從2013年推出首顆Nitro1芯片至今，這家最先涉足自研芯片的云廠商，已坐擁網(wǎng)絡(luò)芯片、服務(wù)器芯片、人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)自研芯片三條產(chǎn)品線。
4代網(wǎng)絡(luò)芯片Nitro、3代服務(wù)器芯片Graviton、1代AI推理芯片、1代AI訓(xùn)練芯片，這是AWS迄今公布的云計(jì)算底座自研芯片版圖。
值得注意的是，AWS絕非“PPT造芯”，而是通過(guò)云實(shí)例將芯片的價(jià)值快速導(dǎo)向客戶。今年，AWS發(fā)布了C7g、Trn1等一系列新實(shí)例，并推出Nitro的SSD硬盤。
“自研芯片是需要經(jīng)驗(yàn)積累的，并不是你花錢就能買來(lái)的，也并不是你著急很快就能實(shí)現(xiàn)?！痹?021 re:Invent全球大會(huì)媒體溝通會(huì)上，亞馬遜云科技大中華區(qū)產(chǎn)品部總經(jīng)理顧凡談到AWS在重構(gòu)自研芯片中的最大優(yōu)勢(shì)——深刻理解云上所有客戶的工作負(fù)載，去逆向工作，設(shè)計(jì)芯片。
對(duì)于AWS的造芯歷程以及背后邏輯，亞馬遜云科技大中華區(qū)產(chǎn)品部計(jì)算與存儲(chǔ)總監(jiān)周舸進(jìn)行了詳細(xì)地解讀。
01.
自研CPU：以客戶需求為起點(diǎn)，
兩大技術(shù)思路提升性能
AWS從自研芯片出發(fā)做云計(jì)算的創(chuàng)新，要從2006年發(fā)布第一個(gè)Amazon EC2 Instance說(shuō)起，這是一段由十人團(tuán)隊(duì)開始的Amazon EC2旅程。
隨著客戶對(duì)Amazon EC2提出更多要求，AWS持續(xù)地增加了很多機(jī)型，包括給SAP用的超過(guò)24TB最大內(nèi)存的實(shí)例、專為轉(zhuǎn)碼業(yè)務(wù)提供的VT1、基于Arm的蘋果最新M1芯片提供的新實(shí)例等。
這些實(shí)例多樣化創(chuàng)新的不斷深入，令A(yù)WS團(tuán)隊(duì)意識(shí)到，必須專注到芯片研發(fā)的本身，從芯片的創(chuàng)新開始。于是從2013年至今，AWS不斷基于自研芯片推出新的實(shí)例，以提供更高性價(jià)比。
2019年，AWS發(fā)布第二代服務(wù)器芯片Graviton，其實(shí)例上市后，客戶把更多不同的應(yīng)用方式部署到Graviton上，跨越的范圍也進(jìn)一步擴(kuò)展，從當(dāng)初的Cache到Web一直延伸到數(shù)據(jù)分析，乃至機(jī)器學(xué)習(xí)和高性能計(jì)算的工作負(fù)載。
為了幫客戶更好地使用新實(shí)例，AWS將更多的管理服務(wù)和Graviton做深入集成，使得客戶能快速用起來(lái)。結(jié)果，很多客戶只用一兩天時(shí)間，就能完成從x86到Arm的轉(zhuǎn)移。
在今年的re:Invent大會(huì)上，AWS發(fā)布了4個(gè)基于Graviton2的新實(shí)例，包括1TB內(nèi)存的X2gd、由Graviton2和英偉達(dá)GPU提供支持的G5g等。Is第四代的實(shí)例中有Is4gen和Im4gn，也采用的是Graviton2處理器。
Graviton2有300億個(gè)晶體管，新一代Graviton3又增加了200億，共擁有500億個(gè)晶體管。
C7g是第一個(gè)針對(duì)Graviton3的實(shí)例，其突破有多處重點(diǎn)，包括性能較上一代提升超25%，浮點(diǎn)運(yùn)算能力提升超過(guò)兩倍。在內(nèi)存上，C7g也是云上第一個(gè)支持DDR5的新的計(jì)算實(shí)例。
亞馬遜云科技大中華區(qū)產(chǎn)品部計(jì)算與存儲(chǔ)總監(jiān)周舸也分享了Graviton的技術(shù)創(chuàng)新，相同Arm微架構(gòu)不代表能做出相同的CPU，芯片設(shè)計(jì)時(shí)必須有自己的思考，AWS的原則是，從工作負(fù)載去看，從客戶真正實(shí)際使用情況，去找到設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。
