Servidores ARM: ¿Arquitectura de CPU móvil para centros de datos?

Estoy envejeciendo. En mi época, si quería un rendimiento de CPU de primer nivel, tenía que optar por un chip x86 de gama alta o, si tenía bolsillos más grandes, podía obtener algo exótico, como un sistema PowerPC. La dependencia de la industria de los procesadores x86 parecía estar aumentando, no disminuyendo.

Hace diez años, Apple se unió al club x86, y esto llevó a muchos observadores a concluir que la era de los procesadores que no son x86 en el mercado masivo había terminado. Solo unos años después, tuvieron que comerse sus palabras y, una vez más, Apple tuvo algo que ver con eso. Los servidores ARM están llegando y podrían revitalizar la industria de los servidores.

Repensar el diseño del procesador

A medida que el paradigma cambió y los usuarios principales adoptaron los teléfonos inteligentes y las tabletas, rápidamente se hizo evidente que los chips x86 de Intel, AMD y VIA simplemente no estaban a la altura. Si bien x86 fue el conjunto de instrucciones más prolífico del planeta, no fue una buena opción para dispositivos móviles por varias razones. De hecho, el conjunto de instrucciones de Intel aún no es una opción popular para los procesadores móviles, aunque esto está comenzando a cambiar gracias al liderazgo tecnológico de fundición de Intel. En cualquier caso, cuando se trata de este segmento de mercado, x86 no es tan eficiente como otras arquitecturas de CPU, es decir, procesadores basados ​​en conjuntos de instrucciones ARMv7 de 32 bits y ARMv8 de 64 bits de ARM.

Durante la última década, y especialmente durante los últimos cinco años, los procesadores ARM han llegado a dominar el panorama de los teléfonos inteligentes y las tabletas, y tenían mucho a su favor. Ofrecieron mucho rendimiento por vatio, fueron baratos de diseñar, producir e implementar. Los grandes proveedores podrían comprar los componentes básicos necesarios y diseñar sus propios procesadores basados ​​en ARMv7 o ARMv8, agregando otros componentes según sus necesidades (módems de alta velocidad y diferentes GPU, por nombrar algunos).

Esto llevó a algunos diseñadores de chips a adoptar un enfoque algo diferente y diseñar sus propios núcleos de CPU personalizados. Qualcomm y Apple lideraron el camino, ambas compañías se convirtieron en grandes actores en el mercado de sistemas en chip (SoC) móviles, y su desarrollo de núcleos sofisticados y personalizados jugó un papel fundamental en su éxito. Sin embargo, los núcleos ARM personalizados todavía se usaban en procesadores de gama alta, mientras que todos los demás segmentos del mercado estaban cubiertos por núcleos de CPU ARM Cortex estándar, como Cortex-A8, A9, A7 y A15 de 32 bits, seguidos por 64 bits. diseños como el Cortex-A53, A57 y el nuevo núcleo A72, que está a punto de comenzar a distribuirse.

El otro requisito previo para el éxito de ARM fue el fracaso de Microsoft.

Windows solo se ejecutaba en procesadores x86, por lo que si Microsoft se afianzara en los dispositivos móviles, inclinaría la balanza a favor de Intel. Sin embargo, al final de la última década, se hizo evidente que Redmond había dejado caer la pelota y había cedido este lucrativo mercado a Google y Apple. Hablando de pelotas, el antiguo director general de Microsoft, Steve Ballmer, dejó la empresa hace un par de años, admitiendo que él y su equipo no reconocieron el potencial de los teléfonos inteligentes y las tabletas. De todos modos, ya no es problema de Ballmer: tiene otras pelotas en mente en este momento, pelotas de baloncesto para ser exactos.

Sin embargo, los dispositivos móviles no son el primer ni el único segmento del mercado en presenciar una falla de Microsoft de proporciones épicas. El otro es el mercado de servidores. A primera vista, los teléfonos inteligentes y los centros de datos no tienen mucho en común, pero desde una perspectiva tecnológica y comercial, se superponen.

