Ampere雲原生平台：性能、可持續性和成本效益的完美結合
本文是Ampere Computing“加速雲計算”系列文章的第四部分，探討了向雲原生平台遷移的諸多益處。前文已闡述了x86架構與雲原生平台的差異以及雲原生遷移所需的投資。本篇將重點介紹雲原生平台帶來的優勢。
雲原生處理器在雲計算中的優勢：
雲原生處理器實現峰值性能
與承載大量遺留功能的x86架構不同，Ampere雲原生處理器專為高效執行常見雲應用程序任務而設計。這顯著提升了企業最依賴的關鍵雲工作負載的性能。
圖1：Ampere雲原生平台在關鍵雲工作負載方面的性能顯著高於x86平台。圖片來自《雲原生處理器的核心可持續性》。
雲原生帶來更高的響應速度、一致性和可預測性
對於提供網絡服務的應用程序而言，用戶請求的響應時間是關鍵性能指標。響應速度取決於負載和擴展性；隨著請求速率的上升，保持可接受的最終用戶響應時間至關重要。
雖然峰值性能很重要，但許多應用程序必須滿足特定的服務等級協議（SLA），例如在兩秒內響應。因此，雲運營團隊通常使用P99延遲（即99%的請求在該時間內得到滿足的響應時間）來衡量響應速度。
為了衡量P99延遲，我們增加對服務的請求數量，以確定99%的事務仍在所需SLA內完成的點。這使我們能夠評估在保持SLA的同時可能達到的最大吞吐量，並評估用戶數量增加時對性能的影響。
一致性和可預測性是影響整體延遲和響應速度的兩個主要因素。當任務性能更一致時，響應速度更可預測。換句話說，延遲和性能的差異越小，任務的響應速度就越可預測。可預測性還有助於簡化工作負載均衡。
如本系列第一部分所述，x86核心採用超線程技術來提高核心利用率。由於兩個線程共享一個核心，因此很難保證SLA。超線程開銷以及其他x86架構問題固有的不一致性導致與Ampere雲原生處理器相比，任務之間的延遲差異更大（見圖2）。因此，基於x86的平台可以保持較高的峰值性能，但由於高延遲差異，很快就會超過SLA。此外，SLA越嚴格（即秒與毫秒），這種差異對P99延遲和響應速度的影響就越大。
圖2：超線程和其他x86架構問題導致延遲差異增大，從而對吞吐量和SLA產生負面影響。圖片來自《雲原生處理器的核心可持續性》。
在這種情況下，降低延遲的唯一方法是降低請求速率。換句話說，為了保證SLA，必須分配更多x86資源，以確保每個核心在較低的負載下運行，從而解決高負載下線程之間響應速度差異較大的問題。因此，基於x86的應用程序在能夠管理的請求數量方面受到更多限制，同時仍能保持其SLA。
NGINX、Redis、h.264媒體編碼和Memcached性能及能效對比圖
雲原生帶來更高的性價比
雲原生方法能夠以可重複的方式為SLA提供一致的響應速度和更高的性能，這也意味著更高的性價比。這直接降低了運營成本，因為可以用更少的核心來管理更多的請求。簡而言之，雲原生平台使應用程序能夠用更少的核心做更多的事情，而不會影響SLA。更高的利用率直接轉化為更低的運營成本——因為與基於x86的平台相比，你需要更少的雲原生核心來管理同等負載。
那麼，你能節省多少呢？雲計算的基本計算單元是vCPU。但是，對於基於x86的平台，每個x86核心運行兩個線程，因此，如果要禁用超線程，則必須成對租用x86 vCPU。否則，應用程序將與另一個應用程序共享x86核心。
在雲原生平台上，租用vCPU時，會分配整個核心。考慮到1）雲服務提供商（CSP）上的單個基於Ampere的vCPU提供完整的Ampere核心，2）Ampere每個插槽提供更多核心，相應的每瓦性能更高，以及3）Ampere vCPU的每小時成本通常更低，因為核心密度更高，運營成本更低，這導致某些雲原生工作負載的Ampere雲原生平台的成本/性能優勢達到4.28倍。
更高的能效、更好的可持續性和更低的運營成本
功耗是一個全球性問題，功耗管理正迅速成為雲服務提供商面臨的主要挑戰之一。目前，數據中心消耗全球1%到3%的電力，預計到2032年這一比例將翻一番。 2022年，雲數據中心預計佔此能源需求的80%。
由於其架構在40多年來為不同的用例而發展，英特爾x86核心的功耗高於大多數基於雲微服務的應用程序所需。此外，機架的功耗預算以及這些核心的散熱量使得CSP無法用x86服務器填滿機架。鑑於x86處理器的功耗和散熱限制，CSP可能需要在機架中留出空位，從而浪費寶貴的空間。事實上，到2025年，傳統的（x86）雲計算方法預計會使數據中心電力需求翻一番，並將房地產需求增加1.6倍。
