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ARM架構處理器的由來與優勢:從智慧型手機到超級電腦

ARM架構處理器是主流x86處理器架構以外的不同選擇,原本在行動裝置上穩居市占龍頭,如今,也逐漸在伺服器和資料中心產品中出現。技嘉科技是高性能伺服器產品的知名品牌,發表本篇《科技指南》文章,回顧ARM處理器的發展過程,介紹ARM產品的優勢與特性,並且推薦適用於不同領域的技嘉科技伺服器解決方案,協助您解決在工作上可能遇到的問題。
行動通訊技術快速發展,智慧型手機已成為生活中不可或缺的一部分,而行動裝置廣泛使用的「ARM處理器」,也逐漸跨入伺服器解決方案領域。舉例來說,聞名全球的「富岳」超級電腦,正是以ARM技術架構為基礎。即使ARM是好幾十年前就問世的產物,如果至今您還沒有機會進一步了解,這是很好的機會,一次弄清楚ARM的由來與優勢。

時光倒轉到1981年12月1日,英國廣播公司(BBC)推出BBC Micro家用電腦,早已消失在歷史洪流中的這台微型電腦,當時由艾康電腦公司(Acorn Computers)設計生產。1985年,艾康電腦開發出「ARM1」處理器,當時ARM是Acorn RISC Machine的縮寫,日後又改為Advanced RISC Machines的縮寫。由於ARM1和其所延伸出來的處理器產品(俗稱ARM處理器)採用RISC精簡指令集設計架構,ARM處理器的最大優勢,正是卓越的能源效率和更低的總體擁有成本(TCO)。回到現在,ARM處理器已經擺脫微型電腦,成為行動裝置普遍採用的電腦晶片,應該一點也不令人意外。《詞彙學習:常聽別人說精簡指令集電腦RISC,你知道那是什麼嗎?

過去十多年來,ARM處理器成為高效能運算(HPC)與雲端資料中心的秘密武器。2014年,日本理化學研究所攜手富士通,宣布開發「京」超級電腦的後繼機型,轉向著手研發A64FX高效能運算專用的ARM處理器,新的超級電腦命名為「富岳」,在2020年6月奪下超級電腦TOP500排名首位。由此可見,ARM處理器與HPC、雲端運算等先進技術應用完美接軌,提供突破性的運算威力。

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技嘉科技憑藉著在伺服器市場長年深耕的產品應用經驗和堅強的研發實力,在既有的x86架構伺服器產品線之外,從2013年開始投入ARM伺服器研發,並攜手ARM處理器業界領袖安培運算(Ampere Computing),推出一系列支援Ampere® Altra®與Ampere® Altra® Max的伺服器解決方案。ARM處理器的眾多優點,包括大量核心數大幅提升效能,低功耗與低廢熱特性,及絕佳的TCO,再加上ARM的雲端原生屬性,使得ARM處理器不但適合行動裝置,也將是雲端運算、邊緣運算和AI人工智慧應用的最佳助手。

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接下來的章節中,我們將簡單介紹ARM處理器的發展過程,並列出ARM產品的具體優勢,以及技嘉科技的全系列ARM伺服器產品,協助您做決定,是否在您的工作上適合使用ARM伺服器?
ARM:精簡指令集設計架構處理器的佼佼者
您知道嗎?人類透過相同的「語言」互相溝通,電腦亦同。

我們常聽到,現在主導伺服器與個人電腦的處理器架構叫做「x86」;所謂的「架構」,指的是「指令集架構(ISA)」,就是電腦最基本的語言,攸關所有程式設計,及電腦如何執行所接收的命令。不同公司推出的處理器產品,可能採用不同或相同的指令集架構,例如AMD和Intel都採用主流x86架構,也就是說,Intel系統能執行的作業系統或軟體,同樣能在AMD系統上執行。

一般來說,指令集架構可分類成早期的複雜指令集(CISC),包含x86;以及後期的精簡指令集,其中最顯眼的代表莫過於ARM。《詞彙學習:常聽別人說複雜指令集電腦CISC,你知道那是什麼嗎?

起源於1950到1970年代的複雜指令集,那時人們希望透過功能強大、一次可以做很多事情的指令,來降低使用組合語言進行軟體開發的成本,並節約珍貴的記憶體容量,因此,衍生了極度複雜的指令編碼長度、多樣化的資料定址模式和數量不足的資料暫存器。精簡指令集的誕生,萌芽於1980年代,人們開始重視處理器的效能與成本,因半導體製程的進步而容量逐漸充沛的記憶體,進一步推進高階程式語言編譯器的急速發展。