Ya sea que esté diseñando un teléfono inteligente o un servidor, debe enfatizar aspectos similares de su plataforma de hardware, como la eficiencia energética, las buenas temperaturas, el rendimiento por dólar, etc. Lo más importante es que realmente no necesita un procesador basado en x86 para teléfonos inteligentes y muchos tipos de servidores. Gracias a los fracasos de Microsoft, estos segmentos de mercado no están dominados por ningún tipo de Windows. En su lugar, confían en los sistemas operativos basados ​​en UNIX : Android, iOS y varias distribuciones de Linux.

Microsoft también intentó aprovechar el potencial de los procesadores ARM, por lo que intentó desarrollar una versión de Windows que se ejecutaría en hardware ARM, lo que me lleva al siguiente error de Microsoft: Windows RT. Microsoft finalmente desconectó Windows RT, o "Windows en ARM", como se llamó originalmente. Las últimas tabletas Surface de Microsoft emplean procesadores x64 y Windows 10 estándar. La línea de teléfonos inteligentes Lumia de Microsoft (antes Nokia Lumia) todavía usa procesadores ARM de House of Qualcomm, pero Windows Phone está casi muerto como una plataforma de teléfono inteligente convencional.

Los servidores no tienen que costar un BRAZO y una pierna

En este momento, tenemos un par de miles de millones de teléfonos inteligentes y tabletas, y la gran mayoría se basa en procesadores ARM. Sin embargo, los chips ARM no se están abriendo camino en otros segmentos del mercado. Solo hay un puñado de plataformas informáticas de alto volumen basadas en ARM que no entran en la categoría de teléfonos inteligentes y tabletas. Los Chromebooks de Google son probablemente el ejemplo más conocido. Sin embargo, los chips ARM se utilizan en muchos otros dispositivos: enrutadores, decodificadores y televisores inteligentes, relojes inteligentes, algunos dispositivos de juegos, sistemas de información y entretenimiento para automóviles, etc.

¿Qué pasa con los servidores ARM?

Aqui es donde se pone complicado. Escucho hablar de servidores ARM desde 2010, pero el progreso ha sido lento y limitado. La cuota de mercado de ARM en el segmento de servidores sigue siendo insignificante y el ecosistema sigue dominado por piezas x86 Xeon y Opteron de Intel y AMD, respectivamente. Dado que AMD está en un mundo de problemas en el frente de la CPU, Intel ha logrado ampliar su liderazgo en participación de mercado en los últimos años.

Pero, ¿por qué los servidores ARM parecían una buena idea para empezar?

Dinero. Podría intentar enumerar todos los puntos geek que hacen de ARM una alternativa viable a x86 en el mercado de servidores, pero al final del día se trata principalmente de dinero, así que intentaré explicarlo en unas pocas líneas.

• Precio/Rendimiento
• Las cargas de trabajo del centro de datos están evolucionando y cambiando
• Capacidad para obtener procesadores de varios proveedores
• Uso de chips diseñados a medida para varios nichos.
• Los chips ARM son más adecuados para algunas aplicaciones de infraestructura
• Es una buena manera de adherirse a Intel y erosionar su posición en el mercado (Intel está a punto de convertirse en un monopolio en el espacio de los servidores).

No necesitamos un procesador Xeon enorme y caro para todo. Además, el uso de procesadores x86 obsoletos para manejar cargas de trabajo poco exigentes no es una buena opción debido a su consumo de energía. Recuerde, estamos hablando de servidores, no de su MacBook o PC de escritorio. Los servidores funcionan las 24 horas del día, por lo que cada ganancia de eficiencia, incluidas las relativamente pequeñas, tiende a ser importante. No se trata solo de obtener una factura de electricidad más alta; Los centros de datos deben enfriarse y mantenerse, por lo que los procesadores con una calificación de potencia de diseño térmico (TDP) más baja son mucho más valiosos para los usuarios empresariales que para los usuarios individuales.

¿Por qué usar servidores ARM?

Entonces, ¿para qué tipo de aplicación empresarial son buenos los procesadores ARM?

Bueno, ARM espera obtener la gran mayoría de las ganancias de diseño para las aplicaciones de infraestructura de redes. Debido a su flexibilidad, tamaño pequeño, eficiencia y bajo precio, los procesadores ARM son una excelente opción para la infraestructura. Puede usar procesadores ARM en enrutadores, soluciones de almacenamiento de alto rendimiento y ciertos tipos de servidores.

