Hot Chips 2023》Nvidia Grace CPU 的核心：Arm Neoverse V2

「Arm 伺服器」在博通（Broadcom）、高通（Qualcomm）、AMD、三星（Samsung）等老牌半導體巨頭及 Calxeda 和 Applied Micro 等新創公司，經歷多次失敗嘗試，以及 Cavium 憑借 ThunderX 和 ThunderX2 取得極為有限的成績後，才漸有起色。這些年來，以 AWS 的 Graviton 家族為代表，Arm 指令集相容伺服器晶片發展極為迅速，預估銷售總額達總市場 10%，扣除 CISC 大型主機和數量越來越少的 RISC / Unix 伺服器，其餘還是 x86 雙雄的天下。

Arm 在 2018 年 10 月推出「雲端到邊緣基礎設施」Neoverse 產品線，包括最佳性能的 V 系列、可擴展效率的 N 系列、功耗面積縮減最佳化的 E 系列，並在 2020 年 9 月宣布將「極致效能」Neoverse V1（高效能運算、雲端運算和 AI / ML 加速型工作負載）和「高擴展性效能」Neoverse N2（高擴展度的雲端運算與基礎設施）導入發展藍圖。這些 Neoverse 體系 IP 都是針對台積電特定製程量身訂做，並混合 Arm 其他 IP，使伺服器晶片製造商更容易快速研發產品。Arm 對 Neoverse 的承諾是「每年推出一個新 Arm 伺服器平台，並每代產品提高起碼 30% 性能」。

▲ Arm Neoverse 發展藍圖，這也是時下 Arm 指令集相容伺服器處理器的基礎，不知道蘋果會不會共襄盛舉。

故單晶片與單執行緒一直是 Arm Neoverse V 系列最受看重的性能指標，像使用 Arm Neoverse V1 的 AWS Graviton3 就是最好例證。2022 年 9 月 15 日 Arm 宣布 Arm Neoverse 再添新成員，同時推出代號「Demeter」的 Neoverse V2 和 Neoverse E2，再度擴大伺服器晶片版圖，前者更是由 Nvidia Grace CPU 率先採用，內建 72 個 Neoverse 核心，但當時 Arm 並未透露 Neoverse V2 效能提升幅度。今年 Hot Chips 2023（第 35 屆），Arm 終於公開 Neoverse V2 技術細節，並以 SPEC CPU 整數測試項目，預估每環節變化對性能的影響，看起來頗酷。

▲ Arm Neoverse 的現況，除了因 Nvidia 倍受注目的 Neoverse V2，本屆 Hot Chips 有另外一場整合大量 Neoverse N2 核心與其他功能 IP 以加速產品開發、適用 Chiplet 的 CSS（Compute Subsystem）N2 議程，留待筆者另一篇文章介紹。

▲ Neoverse V2 核心微架構的全貌，經過多年發展，Arm「本家」核心也走到「每個時脈週期可解碼六個指令，並派發八個微指令（uOp）給執行單元」規模，即使看似落後蘋果好幾年。

▲ Arm 以 SPEC CPU 2017 整數運算項目為基礎，抽絲剝繭陳述每個改進環節的效能提升幅度，整體增加 13% 並減少 10.5% 系統快取記憶體（SLC）誤失率。

▲ Neoverse V2 製程從台積電 7 奈米縮小成 5 奈米，儘管 L2 快取容量倍增（1MB→2MB），但功耗僅增加 17%，晶粒面積也大致相同。

▲ 理所當然的，Neoverse V2「平台」可藉 CMN-700 互連匯流排，增加核心數量、擴充快取容量並連接其他功能 IP 區塊，但像 PCIe Gen5 和 CXL 就需要另外購買。

▲ Arm 以 SPEC CPU 2017 整數運算為 Neoverse V2 評估基準，單執行緒和多執行緒吞吐量相較 Neoverse V1，個別成長 13% 與 17.3%。

▲ 快取記憶體也有 13%~18% 效能提升。

▲ 網頁與 Proxy 伺服器則介於 20%~32%，成長顯著。

▲ 受惠於大幅改進的分支預測和指令預先擷取，分支密集資料可激增 35%~104% 效能，並減少 80% 分支預測錯誤與 70% 無用預先擷取。

▲ 人工智慧正夯，Arm 亦不可免俗強調 AI 應用，執行機械學習 XGBoost（eXtreme Gradient Boosting）極限梯度增强算法時，提升幅度高達 67%~114%。

▲ 這就是如假包換的頂上決戰：144 核心 Nvidia Grace CPU Superchip 對上兩顆 AMD EPYC 9654（總計 192 核心）和兩顆英特爾 Xeon 8480+（共 112 核心），相同功耗，吞吐量大致可達 AMD 兩倍，更不用講看來只是沙包的英特爾了。

▲ 這就是總結。

相對 Neoverse V1，Neoverse V2 提升 13% SPEC CPU 2017 整數運算效能，據不同工作負載，可提高 15%~100%。
人工智慧相關應用，最多可達兩倍效能，含 XGBoost 最高 114%（平均 83%）。
Nvidia Grace CPU Superchip 痛宰 x86 雙雄的頂規伺服器 CPU。

毫無疑問的，AWS、阿里巴巴和 Google 這些雲端巨頭陸續自研 Arm 指令集相容處理器後（Google 謠傳 2025 年開始使用兩款資料中心晶片），Arm 的伺服器 CPU IP 就是縮短產品研發時程的好幫手，也有充分理由相信，Nvidia Grace CPU Superchip 也注定不會是唯一採用 Arm Neoverse V2 的產品，應該有很多專案已在路上了。

（首圖來源：Arm）