2018年，亞馬遜云科技發(fā)布基于Arm架構(gòu)的第一代 Graviton 芯片，為云計(jì)算廠商自研通用處理器開(kāi)創(chuàng)了先河。

隨后的數(shù)年中，越來(lái)越多云廠商已經(jīng)意識(shí)到，企業(yè)客戶對(duì)云上算力效能的追求永無(wú)止境，要滿足這種需求，只有從底層芯片開(kāi)始對(duì)算力進(jìn)行全面重塑。

而Graviton系列芯片也沒(méi)有停止自身前進(jìn)的腳步。在不久前舉行的2023 re:Invent峰會(huì)上，亞馬遜云科技發(fā)布了最新一代自研處理器Graviton4以及基于Graviton4的R8g實(shí)例。

相比上一代產(chǎn)品，Graviton4擁有更多的核心，更高的內(nèi)存帶寬，在性能和能效方面也有很大提升。

與此同時(shí)，Graviton4面向真實(shí)世界工作負(fù)載，而不是面向跑分的性能優(yōu)化，能真正提升用戶的實(shí)際使用體驗(yàn)。

截止到2023年年底，亞馬遜云科技用了200多萬(wàn)塊Graviton處理器，推出了150多個(gè)基于Graviton的云主機(jī)，有超過(guò)5萬(wàn)家用戶。

其中，前100大EC2用戶們，也都在用基于Graviton處理器的云主機(jī)。

總體而言，提升還是比較有誠(chéng)意的。

從公布的數(shù)據(jù)來(lái)看，Graviton4的計(jì)算性能整體比Graviton3提高了30%。其中，運(yùn)行MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的性能提高40%，運(yùn)行大型Java應(yīng)用的性能提高45%。

先來(lái)看看Graviton4的主要參數(shù)

一代到四代Graviton

從肉眼可見(jiàn)，Graviton4跟Graviton3一樣，都采用了Chiplet技術(shù)，Chiplet技術(shù)也是Arm非常推薦的技術(shù)路線。

亞馬遜云科技首席布道師Jeff Barr在博客中提到，Graviton4采用的是96個(gè)Neoverse V2核心，每個(gè)核心獨(dú)享2MB的L2緩存，內(nèi)存方面提供12個(gè)DDR5-5600通道。

對(duì)比之下，上一代Graviton3核心數(shù)是64，這次直接提升了50%。內(nèi)存帶寬從之前的307GB/s提高到了536.7GB/s，整體提高了75%以上。L2 Cache也從1MB提升到了2MB，這些對(duì)性能的提升有很大幫助。

Neoverse V2 核心也叫被稱作”Demeter”核心，它基于ARMv9架構(gòu)，主要面向HPC、云計(jì)算和超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)。

ARM官方數(shù)據(jù)宣稱，與基于ARMv8架構(gòu)的Neoverse V1核心相比，Neoverse V2 的IPC提升了40%。此前，Graviton3和Graviton3E采用的就是Neoverse V1核心的ARMv8架構(gòu)。

Graviton4面向真實(shí)世界工作負(fù)載而優(yōu)化

從Amazon EC2 副總裁David Brown的介紹中看到，Graviton的設(shè)計(jì)是面向?qū)嶋H工作負(fù)載而優(yōu)化的，而不是面向跑分而優(yōu)化的。

為了說(shuō)明什么是“為了實(shí)際工作負(fù)載而優(yōu)化”，他分享了這樣一張看似復(fù)雜，實(shí)際很簡(jiǎn)單的雷達(dá)圖。

雷達(dá)圖列舉了CPU微架構(gòu)中涉及的主要參數(shù)特性，具體又分成前端和后端兩大部分。

前端主要是指令相關(guān)的部分，而后端則是功能執(zhí)行單元為主。當(dāng)然，前后端之間還有指令控制器，負(fù)責(zé)把前端解碼出來(lái)的操作分發(fā)指令給執(zhí)行單元。

CPU微架構(gòu)需要前后端緊密協(xié)作。如果前端效率不高，會(huì)導(dǎo)致后端的執(zhí)行單元空等新指令，從而造成性能瓶頸。如果后端效率不高，執(zhí)行的速度太慢，新指令進(jìn)不來(lái)，那一樣會(huì)導(dǎo)致性能瓶頸。

雷達(dá)圖里還有數(shù)值，數(shù)值越小表示工作負(fù)載對(duì)該參數(shù)特性的依賴性越低，這意味著CPU的這一參數(shù)特征對(duì)整體性能的影響較小。

換句話說(shuō)，低數(shù)值表明處理器在該工作負(fù)載下更有效率，數(shù)值越高表示該工作負(fù)載對(duì)它的依賴更高。

有了這個(gè)雷達(dá)圖，就能讓CPU設(shè)計(jì)者面向?qū)嶋H工作負(fù)載做優(yōu)化，而不是按照基準(zhǔn)跑分測(cè)試的結(jié)果來(lái)優(yōu)化CPU。