Sin embargo, ARM espera que la mayor parte del crecimiento empresarial de esta década provenga de los servidores, ya que sus otros segmentos ya están maduros y tiene una buena participación de mercado en ellos. Las cargas de trabajo de los servidores también están cambiando y esta tendencia está ligada al crecimiento de los servicios en la nube. Como resultado, los servidores tienen que lidiar con un número cada vez mayor de tareas más pequeñas.

Muchas organizaciones prefieren mantener sus opciones abiertas, por lo que adquieren hardware de múltiples proveedores. Esta es una buena noticia para los procesadores de servidores ARM porque podrían ser comercializados por varias empresas diferentes. Además, las políticas de licencias de ARM y el enfoque modular para el diseño de procesadores se pueden utilizar para diseñar procesadores personalizados para aplicaciones específicas. Esto es, obviamente, algo que no es una opción para las pequeñas empresas, pero ¿qué podría pasar si los grandes jugadores como Amazon, Facebook o Google comienzan a pedir procesadores de servidor a medida, diseñados para sobresalir en una aplicación en particular?

En cuanto a "pegarse a Intel", debo señalar que no pretendo dañar a Intel, y no quiero que fracase o que sea expulsado de varios segmentos del mercado, pero al mismo tiempo me preocupa que El dominio de Intel podría terminar sofocando el crecimiento y la innovación. Más competencia debería resultar en precios más bajos para los usuarios finales, y de eso se tratan los servidores ARM.

Multiproceso: ¿Cuántos núcleos de CPU son suficientes?

Hace solo una década, los procesadores multinúcleo x86 estaban reservados para computadoras y servidores de alto rendimiento, pero ahora puede obtener chips x86 de cuatro núcleos en tabletas de $ 100.

En los primeros días de la computación multinúcleo, aún necesitaba grandes núcleos de CPU para obtener niveles adecuados de rendimiento. Gran parte del software no pudo aprovechar estos nuevos procesadores y sus núcleos adicionales, por lo que un buen rendimiento de un solo subproceso era vital. Seguro que las cosas han cambiado; hoy en día, tenemos teléfonos inteligentes de ocho núcleos, tabletas y teléfonos Intel de cuatro núcleos y procesadores de servidor x86 de 16 núcleos.

Hay una buena razón para esto. Construir un procesador multinúcleo tiene mucho sentido desde una perspectiva tecnológica y financiera. Es mucho más fácil distribuir la carga a unos pocos núcleos de CPU más pequeños y eficientes que desarrollar un único núcleo enorme capaz de funcionar a altas frecuencias. El enfoque multinúcleo garantiza una eficiencia y un rendimiento de chips superiores.

ARM tiene el potencial de llevar la locura central al siguiente nivel. Los núcleos de CPU ARM tienden a ser más pequeños que los llamados "núcleos grandes" de Intel utilizados en partes de servidores y computadoras de escritorio (los átomos de "núcleo pequeño" de Intel están reservados para dispositivos móviles, aunque también hay disponibles partes de servidor basadas en Atom). Sin embargo, esto no significa que vayamos a ver procesadores ARM de 128 o 256 núcleos en el corto plazo, aunque en teoría son posibles. Depende de cómo la nueva cosecha de procesadores de servidor ARMv8 maneje las cargas de subprocesos múltiples. Hay algunas señales alentadoras y es probable que los servidores ARM sean una buena opción para una variedad de cargas de trabajo que podrían beneficiarse de sus procesadores multinúcleo.

El primer procesador de servidor de Qualcomm tiene 24 núcleos de CPU ARMv8, y el fabricante de chips dejó en claro que los modelos futuros tendrán incluso más núcleos. ¿Recuerdas a AMD y sus problemas en el mercado de servidores? Bueno, la compañía presentó su procesador Opteron A1100 basado en ARM hace ya un par de semanas. Qualcomm hizo el anuncio en octubre, por lo que ambos productos estarán disponibles en los próximos meses.

Por supuesto, Intel no asistirá a esta fiesta ARM, pero Qualcomm y AMD no son los únicos equipos de chips que trabajan en chips empresariales basados ​​en ARM. Los fabricantes de chips como Broadcom, Calxeda, Cavium Networks y Huawei HiSilicon también han trabajado en productos de servidor basados ​​en ARM. Nvidia y Samsung, dos pesos pesados ​​en el negocio de SoC y GPU, también experimentaron con partes de servidor ARM hasta hace un par de años cuando decidieron detener el desarrollo. Texas Instruments, Xilinx y Marvell también están explorando las partes del servidor ARM.