在過(guò)去的20年里面，提升CPU性能最容易的兩個(gè)方向，一是提高頻率，二是增加內(nèi)核數(shù)量。
大多數(shù)時(shí)候，提高頻率很容易讓性能得到提升，但問(wèn)題是，以現(xiàn)有半導(dǎo)體的功率和能力，提高頻率意味著會(huì)提高很多頻率、熱量，需要搭配很大的電源及散熱配置。
在像云這樣的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，這將帶來(lái)大量的耗電、能耗，降低了云的效率，并對(duì)散熱效率提出更高要求，最終致使客戶的使用成本上升。“所以這是我們非常謹(jǐn)慎的在選擇頻率提升的時(shí)候的一個(gè)主要原因。”周舸說(shuō)。
如果不做頻率的提升，那還有別的什么選項(xiàng)呢？
AWS的答案是，希望讓內(nèi)核的寬度得以增加，即使用指令并行的方式，希望其內(nèi)核在同一個(gè)時(shí)鐘周期中能夠執(zhí)行更多的指令、完成更多的任務(wù)。
比如從一個(gè)時(shí)間周期執(zhí)行5個(gè)指令提升到執(zhí)行8個(gè)指令，所以同一個(gè)時(shí)間里面能做更多事，這也能給最后的性能帶來(lái)很大變化。
使用指令并行時(shí)，如果應(yīng)用程序的編譯能夠發(fā)揮出指令并行的優(yōu)勢(shì)，效果會(huì)非常明顯。Nginx和Groovy差不多提升了60%，甚至Redshift也可以提升超過(guò)25%。
在同一個(gè)周期里面，AWS讓它有機(jī)會(huì)執(zhí)行更多的指令，也讓同一個(gè)指令執(zhí)行時(shí)能夠執(zhí)行更多的數(shù)據(jù)，它就會(huì)更快地完成視頻、圖像等處理、轉(zhuǎn)碼以及一些機(jī)器學(xué)習(xí)和高性能計(jì)算的過(guò)程。
結(jié)果可見，x264、x265視頻編碼性能提升50%左右，AES-256加密性能提升了61%。這都是通過(guò)指令并行和同一個(gè)指令里面加載更多的數(shù)據(jù)量的處理能力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而沒(méi)有靠頻率提升。
增加核數(shù)是提升性能的另一個(gè)快而有效的方法。
從第一代Graviton到第二代，AWS增加了不少核數(shù)，效果還不錯(cuò)。到第三代時(shí)，AWS團(tuán)隊(duì)研究了真正在Graviton2上運(yùn)行的客戶工作負(fù)載，發(fā)現(xiàn)其中大量的工作負(fù)載里是大數(shù)據(jù)的、微服務(wù)架構(gòu)的等等，還有些高性能計(jì)算服務(wù)，這些服務(wù)對(duì)于內(nèi)存帶寬和延時(shí)敏感度非常高。
因此，AWS團(tuán)隊(duì)做出判斷：在內(nèi)存下功夫，會(huì)比增加核數(shù)的效果更快。
新的選擇題出現(xiàn)：用余下晶體管去增加更多核，還是去增加CPU的內(nèi)存帶寬和降低延遲？
最終，AWS團(tuán)隊(duì)選擇了內(nèi)存。相對(duì)于Graviton2以及英特爾的Tool平臺(tái)，其內(nèi)存帶寬提升了50%，這在很多應(yīng)用上的效果非常直接。
一些早期用過(guò)的客戶分享了Graviton3給他們帶來(lái)的幫助。如Twitter表示其性能提升20%~80%，甚至在降低尾延遲方面可以降低至少35%，這對(duì)內(nèi)存延遲非常敏感；F1方程式在做流體仿真時(shí)用的是Graviton2，已經(jīng)比英特爾的平臺(tái)快很多，這次它用C7g又可以提升40%；Epic《堡壘之夜》的游戲性能體驗(yàn)也大幅提升。
還有一個(gè)重要指標(biāo)是讓功耗降低60%。這將維持更高能效比，且客戶不會(huì)付出很高的成本代價(jià)。
Graviton的大量使用，已經(jīng)衍生到了非常多的工作負(fù)載中。如SAP HANA Cloud使用Graviton，去幫助企業(yè)級(jí)的客戶提升運(yùn)營(yíng)效率、提高性能。
同時(shí)，今年AWS在re:Invent上面也宣布了其連續(xù)第四年獲得了HPC最佳云平臺(tái)的大獎(jiǎng)，Graviton還在11月底獲得中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)高性能計(jì)算委員會(huì)頒發(fā)的產(chǎn)品創(chuàng)新獎(jiǎng)。
