V1和N2的更多细节会在之后公布。现在我们只知道V1和N2相比上一代N1的单核性能提升了超50%和40%。

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注:文中未单独注明图片来源的图片来自Arm

Arm架构芯片能未来能否覆盖从终端到边缘再到云端?现在看来,这种成功除了Arm的努力外,最终是否会被英伟达收购也成为了关键因素。

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雷锋网此前报道,亚马逊、Marvell都已经将Arm架构应用于云端,亚马逊推出了Arm架构的服务器处理器Graviton2,Marvell也推出了基于Arm架构定制的ThunderX3处理器,华为海思也推出了基于Neoverse N1设计的鲲鹏系列服务器。

但想要真正撼动x86在云端CPU市场的地位,Arm还有很长的路要走。Chris Bergey对雷锋网(公众号:雷锋网)表示:“Arm在云端市场最大的挑战还是时间。我们看到很多数据中心的客户对转向Arm有巨大的兴趣。但从Arm的IP到芯片设计,到最后能够在数据中心部署,再到软件生态系统的支持,仍需要一定的时间以及很多产业链合作伙伴一起努力。”

Neoverse N2有些特殊,因为它代表下一代Cortex-A的设计,也就是与Cortex-X1同期发布的A78的后续产品,这或许也是Neoverse N2的技术细节现在还不能公布的关键原因。为了更直观的说明Cortex与Neoverse产品线之间的关系,外媒AnandTech制作的一张图能够帮助大家更好地理解。

为什么如此关注D614G突变病毒株?

Neoverse V1可以看作是Cortex-X1的同级设计,两款旗舰CPU可能共享许多超大型内核结构。Cortex-X1是今年5月份发布的新品,同样追求最大性能。

为什么Neoverse CPU如此强调单核性能?Chris Bergey解释:“我们认为云服务厂商会更倾向选择单线程处理器核,因为接近度、安全性、多租户等特性可以为他们带来更好的经济性,这也是我们的产品聚焦单线程技术的原因。当然,Neoverse E1也支持同步多线程(SMT)技术。”

当然,Neoverse是面向从个云端到边缘的市场。Chris Bergey也指出,Arm的机遇其实包括了云原生软件的支持,以及协助客户通过定制化的形式克服摩尔定律减速带来的挑战等。

13日,美国总统特朗普在新闻发布会上称,新冠肺炎疫苗将于明年4月在全美范围内提供,但纽约州除外。而纽约州州长安德鲁·科莫之前说,不相信联邦政府关于疫苗安全性的说法。报道说,特朗普指责纽约州方面将政治因素掺杂在疫苗相关事宜中。而科莫说,对联邦政府没有信心,会成立独立团队对疫苗进行检测,不会减缓疫苗的分发。

Arm基础设施事业部高级副总裁兼总经理 Chris Bergey接受雷锋网采访时表示:“SVE在加速HPC高性能计算领域或者是机器学习工作方面表现高效,同时它对软件开发者非常友好,不需要管矢量的位宽是多少。未来我们会把SVE技术运用到除N2和V1之外的一系列核上面。”

Neoverse系列发布两年之后,已经拥有了E系列、N系列、V系列三大系列。Neoverse N系列同时考虑了性能、功率、面积(PPA),擅长可扩展;V系列旨在提供最佳性能,相对而言会消耗更多面积和功耗;E系列主要关注效率,在功耗和面积的缩减上进行优化。

也就是说,同一时期的Cortex和Neoverse产品之间存在相似之处。比如,Neoverse N1是和Cortex-A76是同期开发,这两个微体系结构有很多相似之处。

携带D614G突变的新冠病毒株“毒性”更强么?

Arm承诺,Neoverse系列CPU的性能每年会提升30%,这种提升会持续到2021年。Chris Bergey说:“这当然与Arm工程团队的努力和投入是分不开的,我认为与软件生态的逐渐成熟有更大的关系,例如很多云原生的软件现在可以比较无缝地运行在Arm架构上面。”

D614G突变会影响现在的检测、治疗和疫苗研究么?