上圖展示的是跑分測(cè)試時(shí)的一個(gè)情形，它會(huì)放大某些參數(shù)特性的影響。

比如這里看到L3緩存那一項(xiàng)的數(shù)值特別的高，這會(huì)導(dǎo)致Back-end Stalls的值很高。此時(shí)，后端不能再接受新的指令了，這將造成性能瓶頸。

這張圖右邊三個(gè)雷達(dá)圖展示的是Cassandra、Grovy以及Nginx，這三個(gè)應(yīng)用在處理真實(shí)世界工作負(fù)載時(shí)受不同參數(shù)特性影響的情況。

可以看得出來(lái)，這些應(yīng)用同時(shí)受到多個(gè)不同參數(shù)特性的影響。如果要對(duì)真實(shí)世界的工作負(fù)載做優(yōu)化，就是得想辦法降低這些數(shù)值。

比如，像Graviton4相對(duì)于Graviton3做的事兒一樣。

如上圖所示，Graviton4在運(yùn)行MySQL時(shí)，在多個(gè)維度上的數(shù)值都有所下降，最終帶來(lái)40%的性能提升。當(dāng)然，這跟內(nèi)存帶寬等規(guī)格的提升也有很大關(guān)系。

無(wú)論如何，最后這張雷達(dá)圖上展示的，就是Graviton4面向真實(shí)世界的工作負(fù)載優(yōu)化。

Graviton4首發(fā)護(hù)航的EC2云主機(jī)

除了規(guī)格的提升，面向真實(shí)世界工作負(fù)載的優(yōu)化，面對(duì)日益復(fù)雜的安全威脅，Graviton4在安全方面也有新內(nèi)容。

Graviton4不僅繼承了前一代處理器中的安全特性，還新增了加密的高速硬件接口來(lái)以保護(hù)數(shù)據(jù)的安全性和完整性。

同時(shí)，Graviton4還新增了分支目標(biāo)識(shí)別（BTI-Branch Target Identification ）功能，它可以用來(lái)確保代碼分支跳轉(zhuǎn)到正確的目標(biāo)地址，防止惡意軟件利用代碼中的跳轉(zhuǎn)指令跳轉(zhuǎn)到意圖以外的代碼段，從而提高系統(tǒng)的安全性。

與往年一樣，新的Graviton4處理器也帶著采用該處理器的新款EC2主機(jī)，相伴而來(lái)。

這次護(hù)航發(fā)布（預(yù)覽版）的首款EC2是R8g，R8g屬于內(nèi)存優(yōu)化型實(shí)例，相較于上一代的R7g，R8g的vCPU數(shù)量和內(nèi)存容量都提高了三倍。

這使得R8g在面對(duì)高性能數(shù)據(jù)庫(kù)，大數(shù)據(jù)分析等有大量數(shù)據(jù)集的場(chǎng)景時(shí)更有優(yōu)勢(shì)。R8g的發(fā)布給內(nèi)存敏感型負(fù)載提供了更高的性價(jià)比和能效表現(xiàn)。

2018年，亞馬遜云科技發(fā)布第一代自研Graviton處理器，亞馬遜云科技成了第一個(gè)開(kāi)發(fā)自研通用服務(wù)器處理器的云廠商，這也是Arm服務(wù)器陣營(yíng)重新站起來(lái)的標(biāo)志性事件。

早期用戶拿Graviton處理器運(yùn)行微服務(wù)和Web應(yīng)用，成本節(jié)省了很多，為了擴(kuò)大優(yōu)勢(shì)，后來(lái)又發(fā)布了性能更強(qiáng)的Graviton 2，再然后推出的Graviton 3在性能和能效方面的表現(xiàn)繼續(xù)提升。

其實(shí)，去年亞馬遜云科技還發(fā)布了Graviton3的升級(jí)版——Graviton3E，它主要優(yōu)化了在浮點(diǎn)運(yùn)算和向量運(yùn)算場(chǎng)景中的表現(xiàn)，這種都是高性能計(jì)算領(lǐng)域才比較關(guān)注的能力。

現(xiàn)在看來(lái)，2018年亞馬遜云科技發(fā)布的Graviton處理器以及對(duì)應(yīng)的云主機(jī)，確實(shí)給服務(wù)器市場(chǎng)帶來(lái)了很大影響。

如今，Graviton芯片的應(yīng)用范圍已經(jīng)極大拓展。這點(diǎn)從亞馬遜云科技TOP100 客戶也在使用 Graviton實(shí)例就可以看出。比如SAP在使用 Graviton 服務(wù)之后，將成本降低了35%，而且分析速度更快，同時(shí)減少了45%的碳排放量。

5年內(nèi)接連推出4代芯片的亞馬遜云科技，用Graviton探索出一條云廠商自研芯片的發(fā)展路徑：每一代芯片都帶來(lái)了更高的性能、更豐富的選擇和更低的成本，從而滿足企業(yè)對(duì)云上算力效能無(wú)止境的需求。