Marvell ThunderX3處理器解析：96核心384線程、ARM芯片之王

長久以來，服務器、數據中心領域一直是x86 CPU架構的天下，但是隨着市場需求、應用負載的多元化，隨着雲計算、邊緣計算、高性能計算的不斷演進，RISC-V、ARM等架構也都迎來了新的爆發機遇，尤其是ARM，眾多巨頭紛紛參與，生態建設也是如火如荼。

比如最近，亞馬遜就發佈了ARM架構的64核心Graviton2，安晟培(Ampere)則推出了80核心的Altra。現在，Mavell(美滿電子)奉上了第三代ARM芯片“ThunderX3”。

Marvell的大名很多人可能不太熟悉，但這家歷史悠久的半導體企業其實隨時都在你身邊，比如機械硬盤主控，絕大部分都出自Marvell的手筆，SSD主控也有豐富的產品。

Marvell成立於1995年，總部位於美國加州聖克拉拉，在美國、以色列、印度、德國、中國都設有研發中心，全球員工超過5000人，全球專利超過1萬件，2020財年收入27億美元，核心業務覆蓋存儲、網絡、計算三大領域，特別是擁有超過15年的高性能多核心CPU研發經驗。

Mavell旗下擁有完整的CPU處理器產品線，包括Armada、Octeon TX、Octeon Fusion、ThunderX四大系列，尤其是已經悄然成為全球最大的ARM服務器處理器供應商，應用範圍、生態支持都獨步全球，累計出貨量已突破1億顆。

2017年，Marvell還以約60億美元的價格收購了美國無工廠半導體企業Cavium(凱為半導體)，進一步增強了ARM平台的設計能力。

既然有了成熟的x86，為何要大力推廣ARM？它有什麼吸引整個行業的呢？

Marvell認為，在架構、工藝、性能、能效、生態等多個方面，ARM都展現出了更優秀的品質，雖然不會也不能全方位取代x86，但是在部分特定領域，尤其是雲計算、高性能計算等，已經明顯超越x86。

架構方面，x86一直是一個架構打天下，從服務器數據中心到桌面筆記本消費級，都基於同一個架構衍生不同的產品，缺乏靈活性，尤其是在並行處理方面，而且規模越做越大，也導致成本、功耗越來越無法滿足需求。

工藝方面，Intel已經失去了領導地位，至強系列至今還是14nm，AMD雖然走到了7nm，但又在架構上“取巧”使用chiplet多芯片誰家，導致內存帶寬、內存延遲明顯不足，ARM方面則跟着台積電一路走到了7nm，並即將進入5nm。

性能和能效方面，Marvell認為ARM架構的單線程性能已經是一流水準，多線程和平台性能更是遙遙領先，內存帶寬、延遲同樣優秀，而且功耗低、能效高。

生態方面，x86雖然歷史悠久，但負擔也很重，比如考慮各種歷史甚至是消費級兼容性，ARM則沒有過多拖累，架構直接為服務器優化而生。

同時，軟硬件行業對ARM的支持也越來越豐富，比如Marvell ThunderX2已經被20多家終端客户部署在大規模雲計算、高性能計算市場，包括微軟Azure、HPE、Cray、Atos、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、桑迪亞國家實驗室、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室、布里斯托大學、萊徹斯特大學等等。

甚至，Intel的一些軟硬件技術同樣支持ARM平台，NVIDIA、AMD GPU同樣也支持。

接下來説説具體產品。Marvell ThunderX系列嚴格遵循每兩年升級一代的路線圖，ThunerX2系列誕生於2018年，而在今天的主角ThunerX3之後，2022年還將看到ThunerX4，工藝也是一路升級，28nm、16nm、7nm……

ThunerX3採用台積電7nm DUV工藝製造，基於Marvell自主研發架構，指令集兼容ARM v8.3 ，最多96個核心，而且繼續支持4線程，也就是最多384個線程，是上一代的整整三倍，而且支持雙路並行，此時單系統可提供128個核心、768個線程。

同時，頻率方面基準最高2.4GHz，最高加速3.1GHz，比上代還提高了100MHz。

新的內核集成四個128-bit Neon SIMD單元，就寬度而言等效於一個x86 AVX-512，從而大大提高了浮點性能。Intel至強最高端型號兩個，AMD霄龍則是每核心兩個256-bit SIMD單元，基本等效。

內存支持八通道DDR4，頻率達3200MHz，並支持64條PCIe 4.0(16個控制器)，比上代PCIe 3.0更進一步而且增加了8條通道，未來還會隨着PCIe 5.0/6.0標準的演進而升級。

當然了，企業級的RAS、虛擬化這些都是必不可少的元素。

接下來説説性能，當然都是來自Marvell官方的數據，而且具體性能表現取決於特定的工作負載。

綜合性能方面，ThunderX3對比上代IPC(每時鐘週期指令數)性能提升超過25％，基本可視為架構本身的進步幅度，而結合更高的運行頻率，單核心性能提升超過60％，再加上大大增加的核心數，整體性能提升可以超過3倍！

對比x86雙雄，ThunderX3的優勢不在於絕對性能，而是更好的能效，相比於AMD Rome二代霄龍可高出30％，對比Intel二代可擴展至強更是領先多達1.2倍。

ThunderX3並不貪大求全，主攻市場只有兩個，一是雲計算，包括大數據、數據庫、流媒體、Web、搜索、存儲、移動應用開發、手遊等等，其高度並行、豐富I/O、超低延遲、ARM原生都是獨特優勢。

性能方面，單核心四線程可以帶來可觀的性能提升，常見應用中最多可以提升達80％，特定負載下甚至能見到3-4倍的提升。

對比AMD二代霄龍、Intel二代可擴展至強，ThunderX3在雲端也毫不示弱，所服務的領域內已經全面勝出，而且延遲更低，而且支持更多數量的虛擬機。

第二個主攻方向就是高性能計算，包括政府部門、天氣預報、油氣勘探、計算機輔助工程、生物基因、電子設計自動化等，高內存帶寬、高能效、高並行性的特點可以説非常適合。

對比兩家x86方案， ThunderX3在浮點、內存帶寬指標以及量子化學、計算流體動力學、計算化學、矢量物理等應用方面，都有着不俗的表現。

對於ThunderX3的市場前景，Marvell也是非常積極樂觀，透露現在部署ThunderX2的超過20家客户，都在準備升級ThunderX3，而後續的ThunderX4還會繼續帶來大幅度的提升。

中間的是上代ThunderX2