Algunas de estas empresas también trabajaron en núcleos ARM personalizados, pero el único núcleo ARM personalizado de 64 bits que no es de Apple disponible en la actualidad es Denver de Nvidia, que solo obtuvo un puñado de victorias en diseño.

¿Qué son los núcleos personalizados de ARM?

Sé que la mayoría de las personas no se molestan en hacer un seguimiento de todos los nichos de la industria, incluido el espacio de la CPU, por lo que creo que ahora sería un buen momento para explicar qué hace que los núcleos ARM sean diferentes y qué son realmente los núcleos personalizados. No diseccionaré los procesadores ni explicaré la diferencia entre los conjuntos de instrucciones x86 y ARM, pero describiré las diferencias desde una perspectiva comercial.

Verá, ARM no es diferente solo porque usa un conjunto de instrucciones diferente, aunque eso sería una explicación rápida y geek, en mi opinión, la mayor diferencia entre Intel, AMD y ARM no es la arquitectura, es el modelo de negocio . Además, las arquitecturas cambian, los nuevos diseños de CPU se revelan regularmente, pero el enfoque de ARM para comercializar y otorgar licencias de su tecnología no ha cambiado en años.

Aquí hay un ejemplo simple.

Un procesador Intel es desarrollado por Intel, utilizando conjuntos de instrucciones de Intel. Se fabrica en una fundición de Intel, se empaqueta y se envía con la marca "Intel Inside" . Puede sonar simple, pero no olvidemos los miles de millones que se invirtieron en I+D durante décadas, o el hecho de que Intel depende de sus propias fábricas para la fabricación (y si está buscando una fundición de 14 nm en el mercado, asegúrese de tener algo de repuesto). cambio en usted, porque una fábrica de chips cuesta tanto como un portaaviones nuclear).

¿Qué pasa con los productos ARM? Bueno, ARM no es un fabricante de chips , es un diseñador de chips o una empresa de chips "fabless" , por lo que no se ocupa de la fabricación y no vende chips de marca propia. ARM vende algo mucho más interesante: propiedad intelectual . Esto significa que los clientes de ARM pueden elegir cualquiera de los diferentes planes de licencia y comenzar a hacer sus propios diseños. La mayoría elige los diseños internos de ARM (CPU de la serie Cortex, GPU de la serie Mali), por lo que pagan una tarifa de licencia por cada núcleo de CPU/GPU que producen.

Sin embargo, un cliente no tiene que licenciar estas CPU listas para usar; en su lugar, puede licenciar el conjunto de arquitectura y desarrollar un núcleo personalizado basado en un conjunto de instrucciones ARM . Esto es lo que hace Apple. Utiliza el conjunto de instrucciones ARMv8 para crear núcleos de CPU grandes y potentes de 64 bits para sus dispositivos iOS. La CPU Denver de Nvidia es similar en este aspecto, al igual que los núcleos personalizados de Qualcomm (las series Krait de 32 bits y Kryo de 64 bits).

Diseñar un núcleo de CPU personalizado no es fácil. No es como si encontrara diseñadores de chips sin trabajo y ofreciendo diseñar un procesador personalizado en Craigslist, por lo que este enfoque generalmente se reserva para los grandes jugadores que tienen los recursos técnicos, financieros y humanos necesarios para lograrlo. Por lo tanto, la mayoría de las empresas utilizan núcleos ARM Cortex listos para usar (el núcleo Cortex-A57 de 64 bits se puede emplear en un entorno de servidor y lo utilizan la mayoría de los procesadores de servidor ARM de última generación).

Es importante tener en cuenta que los chips basados ​​virtualmente en ARM están diseñados a medida, pero los núcleos de CPU utilizados en la mayoría no lo son .

