01

背景：算力需求暴漲、摩爾定律失效

當(dāng)前，企業(yè)云上業(yè)務(wù)需求趨勢正在大幅增長，算力需求呈“爆炸式”遞增。

直播/短視頻行業(yè)每天有上億用戶產(chǎn)出UGC視頻內(nèi)容發(fā)布在不同平臺，產(chǎn)生百萬核級視頻編碼算力需求和高業(yè)務(wù)成本?；?制藥行業(yè)涉及到的分子動力學(xué)模擬、基因序列對比、蛋白結(jié)構(gòu)分析，原來以實驗為主，今天計算機模擬為主，從原子-分子單位的行為進行計算，消耗大量的算力。電商行業(yè)從流量為主轉(zhuǎn)變?yōu)榫婊\營過程中所需的AI推理、大數(shù)據(jù)畫像，智能精準(zhǔn)推薦對算力需求也越來越旺盛。以AI為代表的算力規(guī)模每三個半月就會翻一倍。

然而，在算力需求暴漲的同時，摩爾定律演進速度卻在減慢，硬件技術(shù)進步的紅利見底。

如今，每迭代一代CPU，服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心的功耗和成本攀升，每千瓦芯片功耗在生命周期內(nèi)帶來上萬美金的成本；硬件和芯片的成本也在逐代上漲。

在云這類面向多租戶的場景下，超線程（HT）架構(gòu)的問題逐漸暴露出來，面對一些高密計算任務(wù)時很難滿足業(yè)務(wù)需求，共享內(nèi)存與物理核的機制導(dǎo)致租戶之間處理任務(wù)可能需要相互排隊，導(dǎo)致性能大幅下降；或者互相干擾的情況導(dǎo)致性能波動。

如何能在實現(xiàn)高性能（減少干擾）的同時實現(xiàn)低功耗、低成本？我們認為，以此前的技術(shù)方案，無法解決業(yè)務(wù)需求和痛點，需要設(shè)計一款云原生芯片，結(jié)合現(xiàn)有的阿里云軟硬件架構(gòu)，才能更好地解決客戶應(yīng)用的需求。

我們先來看下結(jié)果：在編解碼的場景下，ECS倚天實例和傳統(tǒng)實例相比，實現(xiàn)了80%的性價比提升，數(shù)據(jù)庫場景、AI推理場景、大數(shù)據(jù)場景也都分別有著30%、70%、50%的性價比有效提升。目前，ECS倚天實例已應(yīng)用于阿里巴巴集團核心業(yè)務(wù)，并服務(wù)科學(xué)研究、智能手機行業(yè)和多家知名互聯(lián)網(wǎng)公司。2021 年雙 11 期間，天貓雙 11 核心交易系統(tǒng)平滑遷移至倚天 710 云實例，算力性價比提升30%；匯量科技廣告推理業(yè)務(wù)使用倚天 710 云實例，性能和網(wǎng)絡(luò)帶寬雙雙提升，性價比提升 40% 以上。

02

“倚天”利劍出鞘：軟硬一體的云原生ECS架構(gòu)

ECS倚天實例是如何實現(xiàn)大幅的性價比提升的？我們從不同ECS產(chǎn)品架構(gòu)層面，包括：云原生處理器倚天710、云計算基礎(chǔ)設(shè)施處理器CIPU、云原生應(yīng)用優(yōu)化方案ECS Booster?等不同層面，給大家分享。

倚天710：高性能、低功耗

我們先來看下倚天710處理器在設(shè)計上，是如何解決上述問題的。

從芯片層面看，主要影響應(yīng)用性能的四大要素包括ALU（邏輯計算單元）、Cache、主頻、加速指令。

首先，倚天710 單顆CPU即實現(xiàn)了128核的高密度設(shè)計，高規(guī)格實例可以實現(xiàn)線性的性能增長；同時處理器無超線程概念，避免了性能爭搶的問題：獨享物理核，性能更強勁；獨享Cache，應(yīng)用緩存更高效。

x86架構(gòu)是兩個vCPU/HT共享一個物理核，1份ALU（算術(shù)邏輯運算單元）。ECS倚天實例采用的是獨享物理核心方式，這可以讓算力密集的計算指令不必排隊、不必爭搶，計算速度更快。

