Amazon Graviton2

Amazon Graviton2 — это система на кристалле (SoC) на базе архитектуры ARM, разработанная компанией Amazon Web Services (AWS) специально для использования в собственных центрах обработки данных. Процессор является вторым поколением семейства Graviton и предназначен для обеспечения высокой производительности вычислений при сниженном энергопотреблении по сравнению с традиционными x86-процессорами.

История

Разработка процессоров Graviton началась в рамках стратегии AWS по снижению зависимости от поставщиков x86-решений (Intel и AMD) и оптимизации стоимости эксплуатации облачной инфраструктуры. Первое поколение, Graviton, было анонсировано в ноябре 2018 года и базировалось на ядрах Cortex-A72. Оно предназначалось в первую очередь для масштабируемых рабочих нагрузок, не требовательных к вычислительной мощности.

Второе поколение, Graviton2, было представлено в декабре 2019 года на конференции AWS re:Invent. В отличие от предшественника, Graviton2 использует собственные ядра AWS, разработанные на основе архитектуры ARM Neoverse N1. Процессор производится по 7-нанометровому техпроцессу компанией TSMC.

Архитектура и характеристики

Ядра и кэш-память

Graviton2 содержит 64 ядра Neoverse N1, каждое из которых имеет собственный кэш L1 (64 КБ для инструкций и 64 КБ для данных) и кэш L2 объёмом 1 МБ. Все ядра разделяют общий кэш L3, организованный в кольцевую топологию. Тактовая частота ядер составляет до 2,5 ГГц.

Память и ввод-вывод

Процессор поддерживает до 8 каналов памяти DDR4-3200, обеспечивая пропускную способность до 204 ГБ/с. Контроллер памяти использует технологию ECC (Error-Correcting Code) для повышения надёжности. Подсистема ввода-вывода включает 32 линии PCIe 4.0, что позволяет подключать высокоскоростные сетевые адаптеры и NVMe-накопители.

Энергопотребление

Благодаря архитектуре ARM и 7-нм техпроцессу, Graviton2 потребляет значительно меньше энергии, чем сопоставимые по производительности x86-процессоры. По данным AWS, энергоэффективность (соотношение производительности к потребляемой мощности) улучшена на 40–60% по сравнению с процессорами Intel Xeon Skylake.

Применение в облачных сервисах AWS

Graviton2 используется в нескольких семействах виртуальных машин AWS Elastic Compute Cloud (EC2), которые доступны в различных регионах мира.

Семейства инстансов

Все инстансы на Graviton2 поддерживают сетевые интерфейсы Elastic Network Adapter (ENA) и хранилище Elastic Block Store (EBS) с оптимизированной производительностью.

Поддерживаемые операционные системы

Инстансы на Graviton2 работают под управлением операционных систем, поддерживающих архитектуру ARM64:

• Amazon Linux 2 (оптимизированная версия)
• Red Hat Enterprise Linux (RHEL) 8.x
• Ubuntu 18.04 LTS и 20.04 LTS
• SUSE Linux Enterprise Server (SLES) 15
• FreeBSD 12.x и 13.x

Производительность

По результатам тестов AWS, Graviton2 демонстрирует до 40% более высокую производительность по сравнению с процессорами Intel Xeon Platinum 8259CL (Cascade Lake) в таких задачах, как:

• Веб-серверы (nginx, Apache)
• Базы данных (MySQL, PostgreSQL, MariaDB)
• Кэширование (Redis, Memcached)
• Обработка медиафайлов (кодирование видео, обработка изображений)
• Научные вычисления (линейная алгебра, моделирование)

Однако в задачах, требующих высокой однопоточной производительности или использующих специфические инструкции x86 (например, AVX-512), Graviton2 может уступать топовым x86-процессорам. Это ограничение частично компенсируется большим количеством ядер и оптимизацией программного обеспечения под ARM.

Экосистема и программное обеспечение

Для эффективного использования Graviton2 требуется адаптация программного обеспечения под архитектуру ARM64. AWS активно развивает инструменты для портирования:

• AWS Graviton2 Ready — программа сертификации партнёрских решений, гарантирующая совместимость.
• AWS Graviton2 Performance Runbook — руководство по оптимизации производительности.
• AWS CodeBuild — сервис непрерывной интеграции, поддерживающий сборку для ARM64.
• AWS Lambda — функция бессерверных вычислений, доступная на Graviton2 с 2021 года.

Крупные проекты с открытым исходным кодом, такие как Linux ядро, GCC, LLVM, OpenJDK, Node.js, Python, Ruby, PHP, Go, Rust, уже имеют стабильную поддержку ARM64.

Конкуренты и позиционирование

Graviton2 конкурирует с процессорами Intel Xeon (серии Cascade Lake и Ice Lake) и AMD EPYC (серии Rome и Milan) в сегменте облачных вычислений. Основные преимущества Graviton2 — более низкая стоимость за единицу производительности (до 20% дешевле по сравнению с x86-инстансами аналогичного класса) и лучшее энергопотребление.

Недостатками являются необходимость перекомпиляции приложений и ограниченная поддержка специализированного ПО (например, некоторых проприетарных баз данных или научных библиотек, оптимизированных под x86). Однако с ростом популярности ARM-серверов экосистема быстро расширяется.

Развитие и будущие поколения

В мае 2021 года AWS анонсировала третье поколение процессоров — Graviton3, которое использует 5-нм техпроцесс и ядра Neoverse V1. Graviton3 обеспечивает до 25% более высокую производительность по сравнению с Graviton2 и поддерживает инструкции bfloat16 для задач машинного обучения. В 2023 году было представлено четвёртое поколение — Graviton4, с 96 ядрами и улучшенной пропускной способностью памяти.

Критика

Основные критические замечания в адрес Graviton2 связаны с:

• Зависимостью от ARM-экосистемы — переход на ARM требует значительных усилий по портированию и тестированию существующего ПО.
• Ограниченной производительностью в однопоточных задачах — по сравнению с топовыми x86-процессорами, Graviton2 уступает в некоторых сценариях.
• Закрытостью архитектуры — AWS не раскрывает полные технические детали процессора, что затрудняет независимое тестирование и сравнение.

Тем не менее, для большинства облачных рабочих нагрузок Graviton2 является экономически эффективным решением, что подтверждается его широким внедрением в AWS.

Источники

• AWS re:Invent 2019 — анонс Graviton2
• Документация AWS EC2: инстансы на Graviton2
• Технический обзор ARM Neoverse N1
• Отчёты независимых тестов производительности (Phoronix, ServeTheHome)
• Страница AWS Graviton2 на официальном сайте