C7g實(shí)例通過(guò)支持BFloat16，使得Graviton3的機(jī)器學(xué)習(xí)推理性能幾乎比上一代提升快4倍。
02.
自研AI芯片：優(yōu)化內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)，
加速適配機(jī)器學(xué)習(xí)需求
在提升服務(wù)器芯片AI算力的同時(shí)，AWS正持續(xù)優(yōu)化其AI芯片及相關(guān)實(shí)例的性能。
面對(duì)AI訓(xùn)練和推理，AWS有不同的實(shí)例。除了其P4d、inf1實(shí)例用在推理，通用CPU的推理使用也越來(lái)越多，包括C6i和C6g；在訓(xùn)練方面，AWS推出了具備EC2超級(jí)集群能力的P4d和基于英特爾AI芯片Habana驅(qū)動(dòng)的DL1。
2019年，AWS發(fā)布基于其自研云端AI推理芯片Inferentia的Amazon EC2 Inf1實(shí)例，如今該實(shí)例已經(jīng)被很多中國(guó)客戶用于做推理。
今年剛剛推出的Trn1，是基于AWS自研云端訓(xùn)練芯片Trainium的實(shí)例。近年機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)展飛速，其配套的各種專業(yè)加速芯片隨之發(fā)展迅猛。每年機(jī)器學(xué)習(xí)專用芯片的演進(jìn)提升速度都超翻倍，比通用CPU快得多。
可是挑戰(zhàn)是，機(jī)器學(xué)習(xí)這個(gè)模型的復(fù)雜度是呈10倍地成長(zhǎng)，光靠GPU、加速芯片本身的加速，已經(jīng)不足以跟得上這個(gè)速度。
因此要讓機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練能力大幅提升，關(guān)鍵是并行訓(xùn)練。這意味著不僅要提升專用芯片本身的性能，還要解決內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)兩大難點(diǎn)，構(gòu)建更適合這些芯片發(fā)揮的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和它配套的所有服務(wù)。
內(nèi)存方面，從P3dn開始，AWS的內(nèi)存一直在增加。到今年Trn1內(nèi)存已是512G。
網(wǎng)絡(luò)方面，AWS幾年前就推出了100G的網(wǎng)絡(luò)，到p4d時(shí)去年做了400G的網(wǎng)絡(luò)，全新發(fā)布的Trn1首次將帶寬增至800G，Trn1n更是可以到1600G，基于其EFA，AWS可以讓機(jī)器學(xué)習(xí)的設(shè)備組在一個(gè)架構(gòu)中，提高分布式高性能計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)工作負(fù)載的吞吐量和可擴(kuò)展性。
從效果上來(lái)看，一個(gè)典型大模型GPT-3需要兩周的訓(xùn)練周期，用P3dn需要600個(gè)實(shí)例，P4d已經(jīng)降至128個(gè)實(shí)例，Trn1n繼續(xù)下降到96個(gè)實(shí)例。實(shí)例數(shù)大幅減少后，成本會(huì)明顯節(jié)約。
值得注意的是，P3dn跑訓(xùn)練時(shí)，49%的開銷花在了實(shí)例之間的通信。P4d把網(wǎng)絡(luò)性能提升后，還剩14%的開銷。到Trn1n，只有7%的開銷會(huì)用到網(wǎng)絡(luò)通信上面。
這帶來(lái)的好處是，AWS可用更大的集群、更多的卡同時(shí)去訓(xùn)練，真正明顯縮短訓(xùn)練時(shí)間。P4d最多可用4000個(gè)卡同時(shí)訓(xùn)練，Trn1n則將這個(gè)指標(biāo)提升到了1萬(wàn)張，這也是一個(gè)巨大的進(jìn)步。
如今，每天有超過(guò)6000萬(wàn)個(gè)全新實(shí)例在Amazon EC2實(shí)上運(yùn)轉(zhuǎn)，這是2019年的兩倍，而這一切都來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)本身的創(chuàng)新。
03.