在Cache維度，過去兩個vCPU/HT共享一二級緩存，相互爭搶，性能波動較為嚴重。采用倚天CPU獨享Cache的設(shè)計，讓vCPU之間相互不影響，為重負載計算帶來更高性能。

影響算力性能的關(guān)鍵因素，除了核的資源，還有主頻。

大家知道為什么多數(shù)Web、App、DB的生產(chǎn)業(yè)務(wù)CPU使用率的安全水位線是50%，日常水位低于30%嗎？

以下圖中的視頻編碼為例，并發(fā)超過4路后，性能下降40%；再加上前面說到的核爭搶問題，如果客戶的實際業(yè)務(wù)超過50-60%水位，關(guān)鍵生產(chǎn)應(yīng)用將響應(yīng)放慢，客戶感知卡頓甚至超時問題。因此需要將CPU使用率安全水位壓低，犧牲成本保證安全，浪費了另外50%資源。

背后的原因是x86功耗大，高算力負載很容易造成功耗過大，溫度上升，因此采用降頻規(guī)避，進而影響了性能。而倚天710的功耗是主流x86的1/6，沒有任何降頻問題。同時也推薦倚天的安全水位可以提高到70-80%，減少資源浪費。

在云上多租戶共用平臺，即使用戶運行低負載應(yīng)用，也存在相互影響的風(fēng)險，倚天徹底解決了此問題。下圖展示的案例就可以看到，在視頻編解碼四路以上時，代表倚天的橙色部分基本保持恒定，x86則會降低幅度40%。

值得一提的是，倚天710還針對特定算法場景進行了加速與優(yōu)化。比如像NEON、SVE等矢量計算技術(shù)，可以讓單條指令處理更長的數(shù)據(jù)，可以大幅提升機器學(xué)習(xí)、視頻編碼和高性能計算等場景性能；另外，倚天實例還支持BF16和INT8，在機器學(xué)習(xí)場景下，大幅提升計算效率，為客戶提供更多選擇。

以CIPU為中心的架構(gòu)：高密、穩(wěn)定、強勁

除了芯片本身能力，為了實現(xiàn)降本增效，倚天ECS實例基于云原生的硬件架構(gòu)設(shè)計。

傳統(tǒng)的服務(wù)器常常設(shè)計為2路或4路，通過多NUMA互連的方式提升整機CPU密度，讓一個OS調(diào)度更多CPU算力，卻也增加了復(fù)雜度。在這種架構(gòu)下，隨著核數(shù)增加，網(wǎng)絡(luò)和存儲IO也快速翻番，還要保持跨NUMA cache一致性，導(dǎo)致應(yīng)用性能下降；同時也帶來爆炸半徑過大的問題，在云計算場景下，多路的設(shè)計會讓局部硬件故障的影響范圍更大。

阿里云采用云原生的思想重新設(shè)計。倚天710 CPU單顆CPU即實現(xiàn)了128核的高密度設(shè)計，同時以CIPU為中心的硬件架構(gòu)，通過CIPU連接2顆或者更多倚天的芯片，去NUMA方案下實現(xiàn)整機核密度更高，避免了跨NUMA帶來的性能下降，同時由整機的高密度帶來了成本下降，使得倚天實例更有競爭力。同時，多單路的硬件機型設(shè)計，爆炸半徑減半，產(chǎn)品更穩(wěn)定。

此外CIPU硬件本身也是創(chuàng)新性的設(shè)計，通過將虛擬化與IO轉(zhuǎn)發(fā)等數(shù)據(jù)面卸載到專用硬件上進行加速，消除了原來虛擬化損耗與性能爭搶，并大幅加速了IO，也會使得整體性能更高；VPC環(huán)境下支持彈性RDMA加速能力，相比TCP時延降低70%以上。

ECS Booster

ECS Booster是阿里云在倚天實例上提供的軟件性能優(yōu)化方案，通過網(wǎng)絡(luò)中斷優(yōu)化、操作系統(tǒng)優(yōu)化、應(yīng)用層優(yōu)化等技術(shù)，針對web、APP、數(shù)據(jù)庫等主流場景進行優(yōu)化，運行在倚天實例上阿里云PaaS產(chǎn)品的性能獲已經(jīng)實現(xiàn)得顯著性能收益，相信也能給客戶業(yè)務(wù)場景帶來明顯受益。