La gran mayoría de los procesadores ARM se basan en diseños de CPU ARM estándar (CPU Cortex) en lugar de núcleos de CPU personalizados. Esto significa que los fabricantes de chips pueden elegir cualquiera de los núcleos de CPU ARM, GPU de terceros y otros componentes, y adaptar un procesador para satisfacer sus necesidades sin tener que desarrollar un núcleo de CPU personalizado. Es una forma económica de hacer que la arquitectura sea más flexible y tiene más que ver con las políticas de licencias de ARM que con la ingeniería.

También es importante tener en cuenta que estos próximos servidores ARM, basados ​​en la última arquitectura de CPU ARM de 64 bits, no tienen mucho en común con los servidores ARM experimentales de años pasados. Por ejemplo, uno de nuestros colegas jugó con los servidores Scaleway ARM, pero se basan en procesadores ARMv7 y tienen una serie de limitaciones de hardware (por ejemplo, Scaleway usaba controladores de E/S compartidos y la falta de soporte de 64 bits creó otro serie de desafíos). La nueva generación de servidores basados ​​en ARM no sufrirá estos problemas iniciales; están mucho más cerca del hardware de Intel en términos de características y estándares.

Pros y contras del servidor ARM

El problema con los servidores ARM es que tienden a usarse para nichos pequeños y no son adecuados para pequeños desarrolladores que pueden vivir con cualquier servidor. Si bien algunas grandes empresas los encuentran atractivos, los servidores ARM que están disponibles actualmente no son adecuados para la mayoría de los desarrolladores individuales.

Sin embargo, las próximas soluciones de servidor son diferentes y deberían atraer a más nichos. Esto es lo que podría hacerlos atractivos para una base de usuarios mucho más amplia:

• Costos de hardware reducidos, eficiencia potencialmente superior (rendimiento por dólar, rendimiento por vatio).
• Aumento de la compatibilidad y disponibilidad de puertos populares.
• Soporte para tecnología de punta y nuevos estándares de la industria.
• Capacidad para sobresalir en ciertos tipos de cargas de trabajo (cargas simples pero de subprocesos múltiples).
• Potencial para una mayor competencia y diversidad de productos que en el espacio x86.

Debo enfatizar que, en esta etapa, algunos de estos puntos son teóricos ya que el hardware aún no está disponible. Sin embargo, aunque no puedo decir categóricamente que sé lo que sucederá en los próximos trimestres, confío en que la nueva generación de servidores ARM brindará estos (y más) beneficios. ¿Por qué tengo tanta confianza? Bueno, si no tuvieran el potencial para marcar la diferencia, ARM, Qualcomm, AMD y otras compañías no estarían perdiendo el tiempo y gastando dinero en su desarrollo.

Entonces, ¿qué pasa con las desventajas del servidor ARM? Hay bastantes, y algunos de ellos son grandes. Afortunadamente, la industria está trabajando arduamente para abordarlos.

• Soporte de software impredecible
• Disponibilidad, posibles problemas de implementación
• Preocupaciones sobre el retorno de la inversión
• Pequeño ecosistema
• Los viejos hábitos tardan en morir

Los problemas relacionados con el software serán, probablemente, la mayor preocupación inmediata. Si bien muchos servicios populares se ejecutarán en servidores ARM, el soporte de software será un problema . No es suficiente simplemente portar cosas a nuevo hardware; tenemos que asegurarnos de que todo funcione correctamente para que no haya problemas o fallas en el rendimiento. En otras palabras, el software portado tiene que estar maduro. Nadie desarrollará e implementará un servicio construido sobre cimientos defectuosos.

Con todo el dinero que se gana en el mercado de servidores, uno esperaría ver un rápido progreso, pero no siempre es así. Adoptar nuevo hardware y ajustar todo el software que se ejecuta en él nunca es fácil, y el ritmo depende de la adopción del mercado. El tamaño del ecosistema de servidores ARM es (muy) limitado, y dudo que un par de procesadores nuevos hagan una gran diferencia a corto plazo. Si bien empresas influyentes como ARM y Qualcomm tienen un gran interés en ver un aumento en la demanda de servidores ARM, no hay mucho que puedan hacer con respecto al software. Casi no tienen influencia sobre los desarrolladores de software, por lo que no pueden obligarlos a agregar soporte ARM a los productos existentes.