G614出现频率的增加是否必然与传播性增加相关呢?不一定!还可能是与大流行的流行病学偶然性来解释的。2月份以后,中国疫情得到控制,欧洲病例成为世界主流,3月份美国病例又成为主流,美国的绝大多数SARS-CoV-2世系来自欧洲。病毒分型是否能在一个地区建立起来,不仅与传播有关,还与它们被引入的次数有关。

因此,中国在国内防控稳定之后,加强对于输入的防控,在G614成为全球多数变种的这段时间里, 以D614仍占主导地位的中国由于控制了输入性病例的传播,病毒引进数量在急剧下降。虽然这次北京疫情中发现了这个D614G突变株,但是由于采取了迅速果断的防控措施,使得G614的病毒失去了在中国大幅度扩增的机会。同时,中国的抗疫工作取得了巨大的成果,导致D614病毒株在国内传播有效控制,在世界上的比例越来越小,D614G突变病毒株在欧洲和美洲传播过程中没有其他竞争对手,导致了一家独大的现状。

撰写:张怡,姜宁,张文宏

另外,Arm Project Cassini是希望通过标准、平台安全性与参考实施,对软件开发者友好,让行业合作伙伴能够在基于Arm的平台上部署装机即用。

Arm本周发布的另一款新产品Neoverse N2面向5nm工艺设计,支持PCIe 5.0和DDR5,通过支持用于高带宽存储器的HBM3以及用于结构的CCIX 2.0和CXL 2.0来进一步扩展。可支持从8核心,20W到192核心350W的设计,横跨云、智能网卡(SmartNICs)、企业网络到功耗受限的边缘设备的高可扩展性平台。

携带D614G突变的病毒株在2月才首次被发现,但不是在全球范围内同时爆发出现,D614G变异早期出现在欧洲,当时只占到全球新冠病毒测序序列的10%不到,然后才不断扩散传播到北美洲、大洋洲、南美洲以及亚洲,经过4个多月的传播,成为目前传播的主要基因型。这一现象是因为该突变改变了刺突蛋白的活性,提高了病毒的“攻击性”和“传播性”,进而让病毒更加容易入侵人体细胞么?

他还给出了一张图表,X轴代表芯片级性能,Y轴代表每线程性能,从图表中可以看到,相比传统的英特尔和AMD服务器CPU,Neoverse的单核及芯片级性能都超过了市场上的产品。

什么是D614G突变?

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后续在该篇cell发表的文章中,同样用体外感染实验后计算病毒载量发现D614G突变体病毒载量更高。另外,多个团队在人肺上皮细胞、hACE2细胞中发现D614G突变的感染能力增强。

作为最新发布的产品系列,V系列更加追求性能,因此Neoverse V1是面向7nm和5nm设计,并且率先支持可伸缩矢量扩展(SVE ,Scalable Vector Extensions)。SVE可基于未知宽度向量单元的软件编程模型,执行单指令流多数据流(SIMD)整数、bfloat16、浮点指令。

1)传播范围、数量以及占比方面:今年3月份之前,携带有这个突变的各型病毒株还远没有成为全球主流,仅占全球所公布的病毒株测序序列的不到10%。在欧洲最早发现后不断扩散传播到北美洲、大洋洲、南美洲以及亚洲,整个3月,这个数字猛增到了60%-70%。截止到6月底已经超过90%。 因此,携带有这个突变的病毒株已经成为了传播的主要基因型(图2)。

业内有观点认为,Arm在云端市场要成功的一个关键就是满足大型互联网公司和云服务提供商的定制化需求。

核酸检测上目前推荐选用针对新型冠状病毒的开放读码框1ab(open reading frame,ORF1ab)、核壳蛋白(nucleoprotein,N)基因区域的引物和探针。根据WHO指南,2019-nCoV引物和探针组设计中N3用于通用检测SARS样冠状病毒,N1和N2用于特异性检测SARS-CoV-2,因此 D614G突变不影响病毒的核酸检测。

