Ampere云原生平臺(tái)：性能、可持續(xù)性和成本效益的完美結(jié)合

本文是Ampere Computing“加速云計(jì)算”系列文章的第四部分，探討了向云原生平臺(tái)遷移的諸多益處。前文已闡述了x86架構(gòu)與云原生平臺(tái)的差異以及云原生遷移所需的投資。本篇將重點(diǎn)介紹云原生平臺(tái)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

云原生處理器在云計(jì)算中的優(yōu)勢(shì)：

• 提升每機(jī)架和每美元性能
• 增強(qiáng)可預(yù)測(cè)性和一致性
• 提高效率
• 優(yōu)化可擴(kuò)展性
• 降低運(yùn)營(yíng)成本

云原生處理器實(shí)現(xiàn)峰值性能

與承載大量遺留功能的x86架構(gòu)不同，Ampere云原生處理器專(zhuān)為高效執(zhí)行常見(jiàn)云應(yīng)用程序任務(wù)而設(shè)計(jì)。這顯著提升了企業(yè)最依賴(lài)的關(guān)鍵云工作負(fù)載的性能。

圖1：Ampere云原生平臺(tái)在關(guān)鍵云工作負(fù)載方面的性能顯著高于x86平臺(tái)。圖片來(lái)自《云原生處理器的核心可持續(xù)性》。

云原生帶來(lái)更高的響應(yīng)速度、一致性和可預(yù)測(cè)性

對(duì)于提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的應(yīng)用程序而言，用戶(hù)請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間是關(guān)鍵性能指標(biāo)。響應(yīng)速度取決于負(fù)載和擴(kuò)展性；隨著請(qǐng)求速率的上升，保持可接受的最終用戶(hù)響應(yīng)時(shí)間至關(guān)重要。

雖然峰值性能很重要，但許多應(yīng)用程序必須滿(mǎn)足特定的服務(wù)等級(jí)協(xié)議（SLA），例如在兩秒內(nèi)響應(yīng)。因此，云運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)通常使用P99延遲（即99%的請(qǐng)求在該時(shí)間內(nèi)得到滿(mǎn)足的響應(yīng)時(shí)間）來(lái)衡量響應(yīng)速度。

為了衡量P99延遲，我們?cè)黾訉?duì)服務(wù)的請(qǐng)求數(shù)量，以確定99%的事務(wù)仍在所需SLA內(nèi)完成的點(diǎn)。這使我們能夠評(píng)估在保持SLA的同時(shí)可能達(dá)到的最大吞吐量，并評(píng)估用戶(hù)數(shù)量增加時(shí)對(duì)性能的影響。

一致性和可預(yù)測(cè)性是影響整體延遲和響應(yīng)速度的兩個(gè)主要因素。當(dāng)任務(wù)性能更一致時(shí)，響應(yīng)速度更可預(yù)測(cè)。換句話(huà)說(shuō)，延遲和性能的差異越小，任務(wù)的響應(yīng)速度就越可預(yù)測(cè)?？深A(yù)測(cè)性還有助于簡(jiǎn)化工作負(fù)載均衡。

如本系列第一部分所述，x86核心采用超線程技術(shù)來(lái)提高核心利用率。由于兩個(gè)線程共享一個(gè)核心，因此很難保證SLA。超線程開(kāi)銷(xiāo)以及其他x86架構(gòu)問(wèn)題固有的不一致性導(dǎo)致與Ampere云原生處理器相比，任務(wù)之間的延遲差異更大（見(jiàn)圖2）。因此，基于x86的平臺(tái)可以保持較高的峰值性能，但由于高延遲差異，很快就會(huì)超過(guò)SLA。此外，SLA越嚴(yán)格（即秒與毫秒），這種差異對(duì)P99延遲和響應(yīng)速度的影響就越大。

圖2：超線程和其他x86架構(gòu)問(wèn)題導(dǎo)致延遲差異增大，從而對(duì)吞吐量和SLA產(chǎn)生負(fù)面影響。圖片來(lái)自《云原生處理器的核心可持續(xù)性》。

在這種情況下，降低延遲的唯一方法是降低請(qǐng)求速率。換句話(huà)說(shuō)，為了保證SLA，必須分配更多x86資源，以確保每個(gè)核心在較低的負(fù)載下運(yùn)行，從而解決高負(fù)載下線程之間響應(yīng)速度差異較大的問(wèn)題。因此，基于x86的應(yīng)用程序在能夠管理的請(qǐng)求數(shù)量方面受到更多限制，同時(shí)仍能保持其SLA。

NGINX、Redis、h.264媒體編碼和Memcached性能及能效對(duì)比圖

云原生帶來(lái)更高的性?xún)r(jià)比

云原生方法能夠以可重復(fù)的方式為SLA提供一致的響應(yīng)速度和更高的性能，這也意味著更高的性?xún)r(jià)比。這直接降低了運(yùn)營(yíng)成本，因?yàn)榭梢杂酶俚暮诵膩?lái)管理更多的請(qǐng)求。簡(jiǎn)而言之，云原生平臺(tái)使應(yīng)用程序能夠用更少的核心做更多的事情，而不會(huì)影響SLA。更高的利用率直接轉(zhuǎn)化為更低的運(yùn)營(yíng)成本——因?yàn)榕c基于x86的平臺(tái)相比，你需要更少的云原生核心來(lái)管理同等負(fù)載。