Para resumir: mire bien su pila e intente averiguar si todo funcionará correctamente en el hardware ARM. Con suficiente tiempo, los desarrolladores comenzarán a agregar soporte para hardware ARM, pero este no será un proceso rápido. Tendrán que modificar los marcos y las aplicaciones para tener en cuenta una nueva arquitectura, y sospecho que muchos de ellos no se molestarán hasta que haya suficientes servidores ARM (lo que puede llevar años). El soporte para software heredado es otro problema obvio.

Esto nos lleva al siguiente punto: disponibilidad del mercado y posibles problemas de implementación. No hay tantos servidores ARM, por lo que las opciones son limitadas, al igual que la disponibilidad. Dentro de un año o dos, podríamos ver una serie de paquetes de alojamiento basados ​​en ARM en oferta, pero no veremos demasiados. Peor aún, es muy probable que estos servidores se concentren en ciertas partes del mundo, lo que los hace menos atractivos para algunos desarrolladores. Hay muchas incógnitas relacionadas con la implementación, por lo que aún es demasiado pronto para decir cómo funcionarán las cosas.

La adopción lenta podría crear otro conjunto de desafíos. Estos no están restringidos a servidores ARM; se aplican a la mayoría de la tecnología empresarial. Muchas organizaciones están obligadas a explorar la posibilidad de usar servidores ARM, pero eso no significa necesariamente que realmente los usarán. Para garantizar suficiente desarrollo y demanda de los consumidores, la adopción del mercado debe crecer de manera constante. De lo contrario, las personas adversas al riesgo probablemente se mantendrán alejadas y adoptarán el enfoque de esperar y ver. El otro problema potencial es económico: si los desarrolladores no están seguros de que el ecosistema está creciendo lo suficientemente rápido, podrían concluir que el retorno potencial simplemente no vale la pena.

¿Qué pasa con estos viejos hábitos? Bueno, dado que el espacio del servidor no evoluciona rápidamente, la gente tiende a ceñirse a las plataformas probadas, a saber, el hardware x86. El lema es simple: si no está roto, no lo arregles . Los veteranos de la industria podrían ver los servidores ARM como una oportunidad y apostar por ellos. Se necesitaría una gran cantidad de coraje y confianza para vincular parte de un proyecto complejo a lo que muchas personas aún perciben como una plataforma de hardware no probada o inmadura. Me temo que muchas personas no estarán dispuestas a dar el paso, al menos no tan pronto.

Futuro brillante y una pizca de exageración

Pasé la mayor parte de mi vida adulta cubriendo silicio de vanguardia, y mi opinión personal sobre los servidores ARM es que tienen mucho potencial, pero no son para todos . Podrían desempeñar un papel vital en la Internet del mañana al proporcionar componentes básicos económicos para la infraestructura y manejar las cargas de trabajo de los servidores de nicho.

Sin embargo, al mismo tiempo, no puedo evitar la sensación de que los servidores ARM tienden a estar sobrevalorados. A pesar de esto, no los veo como una moda pasajera. Creo que llegaron para quedarse, pero los proveedores deben crear algunos nichos específicos que realmente puedan beneficiarse de la nueva arquitectura.

En otras palabras, no veremos muchos servidores de alojamiento web LAMP simples basados ​​en ARM, pero podríamos ver muchos de ellos en nichos más exóticos (y algunos horriblemente aburridos). Los procesadores ARM podrían ser perfectos para cargas específicas, especialmente aquellas que pueden aprovechar una gran cantidad de pequeños núcleos físicos de CPU, cosas que no están vinculadas a la CPU. Puede que no parezca mucho, pero en realidad cubre muchos usos potenciales: registro de datos, grandes volúmenes de consultas simples, ciertos tipos de bases de datos, varios servicios de almacenamiento, etc.

Podría continuar, enumerando varios casos de uso, pros y contras de los servidores ARM y problemas potenciales, pero al final del día, sospecho que la adopción del servidor ARM dependerá del buen dinero de siempre. Dejando de lado la tecnología, los servidores ARM solo tendrán sentido si el componente económico se verifica. En otras palabras, tendrán que ofrecer mucho más por su dinero que los procesadores x86 si quieren justificar su existencia.

Dado que este es más o menos el objetivo de introducir esta nueva arquitectura en la industria de servidores, espero un precio atractivo, pero pasarán unos meses antes de que lo sepamos con certeza.