另外,目前没有证据表明D614G突变会干扰治疗策略,如设计破坏与ACE2的spike结合的单克隆抗体的药物。然而,在我们更好地理解D614G在自然感染SARS-CoV-2中的作用之前,任何疫苗或治疗设计都应该考虑到该突变的存在和可能的影响。

在对基础设施的基础软件包括操作系统、虚拟机管理程序支持方面,Xen、KVM、Docker容器以及越来越多的Kubernetes已经陆续宣布支持Arm架构。许多初期由Arm推动的开源项目正在变得自主运转,商用ISV应用程序也齐步演进。

图3(图片源自网络)

Arm在手机CPU市场持续更新的架构与Neoverse性能的持续提升显然有着密不可分的关系。Chris Bergey表示,“我们在Cortex的基础上,针对基础设施领域所要求的功能做了进一步的增添或提升,并且打造最合适超多核设备的功耗与性能,包括核之间的互联等优化工作。”

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但Cell杂志同期发表的评论性文章指出,的确带有D614G变异的新冠病毒在全球范围内成为了统治性传播的病毒株,同时也给出了支持D614G变异病毒提升新冠病毒感染细胞能力细胞实验结果。 但D614G变异是否会增强新冠病毒感染人的能力和毒性,目前仍然不能确定,需要更多的临床数据支撑。这些检测没有考虑其他病毒或宿主蛋白质的影响,以及宿主和病原体之间相互作用等来支持感染和传播。

首先,不能单用病毒RNA载量来衡量疾病严重程度,无症状感染者中也存在高滴度病毒,并且以上分析均为关联统计学分析,无明确证据。同时, 目前的证据提示,D614G对COVID-19的重要性低于其他风险因素,如年龄或其他基础疾病。因此,目前证据无法证实D614G突变病毒株的毒性更强。

为何D614G脱颖而出,席卷全球?

同时,V1还支持PCIe 5.0连接、DDR5、HBM2e和CCIX 1.0,可实现插槽之间的芯片与封装内小芯片之间的双向一致性通信。

在新冠病毒的突变中,D614G突变的病毒株由于其的传播及潜在功能“脱颖而出”,然而病毒株持续在变异, 目前尚无充分证据证明D614G突变的病毒株的感染性,毒性有加强,尚未观测到对疫苗和检测的重要影响,后续需要更多实验验证和监测变异的现象。

2)潜在功能方面:D614G突变是一个错译突变(改变氨基酸的变异),而且该突变位于新冠病毒的刺突蛋白(spike protein,S蛋白)上( 图3),该蛋白是新冠病毒入侵人体细胞的核心武器,也是目前许多疫苗和疗法所重点针对的目标。因此,刺突蛋白上的突变更容易吸引众多研究人员的注意—这些突变可能会改变刺突蛋白的结构、性质和活力,进而让病毒更加容易入侵人体细胞。

作者张怡为华山医院感染科硕士研究生,姜宁为复旦大学生命科学学院博士,张文宏为华山医院感染科主任。

以Arm架构为基础的日本富岳(Fugaku)超级计算机就使用了512位的SVE的技术,它不仅是全球最快的超算,也是最新Green500榜单排名第四的超算。

刺突蛋白的受体结合区域(RBD)是目前许多疫苗和疗法所重点针对的目标,D614G并不位于RBD区域。同时,自然感染含有D614或G614的病毒产生的抗体可以交叉中和,因此目前来看, D614G突变不太可能对目前正在研制的疫苗的疗效产生重大影响。

“在异构计算里,Arm有一个很大的机遇,就是我们如何提供紧耦合或是定制化的能力,甚至是通过多核封装或多芯片组装技术,将来自生态系统、IP技术与云厂商的需求与技术整合在一起。” Chris Bergey说,对于没有很强设计经验的客户而言,他们更倾向于选择Neoverse核。

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