在這樣的背景下,艾康電腦創造了低耗能、生產成本低的ARM處理器,是這票精簡指令集風潮中的一員,而且時間證明,是其中最重要者。從1985年第一顆ARM1問世,到2021年的36年當中,全世界累積生產超過兩千億顆ARM處理器,超過所有其他處理器架構加起來的總和,這也讓ARM穩坐最普及指令集架構的寶座。

留意科技新聞的您,可能有注意到ARM的精采故事還在進行中。2016年,日本軟銀集團收購發展ARM相關技術的安謀控股(ARM Ltd.)。2020年9月,領導繪圖技術與人工智慧發展的GPU巨頭輝達Nvidia,宣布將以四百億美元的天價,從軟銀手上買下ARM,引起宣然大波,更引發各國政府監管機構的調查;最新消息報導,收購案宣布破局,安謀可能公開上市,這足以證明ARM帶給資訊產業界的驚人價值。《詞彙學習:花你一分鐘,一次看懂關於GPU圖形處理器
ARM處理器的獨特性與優點
在電腦工業歷史上出現過的精簡指令集有如過江之鯽,但為何ARM能如此獨樹一幟?進而成為現今最成功的指令集架構?ARM成為最常見的處理器類型,在人類生活中無所不在,背後的成功因素,不外乎是以下這四個原因:
● 更多核心數、效能功耗比更佳
處理器的核心數,不完全取決於所採用的指令集架構;不過,主流x86處理器搭載的核心,大多是設計較為複雜、數量較少的核心。ARM處理器的特色是,一顆處理器包含很多設計較為簡單的核心,例如一顆Ampere® Altra® Max CPU,最多可容納高達128顆核心。把運算工作分配給許多核心來處理,比把所有工作都交付給同樣幾顆處理器來得更有效率,也因此,ARM處理器每顆核心提供絕佳的效能功耗比(performance per watt)。
● 超高能源效率,解決散熱問題
一般而言,精簡指令集的能源效率優於複雜指令集,因為所採用的簡單指令,都可在一個時脈週期內完成。這表示晶片可使用較少量的電晶體,無須耗費大量電路去實做複雜的處理器控制單元或彌補不利於指令管線化與平行化的缺陷,可盡其所能地將電晶體「預算」砸在提升效能的刀口上。因此,ARM處理器的能源效率超高,所產出的廢熱也相對比較低,這對於行動裝置很重要,因為可提升續航力,放在口袋內的裝備當然也不能太燙!這些特性對伺服器也很有幫助,因為有效排除廢熱,可提升伺服器的效能與穩定性。

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以上這四個特色,是ARM處理器穩坐最普及指令集架構寶座的原因。原先只有智慧型手機、平板電腦等行動裝置受惠於ARM,如今資料中心的伺服器產品也開始導入ARM處理器,甚至有超級電腦使用ARM打破世界紀錄。
● 降低總體擁有成本,提高投報率
使用精簡指令集的ARM處理器,本身設計和製造方面較為便宜,因此深受廉價行動裝置所青睞。能源效率高、容易散熱等特性,也有助於降低使用ARM的總體擁有成本,尤其在用電量較高的伺服器機房或伺服器農場,如果改用ARM伺服器,也許可以降低營運成本。

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● 雲端原生特性
近年來,ARM處理器特別強調這個賣點,因為ARM長期被行動與邊緣運算裝置所使用,因此非常適合在雲端運算環境中使用。如今,有越來越多邊緣裝置和雲端的伺服器連線,如果伺服器同樣採用ARM指令集架構,將有助於降低裝置與裝置間溝通的延遲。因此我們看到,雖然x86架構並未從個人電腦與伺服器領域跨入行動裝置的領域,ARM卻成功採取「農村包圍城市」策略,從行動裝置反撲資料中心,如今已成為很有競爭力的另類選項。
適用雲端與邊緣的ARM架構伺服器與x86高度互補
介紹技嘉科技的ARM架構伺服器產品線之前,先討論一下「ARM vs. x86」這個議題。前面提到,今日主導企業IT架構與資料中心的x86伺服器,受益於Intel和AMD兩家公司在個人電腦市場的長期投入,其強項在於可縮短服務反應時間和密集資料處理的優異單執行緒效能,累積數十年的完整軟體生態系統,及適用於各類應用場域的通用特性。

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不過,從雲端到邊緣,都充滿了ARM架構伺服器大顯身手的發揮空間。對於講究核心數量、能源效率及可擴充性的領域,ARM伺服器可說是掌握主場,例如在5G、AI和深度學習等方面的應用。ARM軟體生態系目前可能落後x86,但已經在逐步建立當中,而在嶄新開發、尚未建構生態系的新領域,ARM在這方面可能不足之處,也較不構成問題。