自研SSD：統(tǒng)一監(jiān)控運(yùn)行指標(biāo)，
降低bug風(fēng)險(xiǎn)
Nitro芯片是AWS網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的起點(diǎn)，前文談及的從100G、400G、800G到1600G都離不開Nitro。
這個(gè)已經(jīng)推出四代的網(wǎng)絡(luò)芯片幫助AWS解決了很多問(wèn)題，包括提供了統(tǒng)一的安全性平臺(tái)，無(wú)論使用什么樣的CPU計(jì)算平臺(tái)，都可以獲得一致的安全性、一致的VPC接入能力、一致的API的統(tǒng)一性等等。
Nitro也可以幫助提高存儲(chǔ)的性能。
第一塊硬盤在1956年時(shí)相當(dāng)巨大，后來(lái)逐漸發(fā)展成像一個(gè)唱機(jī)大小的磁盤，數(shù)據(jù)中心中很多大數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在這樣的磁盤里面。隨著應(yīng)用的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心對(duì)IO吞吐的需求越來(lái)越高，擅長(zhǎng)于此的SSD被越來(lái)越多地采用到存儲(chǔ)設(shè)備中。
SSD用半導(dǎo)體存數(shù)據(jù)，其閃存轉(zhuǎn)換層（FTL）會(huì)控制將數(shù)據(jù)從邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。這里特別容易發(fā)生兩件事：一是垃圾回收，擦寫時(shí)要將相應(yīng)空間釋放出來(lái)；二是磨損平衡，控制每個(gè)數(shù)據(jù)塊使用頻率差不多，能被較均衡地磨損掉。
過(guò)去，AWS使用的大量SSD硬盤來(lái)自很多供應(yīng)商，各家FTL控制機(jī)制不同，甚至每種盤的FTL都可能不一樣。如果FTL中有bug要修復(fù)，只能等到原廠來(lái)做這個(gè)事，時(shí)間就會(huì)很不可控，連帶著AWS對(duì)客戶提供服務(wù)保障會(huì)變得更困難。
此外，不同F(xiàn)TL的有些功能實(shí)現(xiàn)邏輯不一致，可能會(huì)在不同的時(shí)間啟動(dòng)垃圾回收、碎片回收、磨損均衡等功能，一旦突然啟動(dòng)了這個(gè)功能，客戶正在使用這個(gè)盤時(shí)，去請(qǐng)求的工作就會(huì)被中斷掉，這對(duì)客戶的使用會(huì)造成非常大的干擾。
同一個(gè)應(yīng)用，當(dāng)使用不同盤時(shí)，性能是不一樣的。因此AWS用Nitro SSD，通過(guò)統(tǒng)一的FTL來(lái)解決這些問(wèn)題，自己解決bug，避免客戶被干擾。
AWS第一代Nitro SSD在2017年就做出來(lái)了，目前其整個(gè)云體系部署了超過(guò)50萬(wàn)個(gè)Nitro SSD，第二代Nitro SSD在今年的re:Invent大會(huì)上剛剛發(fā)布?；谟⑻貭柶脚_(tái)的I4i以及基于Graviton2的Im4gn/Is4gen機(jī)型都用到新的Nitro SSD。
Nitro SSD帶來(lái)直觀的性能提升，相比上一代I3實(shí)例，新實(shí)例I/O延遲降低了60%，延遲可變性降低了75%。
EBS存儲(chǔ)服務(wù)也使用Nitro SSD來(lái)提升性能。比如今年正式投入市場(chǎng)的io2 Block Express就使用了Nitro SSD，最終獲得256k IOPS及非常穩(wěn)定的毫秒級(jí)延時(shí)。
