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攝影/余至浩

近兩年,企業x86伺服器處理器技術進展有了很大躍進,不論是先進製程技術的革新,或是在處理效能方面都有大幅度的提升,尤其,為了因應全球資料中心為主的高效能運算、雲端與AI運算任務所需,相較於傳統CPU,新一代CPU對於處理效能有著更高的運算力要求,因此,催生出了這一類具備超多核心、兼具更高效能的新一代CPU,更加遽企業伺服器市場的競爭態勢,開始進入超多核心處理器競爭的時代。

有別傳統通用伺服器,現在越來越多企業資料中心配備的伺服器,都要求須具備能夠應付更高度複雜處理的運算工作的能力,甚至更多是得具備AI執行處理能力,而要提高運算力最直接的一種方式,就是增加處理器的核心數目,來打造超多核心、兼具更高效能的CPU,同時可以分工執行一個或多個複雜的運算工作,用以支撐企業資料中心更高運算架構需求。

因此,這些新推出的伺服器配置的CPU,少說都是由數十個以上的超多核心組成,利用多核平行運算能力,來加快程式執行的速度,進而讓傳統單臺單路伺服器,也能具備有以往需兩臺或多臺單路伺服器組成的運算叢集,或更高階的多路伺服器才能具有的更高運算效能,用於處理需要多工執行的密集運算工作。

而目前在超多核心處理器競爭的處理器大廠主要有兩家,分別是英特爾與AMD。儘管,英特爾現今仍以高達9成5的市占,穩坐x86處理器龍頭寶座,但是兩年前重返伺服器市場的AMD正逐步迎頭趕上,關鍵就在於超多核心處理器的推出。

伺服器CPU核心的演進,從最早的單核、雙核、四核到3年前多核的10核心以上,大約歷經10多年發展,但是近兩年,新CPU設計,不只在核心數快速増加,甚至更翻倍成長,以AMD EPYC處理器為例,兩年前已能提供32核心,新一代更翻倍提高到64核心,也讓伺服器CPU性能競爭更加白熱化,從原本多核心跨入超多核心。

 

AMD在兩年前率先推出第一款擁有高達32核心的x86伺服器CPU,刷新了當年由英特爾所保有的最多24核心的記錄,靠著在CPU晶片設計上整合單晶片設計,同時搭配全新的CCX核心模組打造其稱之為Zen架構的新一代CPU,來提高運算執行效能,使得AMD單顆CPU核心數,比競爭對手英特爾同級規格最高 Xeon E5  CPU產品還高出10個。甚至也比使用在2路的Xeon E5伺服器,能夠支援更多高速I/O,與提供更大容量的記憶體頻寬。

AMD這款超多核心CPU產品EPYC,在2017年一推出便很快在市場上打響名號,不只雲端大廠,如Azure、AWS,就連傳統企業資料庫巨頭甲骨文也都採用,用它來提供雲端VM租用服務。接著,還有更多的伺服器與網通硬體商加入,如HPE、Dell、思科等,合計推出多達60款採用EPYC硬體的伺服器、網通等設備。

甚至,也因為看上AMD超多核心的CPU優勢特性,後來更有美國能源部、橡樹嶺國家實驗室等大型國家研究機構,將它用於接下來幾年打造新一代超級電腦,一旦完成的話,預期其處理效能,將會是目前全球排名第一名美國超級電腦Summit處理效能(Summit運算效能可達148.6 petaflops))的10倍多,將高達1.5 exaflops 。

不只是架構上的革新,隔年,AMD更展示出一款代號為Rome的第二代EPYC處理器的性能,核心數更是翻倍,達到了有史以來超多的64核心,更將伺服器CPU製程技術帶進更小晶片尺寸的7奈米級的先進製程設計,從原先的14奈米提升到更先進的7奈米製程,這也意謂著,製造技術難度更上一層樓,甚至為了能夠容納更多核心數,這代處理器架構也經過大改造,以更小型的晶片模組式設計,改在晶片兩側設計各4組合計8個7奈米的CPU小晶片模組(AMD稱之為chiplet)  ,每個模組小晶片最多可以容納8個核心,再通過晶片中間高速互連網路設計的一個14奈米的I/O die互連,藉此來達到具備超多核心處理器的架構設計。

採用新的Zen2超多核心架構,AMD表示,除了讓新款EPYC處理效能獲得翻倍提升,連帶也將使得CPU每時脈周期(IPC)指令執行速度,能比前代提高多達15%,與獲得翻倍的浮點運算效能的提升。AMD執行長蘇姿丰在最近一場主持的財報電話會議上,也預告新款EPYC CPU產品,預計將於8月舊金山舉行的產品發表會推出上市。

靠著採用更先進製程與全新架構推出的超多核心CPU,兩年下來,不只替AMD中止連年虧損,從2017年逐漸轉虧為盈,也幫助長年在伺服器市場競爭始終落後的AMD,在伺服器市場重新站穩腳步,從原先不到1%的全球市占,提升到了如今的近5%,回到與英特爾的競爭行列。AMD更誇下豪語,目標數年內要超越當年全盛時期的27%市占。這也逼得英特爾不得不調整策略,推出更多核心的高效能CPU產品來迎戰。

除了先前以HPC應用為主、主打超多核心協同處理器的Xeon Phi產品線,英特爾近來也針對自家新一代Xeon Scalable系列處理器,持續採用新設計或優化架構,替CPU加入更多核心數,從而提高處理效能, 從原先2017年推出的第一代Xeon Scalable系列處理器,當時CPU核心數最多只到28核心,到了今年上半推出同樣採用14奈米製程生產的第二代Xeon Scalable處理器時,核心數則有了翻倍成長,最多達到了56核心,直逼AMD新款EPYC處理器的核心數,更具備比前一代更強大運算效能,甚至,明年英特爾採用10奈米的伺服器處理器也將問世。

儘管,目前AMD伺服器CPU市占,仍遠低於英特爾,但是隨著企業伺服器市場的競爭,開始進入超多核心處理器競爭的時代,也吹響了AMD反攻的號角。

然而,隨著在處理器內加入更多核心,也將挑戰現有的伺服器處理器架構,如何讓這些超多核心之間能夠穩定協同運作,同時帶來更高處理效能的表現,以滿足企業資料中心各種複雜應用的需求,將是未來設計新一代超多核心CPU所要面對的大挑戰。


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