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挑選技嘉科技ARM伺服器,部署嶄新應用領域
技嘉科技長期跟隨技術脈動,早在2013年開始投入ARM伺服器解決方案的技術研發,當時64位元版本的AArch64(或稱ARM64)剛問世不久,提供超越傳統32位元版本的運算效能。過去幾年,技嘉科技和其他ARM技術研發者建立良好的合作關係,更是在2019年,協助安培運算建立「雪山」平台(Mt. Snow)的CRB (Customer Reference Board),這是一台單插槽機架式伺服器,搭載含有八十顆64位元核心的單顆Ampere® Altra®處理器。技嘉長年建造ARM架構伺服器,並可利用所累積的經驗,依照不同使用情境迅速調整內部的零組件組合,發表全新伺服器款型,滿足不同垂直領域的應用需求。

2021年,技嘉科技發表超過十款ARM伺服器產品,可處理例行運算工作、講究圖形處理器GPU效能的工作負載、HPC叢集和超融合基礎架構(HCI)的應用,以及邊緣運算工作。如果看到這邊,您對於ARM感到興趣,想知道這些高效能、低TCO、能源效率佳、雲端原生的處理器能如何幫助您的工作,只要衡量您較常處理哪些運算工作,就能挑出最適合您的技嘉ARM架構伺服器。《詞彙學習:常聽別人說超融合基礎架構,你知道那是什麼嗎?
無論您較常處理邊緣運算、高密度運算、GPU運算或是一般例行運算工作,技嘉科技都有提供適合您的伺服器產品,將ARM處理器的眾多優勢與技嘉長年累積的伺服器科技研發經驗結合,保證滿足您的工作需求。
● R系列機架式伺服器
技嘉R系列機架式伺服器是資料中心的通才,適合各種不同需求,可用來達成效能、可靠性與彈性之間的理想平衡。搭載ARM處理器的R152-P30R152-P31R152-P32伺服器產品,符合1U(一個機架單位)的機殼規格,R272-P30R272-P31R272-P32R272-P33則符合2U機身規格。這些產品皆搭載單顆Ampere® Altra®處理器,提供十六條DIMM、兩條Gen4 M.2插槽、兩條1GbE LAN、專屬管理通訊埠,及PCIe Gen4擴充插槽。

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● G系列GPU協同運算伺服器
透過GPGPU加速卡,能輕鬆處理經優化的分散式運算工作,技嘉G系列GPU協同運算伺服器是這方面的專家,搭載ARM處理器的款型包括G242-P31G242-P32G242-P33G242-P34,透過異質運算,讓中央處理器和圖形處理器達成綜效。以G242-P31這款產品為例,2U機身內可容納高達四張NVIDIA ® A100 PCIe Gen4加速卡,還有一雙80+ Platinum 1600W (240V)電源供應器。G242-P32這款產品則是由輝達指定使用,包裝在NVIDIA Arm HPC Developer Kit解決方案當中。

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● H系列高密度伺服器
H262-P60是搭載ARM處理器的高密度伺服器,2U機身內含四個不同節點,支援高達八顆處理器。單一節點支援十六組DDR4記憶體插槽,傳輸速度最高達 3200MHz,此外還提供六組2.5吋SATA硬碟槽、一組M.2插槽、兩組半高半長插槽、一組OCP 3.0插槽、雙1GbE LAN連接埠,以及一組網路管理連接埠。系統內搭載機箱管理控制器(CMC),整合每個節點遠端管理晶片的資訊,實現機箱系統層級的管理與節點監控。H262-P60的額外特色,就是可搭載安培運算新推出的Ampere® Altra® Max處理器,單顆CPU容納高達128顆核心。

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● E系列邊緣運算伺服器
技嘉E252-P30E252-P31兩款產品,將ARM處理器的特殊優勢導入先進的邊緣運算領域。秘訣在於,這些伺服器的機身更輕巧短小,2U機殼經過改良,機身寬與高維持標準的439 x 86公厘,但長度從標準的660公厘以上,縮減到只有449公厘,同時保持技嘉一貫的高效能運算表現、平衡系統配置,及佳化的散熱效果。前置式I/O設計便於在狹小空間內保養與維修,機身各處有許多免工具的貼心設計,可輕鬆安裝及維護。

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北流、工研院和NVIDIA指定採用的技嘉5G邊緣運算解決方案

技嘉科技推出搭載Ampere® Altra®、Ampere® Altra® Max處理器的ARM伺服器產品,將ARM的獨特優勢導入機房和資料中心。提供多元化的伺服器解決方案,讓客人能依照實際需求來做挑選,符合技嘉科技「創新科技,美化人生」的企業宗旨。我們希望本篇《科技指南》有助於說明ARM的由來、ARM產品的特色,以及您能如何受惠於搭載ARM的伺服器解決方案。如果希望進一步了解ARM,歡迎透過server.grp@gigabyte.com電子信箱聯絡技嘉科技業務窗口,我們將協助您挑選適合您的ARM解決方案。

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