03

全場景性能大幅提升

11月15日，ECS G8y（倚天實例）將正式上線，產(chǎn)品規(guī)格覆蓋1-128核，全面搭載eRDMA加速能力，可以大大提升軟件性能。

ECS G8y（倚天實例)有著性能卓越、生態(tài)豐富，綠色降本三個方向的業(yè)務(wù)價值，其中關(guān)于性能收益及增長方面有著很好的數(shù)據(jù)表現(xiàn)。

前文說到的云原生處理器和創(chuàng)新的硬件架構(gòu)，最終在應(yīng)用上有哪些性能收益？我們從Web、App、Media、DB、大數(shù)據(jù)、科學(xué)計算、AI推理等七個最廣泛場景來看產(chǎn)品性能表現(xiàn)。

Web場景：綜合性能提升30%

Web場景是互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用場景最多、消耗服務(wù)器資源最多的場景。為了解決移動場景流量和體驗問題，服務(wù)端常常采用網(wǎng)頁壓縮方案節(jié)約帶寬。但壓縮算法非常消耗CPU算力和時間，導(dǎo)致隊列中多客戶請求時延變長。

倚天擁有獨立CPU物理核，結(jié)合SVE指令加速，單vCPU數(shù)據(jù)壓縮性能翻倍，前面提到的體驗影響減半。Web場景包括Nginx、Apache、NodeJS、PHP等排名靠前的應(yīng)用，倚天實例對比阿里云G7系列實例，綜合性能提升30%左右。

阿里云防火墻CFW已經(jīng)實現(xiàn)倚天ECS遷移。CFW為客戶業(yè)務(wù)提供安全防護，需進行大量正則表達規(guī)則進行掃描，消耗大量算力，影響業(yè)務(wù)性能。采用獨享物理核的ECS倚天實例，實現(xiàn)安全和體驗收益兼得。在不同正則匹配性能優(yōu)勢分別為23%、40%、28%。

App編程語言性能：多數(shù)性能提升40%

不管是編譯型語言C、Go等還是無需編譯的語言Java、Python等，都很好的平滑兼容ARM架構(gòu)，我們可以看到，使用開源的Benchmark進行測試，應(yīng)用運行在ECS倚天實例上獲得的性能提升多數(shù)有40%。

編解碼場景：20-40%性能提升

短視頻和直播是如今最火熱的應(yīng)用，UGC時代內(nèi)容指數(shù)級增長，編解碼算力消耗也隨之增長。如今最流行的H.264算法速度快，節(jié)約算力，但是編碼后的文件更大，消耗更多存儲和帶寬。H.265可以很好解決此問題，使用比重快速增長，但多消耗1倍算力成本。

無論是在哪種場景下，倚天的視頻編解碼性能均比x86實例更高，成本更低。

如圖，上述兩類視頻編碼規(guī)范的編碼器X.264、X.265運行在ECS倚天實例上，都收獲了20-40%性能提升；這個過程中我們進行了大量矢量指令優(yōu)化，使性能大幅提高，優(yōu)化軟件可以向客戶輸出。

數(shù)據(jù)庫場景：10-30%性能提升

數(shù)據(jù)庫場景下，運行在ECS倚天實例上，相較與G7實例，開源軟件Redis、Memcached有30%性能優(yōu)勢，MySQL和PGSQL有10-20%性能優(yōu)勢。

阿里集團電商業(yè)務(wù)所使用的Tair數(shù)據(jù)庫也已經(jīng)遷移到倚天平臺，協(xié)議上兼容Redis，性能是開源Redis數(shù)據(jù)庫的3倍。Tair支撐了多年天貓雙11大促，有強大的緩存能力，需要把數(shù)據(jù)緩存到內(nèi)存，消耗Memory資源。我們采用倚天強大的算力優(yōu)勢進行數(shù)據(jù)壓縮，讓內(nèi)存成本降低60%，疊加倚天實例自帶的eRDMA加速能力，可以提升吞吐量80%，時延降低15%以上。目前基于ECS倚天實例的Tair產(chǎn)品已經(jīng)上線，大家可以在云上使用。