從上圖可見，其跑PostgreSQL時(shí)性能可提升2.4倍以上，甚至在SQL上性能更好。據(jù)其客戶分享，如果用R5B的Instance加上io2，是在云上面跑SQLServer最合適的選擇，性能提升了5倍。
2006年，AWS發(fā)布第一個(gè)云服務(wù)Amazon S3對(duì)象存儲(chǔ)，這也是AWS存儲(chǔ)的起點(diǎn)。
如今越來(lái)越多的工作負(fù)載開始移到云上，需要Amazon S3支持。今年AWS又推了兩個(gè)新的存儲(chǔ)層：一是把用于歸檔數(shù)據(jù)的Glacier做了一個(gè)可及時(shí)索引的分層，既能像熱數(shù)據(jù)般快速索引調(diào)用，又能像歸檔存儲(chǔ)一樣長(zhǎng)期保持超低成本。
AWS S3智能分層也覆蓋到新的層，當(dāng)前提供8個(gè)存儲(chǔ)層，可滿足各種存儲(chǔ)需求。S3中裝有10^14個(gè)對(duì)象，相當(dāng)于全球每個(gè)人可攤1.3萬(wàn)個(gè)對(duì)象，宇宙中有2萬(wàn)億星星，每個(gè)星星可攤5個(gè)對(duì)象。
在如此大的規(guī)模中，如何讓客戶保持那么高的可用性和一致的性能？將如此多的對(duì)象完全分布在數(shù)百萬(wàn)的硬盤上，正是Amazon S3的機(jī)制，使其從第一天開始就能提供非常高的穩(wěn)定性、可靠性和性能。
04.
結(jié)語(yǔ)：一切從芯片創(chuàng)新開始
從CPU到加速芯片再到存儲(chǔ)，這些AWS基礎(chǔ)底層技術(shù)的進(jìn)化都是從芯片創(chuàng)新開始的?；谶@樣的創(chuàng)新底座，AWS發(fā)展到如今的規(guī)模，仍能做到高效、安全、持續(xù)的創(chuàng)新。
在這些計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)相關(guān)的服務(wù)打破各種創(chuàng)新邊界的同時(shí)，新的約束正亟待突破。這些約束在于很多的物理地域、法規(guī)中，比如數(shù)據(jù)要存在本地的法規(guī)要求，以及各種距離產(chǎn)生延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)帶寬、連接穩(wěn)定性等等。
AWS也在通過(guò)一系列產(chǎn)品布局解決這些問(wèn)題。比如與AWS WaveLength可服務(wù)超低延時(shí)的5G邊緣應(yīng)用，Outposts將AWS的能力擴(kuò)展至客戶自己的數(shù)據(jù)中心；Cloud WAN使客戶通過(guò)中央控制面板更輕松地將地面復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)連接到云；Snowball設(shè)備可實(shí)現(xiàn)一周遷移數(shù)TB數(shù)據(jù)；Ground Station衛(wèi)星通信運(yùn)營(yíng)服務(wù)更是沖出地球，覆蓋到衛(wèi)星通信與數(shù)據(jù)處理……
今天，AWS在有25個(gè)區(qū)域，覆蓋全球六大洲，提供了81個(gè)可用區(qū)，接下來(lái)還會(huì)在提供9個(gè)新的服務(wù)區(qū)，同時(shí)提供有30個(gè)Local Zones本地區(qū)域?；谛酒瑒?chuàng)新的基石，AWS正通過(guò)在云基礎(chǔ)設(shè)施上持續(xù)推陳出新，幫助云上用戶探索更遠(yuǎn)的邊界。