那么，你能節(jié)省多少呢？云計(jì)算的基本計(jì)算單元是vCPU。但是，對(duì)于基于x86的平臺(tái)，每個(gè)x86核心運(yùn)行兩個(gè)線程，因此，如果要禁用超線程，則必須成對(duì)租用x86 vCPU。否則，應(yīng)用程序?qū)⑴c另一個(gè)應(yīng)用程序共享x86核心。

在云原生平臺(tái)上，租用vCPU時(shí)，會(huì)分配整個(gè)核心?？紤]到1）云服務(wù)提供商（CSP）上的單個(gè)基于Ampere的vCPU提供完整的Ampere核心，2）Ampere每個(gè)插槽提供更多核心，相應(yīng)的每瓦性能更高，以及3）Ampere vCPU的每小時(shí)成本通常更低，因?yàn)楹诵拿芏雀撸\(yùn)營(yíng)成本更低，這導(dǎo)致某些云原生工作負(fù)載的Ampere云原生平臺(tái)的成本/性能優(yōu)勢(shì)達(dá)到4.28倍。

更高的能效、更好的可持續(xù)性和更低的運(yùn)營(yíng)成本

功耗是一個(gè)全球性問(wèn)題，功耗管理正迅速成為云服務(wù)提供商面臨的主要挑戰(zhàn)之一。目前，數(shù)據(jù)中心消耗全球1%到3%的電力，預(yù)計(jì)到2032年這一比例將翻一番。2022年，云數(shù)據(jù)中心預(yù)計(jì)占此能源需求的80%。

由于其架構(gòu)在40多年來(lái)為不同的用例而發(fā)展，英特爾x86核心的功耗高于大多數(shù)基于云微服務(wù)的應(yīng)用程序所需。此外，機(jī)架的功耗預(yù)算以及這些核心的散熱量使得CSP無(wú)法用x86服務(wù)器填滿(mǎn)機(jī)架。鑒于x86處理器的功耗和散熱限制，CSP可能需要在機(jī)架中留出空位，從而浪費(fèi)寶貴的空間。事實(shí)上，到2025年，傳統(tǒng)的（x86）云計(jì)算方法預(yù)計(jì)會(huì)使數(shù)據(jù)中心電力需求翻一番，并將房地產(chǎn)需求增加1.6倍。

圖7：繼續(xù)預(yù)期的數(shù)據(jù)中心增長(zhǎng)所需的電力和空間。圖片來(lái)自《云原生處理器的核心可持續(xù)性》。

考慮到成本和性能，云計(jì)算需要從通用x86計(jì)算轉(zhuǎn)向更高能效和更高性能的云原生平臺(tái)。具體來(lái)說(shuō)，我們需要在數(shù)據(jù)中心擁有更高的核心密度，以及更高效、更節(jié)能、更低運(yùn)營(yíng)成本的高性能核心。

由于Ampere云原生平臺(tái)專(zhuān)為能效而設(shè)計(jì)，因此應(yīng)用程序在不影響性能或響應(yīng)速度的情況下功耗更低。下面的圖8顯示了在基于x86的平臺(tái)和Ampere云原生平臺(tái)上運(yùn)行的大規(guī)模工作負(fù)載的功耗。根據(jù)應(yīng)用程序的不同，Ampere的每瓦性能（以每瓦性能衡量）顯著高于x86平臺(tái)。

圖8：Ampere云原生平臺(tái)在關(guān)鍵云工作負(fù)載方面的能效顯著高于x86平臺(tái)。圖片來(lái)自《云原生處理器的核心可持續(xù)性》。

云原生平臺(tái)的低功耗架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的每機(jī)架核心密度。例如，Ampere? Altra?（80個(gè)核心）和Altra Max（128個(gè)核心）的高核心數(shù)量使CSP能夠?qū)崿F(xiàn)令人難以置信的核心密度。使用Altra Max，一個(gè)帶有兩個(gè)插槽的1U機(jī)箱可以在單個(gè)機(jī)架中擁有256個(gè)核心（見(jiàn)圖8）。

使用云原生處理器，開(kāi)發(fā)人員和架構(gòu)師無(wú)需再在低功耗和高性能之間做出選擇。Altra系列處理器的架構(gòu)提供了更高的計(jì)算能力——每機(jī)架性能提升高達(dá)2.5倍——以及為獲得與傳統(tǒng)x86處理器相同的計(jì)算性能所需機(jī)架數(shù)量減少三倍。云原生處理器的效率架構(gòu)還提供了業(yè)界最佳的每瓦成本。