大數(shù)據(jù)場景：20-60%性能提升

在需要消耗大量IO、大量計算以及高內(nèi)存帶寬的大數(shù)據(jù)場景中，ECS倚天實例由于擁有獨立物理核、Cache更大、網(wǎng)絡(luò)時延更低等特點，運行Spark應(yīng)用性能收益20%以上，搜索Elastic Search和流計算Flink場景性能收益達到40%和60%。上述大數(shù)據(jù)開源軟件，直接編譯即可在倚天實例上運行，歡迎大家試用。

科學(xué)計算：20%以上性能提升

在科學(xué)計算等場景下，相比于同規(guī)格x86云實例，運行在倚天實例上的基因、制藥，汽車領(lǐng)域等方面的算法都有20%左右的收益，我們近期有兩個伙伴測試分子動力學(xué)和EDA應(yīng)用，甚至實現(xiàn)了性能翻倍。這主要是由于科學(xué)計算場景使用的主要是物理核資源，倚天實例與同規(guī)格的x86實例相比，核物理核數(shù)量是后者的兩倍，計算性能更高。

阿里云彈性高性能計算平臺E-HPC、彈性伸縮等云上工具已經(jīng)支持ARM平臺，主要科學(xué)算法也都可以平滑兼容。

AI推理：性能提升1倍

AI場景算力消耗增長飛快，成本占比急劇上升。推理場景下典型的搜推廣客戶都無法接受下調(diào)精度（影響模型準(zhǔn)確度）降本。阿里云彈性計算團隊和達摩院合作，推出了HIE-Engine動態(tài)量化方案，利用倚天實例的INT8加速能力，可將RestNet和Bert場景性能提升1倍，且精度沒有損失。

04

降低碳排放、降低成本

對于企業(yè)客戶來說，除了業(yè)務(wù)性能表現(xiàn)，IT碳排放和成本也很重要的一環(huán)。今天的這款倚天處理器，可以在CPU負載30%的情況下，每vCPU功耗比x86降低6倍，整機功耗降低60%以上。碳排放也等比降低。全國IDC年耗電量約2000多億度，相當(dāng)于兩個三峽大壩的發(fā)電量，采用倚天實例進行替換，可以省下一整個三峽的電量。

除了綠色低碳，企業(yè)還能降低IT成本，大家可以看圖中的定價，倚天實例對比最新一代主售實例定價是30%、23%、22%的降本幅度，將技術(shù)收益讓利給客戶。

使用這款產(chǎn)品會獲得更好的性價比。在前面提到的七大主要應(yīng)用場景，平均性價比（性能÷價格）收益可達50-80%。

05

豐富的軟件生態(tài)及應(yīng)用案例

下圖為ARM服務(wù)器軟件生態(tài)，包括主流OS、編程語言、Lib庫、開源應(yīng)用。這些軟件我們都做過使用和測試，可以做到無需修改代碼即可運行。遷移文檔、遷移工具等方案可見以下鏈接：

https://help.aliyun.com/document_detail/462190.html

目前在阿里云產(chǎn)品中，RDS、容器、PAI、視頻云等多款PaaS產(chǎn)品接入倚天ECS；阿里集團電商業(yè)務(wù)也使用了倚天ECS，有效支撐阿里618、99大促以及雙11大促多個活動。外部有短視頻、Web、游戲、廣告等客戶提前使用了新產(chǎn)品。

最后總結(jié)一下關(guān)鍵詞。

技術(shù)關(guān)鍵詞：倚天710云原生處理器（獨立物理核、重新定義CPU水位）、CIPU為中心的硬件架構(gòu)（業(yè)界最高密度、NUMA less提高穩(wěn)定性、硬件加速）、ECS booster方案（加速應(yīng)用性能）；

關(guān)鍵數(shù)字：性能提升30%以上，性價比提升50%；節(jié)約用電1個三峽。

再次感謝各位見證硬核技術(shù)的倚天專場，今天倚天的一小步，將是改變未來IT歷史、改變云計算浪潮的一大步，感謝大家！

編輯：黃飛

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