圖7：繼續預期的數據中心增長所需的電力和空間。圖片來自《雲原生處理器的核心可持續性》。
考慮到成本和性能，雲計算需要從通用x86計算轉向更高能效和更高性能的雲原生平台。具體來說，我們需要在數據中心擁有更高的核心密度，以及更高效、更節能、更低運營成本的高性能核心。
由於Ampere雲原生平台專為能效而設計，因此應用程序在不影響性能或響應速度的情況下功耗更低。下面的圖8顯示了在基於x86的平台和Ampere雲原生平台上運行的大規模工作負載的功耗。根據應用程序的不同，Ampere的每瓦性能（以每瓦性能衡量）顯著高於x86平台。
圖8：Ampere雲原生平台在關鍵雲工作負載方面的能效顯著高於x86平台。圖片來自《雲原生處理器的核心可持續性》。
雲原生平台的低功耗架構能夠實現更高的每機架核心密度。例如，Ampere® Altra®（80個核心）和Altra Max（128個核心）的高核心數量使CSP能夠實現令人難以置信的核心密度。使用Altra Max，一個帶有兩個插槽的1U機箱可以在單個機架中擁有256個核心（見圖8）。
使用雲原生處理器，開發人員和架構師無需再在低功耗和高性能之間做出選擇。 Altra系列處理器的架構提供了更高的計算能力——每機架性能提升高達2.5倍——以及為獲得與傳統x86處理器相同的計算性能所需機架數量減少三倍。雲原生處理器的效率架構還提供了業界最佳的每瓦成本。
圖9：x86平台的低效能導致機架容量閒置，而Ampere Altra Max的高能效則充分利用了所有可用空間。
優勢令人印象深刻。到2025年，在基於Ampere的雲數據中心中運行的雲原生應用程序可以將電力需求降低到當前用量的估計80%。與此同時，房地產需求預計將下降70%（見上圖7）。 Ampere雲原生平台提供了3倍的每瓦性能優勢，有效地將數據中心的容量提高了三倍，而功耗卻保持不變。
請注意，這種雲原生方法不需要先進的液冷技術。雖然液冷確實可以增加機架中x86核心的密度，但它會帶來更高的成本，而不會帶來新的價值。雲原生平台通過使CSP能夠利用其現有的房地產和電力容量做更多的事情，將對這種先進冷卻的需求推遲到更遠的未來。
雲原生平台的能效意味著更可持續的雲部署（見下面的圖10）。它還允許公司減少碳足跡，這是一個日益受到投資者和消費者等利益相關者重視的因素。與此同時，CSP將能夠支持更多的計算能力，以滿足其現有房地產容量和電力限制內的不斷增長的需求。為了提供額外的競爭優勢，尋求擴大其云原生市場的CSP將把電力支出納入計算資源定價——這將為雲原生平台帶來競爭優勢。
圖10：為什麼雲原生計算對可持續性至關重要。圖片來自《雲原生處理器的核心可持續性》。
雲原生實現更高的響應速度和可擴展性性能
雲計算使公司能夠擺脫大型單體應用程序，轉向可以按需創建更多組件副本進行擴展的應用程序組件（或微服務）。由於這些雲原生應用程序本質上是分佈式的，並且專為雲部署而設計，因此它們可以在雲原生平台上無縫地擴展到10萬用戶。
例如，如果部署多個MYSQL容器，則需要確保每個容器都具有穩定的性能。使用Ampere，每個應用程序都擁有自己的核心。無需驗證與另一個線程的隔離，也無需管理超線程的開銷。相反，每個應用程序都提供一致、可預測和可重複的性能，並具有無縫的可擴展性。
轉向雲原生的另一個優勢是線性可擴展性。簡而言之，與x86性能相比，每個雲原生核心都以線性方式提高性能——隨著利用率的提高，x86性能會下降。下面的圖11說明了H.264編碼的情況。
圖11：Ampere雲原生計算線性擴展，不會造成容量閒置，這與x86計算不同。圖片來自《雲原生處理器的核心可持續性》。
雲原生優勢總結
很明顯，目前的x86技術將無法滿足日益嚴格的電力限制和法規。由於其高效的架構，Ampere雲原生平台提供的每個核心的性能比x86架構高出2倍。此外，較低的延遲差異導致更高的一致性、更高的可預測性和更好的響應速度——使您能夠滿足SLA，而無需大幅度地過度配置計算資源。雲原生平台的簡化架構還帶來了更高的能效，從而實現了更可持續的運營和更低的運營成本。
雲原生效率和可擴展性的證明最好體現在高負載期間，例如服務10萬用戶。這就是Ampere雲原生平台的一致性帶來巨大優勢的地方，在規模化雲原生應用程序中，其價格/性能比x86高出4.28倍，同時仍能保持客戶SLA。
在本系列的第五部分中，我們將介紹如何與合作夥伴合作，立即開始利用雲原生平台，同時最大限度地減少投資或風險。
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