圖9：x86平臺(tái)的低效能導(dǎo)致機(jī)架容量閑置，而Ampere Altra Max的高能效則充分利用了所有可用空間。

優(yōu)勢(shì)令人印象深刻。到2025年，在基于Ampere的云數(shù)據(jù)中心中運(yùn)行的云原生應(yīng)用程序可以將電力需求降低到當(dāng)前用量的估計(jì)80%。與此同時(shí)，房地產(chǎn)需求預(yù)計(jì)將下降70%（見(jiàn)上圖7）。Ampere云原生平臺(tái)提供了3倍的每瓦性能優(yōu)勢(shì)，有效地將數(shù)據(jù)中心的容量提高了三倍，而功耗卻保持不變。

請(qǐng)注意，這種云原生方法不需要先進(jìn)的液冷技術(shù)。雖然液冷確實(shí)可以增加機(jī)架中x86核心的密度，但它會(huì)帶來(lái)更高的成本，而不會(huì)帶來(lái)新的價(jià)值。云原生平臺(tái)通過(guò)使CSP能夠利用其現(xiàn)有的房地產(chǎn)和電力容量做更多的事情，將對(duì)這種先進(jìn)冷卻的需求推遲到更遠(yuǎn)的未來(lái)。

云原生平臺(tái)的能效意味著更可持續(xù)的云部署（見(jiàn)下面的圖10）。它還允許公司減少碳足跡，這是一個(gè)日益受到投資者和消費(fèi)者等利益相關(guān)者重視的因素。與此同時(shí)，CSP將能夠支持更多的計(jì)算能力，以滿(mǎn)足其現(xiàn)有房地產(chǎn)容量和電力限制內(nèi)的不斷增長(zhǎng)的需求。為了提供額外的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，尋求擴(kuò)大其云原生市場(chǎng)的CSP將把電力支出納入計(jì)算資源定價(jià)——這將為云原生平臺(tái)帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

圖10：為什么云原生計(jì)算對(duì)可持續(xù)性至關(guān)重要。圖片來(lái)自《云原生處理器的核心可持續(xù)性》。

云原生實(shí)現(xiàn)更高的響應(yīng)速度和可擴(kuò)展性性能

云計(jì)算使公司能夠擺脫大型單體應(yīng)用程序，轉(zhuǎn)向可以按需創(chuàng)建更多組件副本進(jìn)行擴(kuò)展的應(yīng)用程序組件（或微服務(wù)）。由于這些云原生應(yīng)用程序本質(zhì)上是分布式的，并且專(zhuān)為云部署而設(shè)計(jì)，因此它們可以在云原生平臺(tái)上無(wú)縫地?cái)U(kuò)展到10萬(wàn)用戶(hù)。

例如，如果部署多個(gè)MYSQL容器，則需要確保每個(gè)容器都具有穩(wěn)定的性能。使用Ampere，每個(gè)應(yīng)用程序都擁有自己的核心。無(wú)需驗(yàn)證與另一個(gè)線程的隔離，也無(wú)需管理超線程的開(kāi)銷(xiāo)。相反，每個(gè)應(yīng)用程序都提供一致、可預(yù)測(cè)和可重復(fù)的性能，并具有無(wú)縫的可擴(kuò)展性。

轉(zhuǎn)向云原生的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是線性可擴(kuò)展性。簡(jiǎn)而言之，與x86性能相比，每個(gè)云原生核心都以線性方式提高性能——隨著利用率的提高，x86性能會(huì)下降。下面的圖11說(shuō)明了H.264編碼的情況。

圖11：Ampere云原生計(jì)算線性擴(kuò)展，不會(huì)造成容量閑置，這與x86計(jì)算不同。圖片來(lái)自《云原生處理器的核心可持續(xù)性》。

云原生優(yōu)勢(shì)總結(jié)

很明顯，目前的x86技術(shù)將無(wú)法滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的電力限制和法規(guī)。由于其高效的架構(gòu)，Ampere云原生平臺(tái)提供的每個(gè)核心的性能比x86架構(gòu)高出2倍。此外，較低的延遲差異導(dǎo)致更高的一致性、更高的可預(yù)測(cè)性和更好的響應(yīng)速度——使您能夠滿(mǎn)足SLA，而無(wú)需大幅度地過(guò)度配置計(jì)算資源。云原生平臺(tái)的簡(jiǎn)化架構(gòu)還帶來(lái)了更高的能效，從而實(shí)現(xiàn)了更可持續(xù)的運(yùn)營(yíng)和更低的運(yùn)營(yíng)成本。

云原生效率和可擴(kuò)展性的證明最好體現(xiàn)在高負(fù)載期間，例如服務(wù)10萬(wàn)用戶(hù)。這就是Ampere云原生平臺(tái)的一致性帶來(lái)巨大優(yōu)勢(shì)的地方，在規(guī)模化云原生應(yīng)用程序中，其價(jià)格/性能比x86高出4.28倍，同時(shí)仍能保持客戶(hù)SLA。

在本系列的第五部分中，我們將介紹如何與合作伙伴合作，立即開(kāi)始利用云原生平臺(tái)，同時(shí)最大限度地減少投資或風(fēng)險(xiǎn)。

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