История Calxeda: почему первые серверные ARM процессоры потерпели неудачу
Введение: название, рождённое из библейской легенды
Компания, которую сегодня знают как Calxeda, начинала свой путь под совершенно другим именем – Smooth-Stone. Основанная в январе 2008 года инженером Барри Эвансом, ранее работавшим в Intel и Marvell, вместе с Ларри Уикелиусом и Дэвидом Борландом, специалистом по чипам с опытом в Marvell, Intel и AMD, компания почти три года держалась в тени, разрабатывая свою технологию скрытно от публики.
Название "Smooth-Stone" (гладкий камень) имело символическое значение: это отсылка к библейской истории о Давиде и Голиафе, где юный пастух победил великана-воина камнем из пастушьей пращи. Метафора была прямолинейной: маленькая, энергоэффективная архитектура ARM должна была одолеть гигантов x86-индустрии – Intel и AMD, точно так же, как Давид одолел Голиафа. Однако в ноябре 2010 года выяснилось, что название Smooth-Stone уже принадлежит кому-то другому, и компании пришлось срочно ребрендироваться.
Новое имя, Calxeda, (произносится "кал-зех-да"), было выдумано с нуля. Как утверждает издание , буква X в середине названия – не случайность: она сознательно перекликается с обозначениями x86 и x64, которыми маркируются процессоры Intel и совместимые с ними чипы. Это была своего рода дерзкая заявка компании на территорию, которую традиционно занимали лишь гиганты x86-индустрии. Ребрендинг сопровождался переездом в новый головной офис в Остине, штат Техас, и найму трёх вице-президентов из IBM, Polycom и Freescale: Карла Фройнда, Боба Бофмана и Стива Битти, что придало компании более серьёзный вид перед предстоящим публичным дебютом.
Идея построить серверный SoC вокруг энергоэффективных ARM-ядер мобильного класса
Ключевая идея Calxeda звучала почти провокационно просто: а что, если взять энергоэффективные процессоры, которые используются в мобильных телефонах, и поставить их вместо мощных, но прожорливых серверных чипов Intel и AMD? На фоне того, что дата-центры по всему миру потребляли колоссальные объёмы электроэнергии и требовали дорогостоящих систем охлаждения, идея заменить один горячий и мощный x86-процессор десятками маленьких ARM-ядер выглядела как разумная альтернатива для определённых типов нагрузок: веб-хостинга, аналитики больших данных, облачных вычислений.
Это была кстати довольно очевидная идея для конца нулевых/начала десятых. Та же SeaMicro, историю которой мы уже рассказывали, желала решить примерно похожие проблемы, таким же огромным количеством энергоэффективных ядер. Но за основу взяла не мобильную архитектуру, а полноценную x86, пускай и очень слабых Intel Atom.
Дебют компании состоялся на конференции по суперкомпьютерам SC10 в Новом Орлеане в ноябре 2010 года, где Calxeda впервые публично рассказала о своих планах. К тому моменту компания уже привлекла 48 миллионов долларов инвестиций от внушительного пула партнёров, а также венчурных фондов. Для чипового стартапа на столь раннем этапе это была весьма серьёзная сумма, которая говорила о том, что крупные игроки индустрии всерьёз рассматривали ARM как потенциальную угрозу гегемонии x86.
EnergyCore ECX-1000: сердце первого поколения
Флагманский продукт компании, чип EnergyCore ECX-1000, был официально представлен 1 ноября 2011 года. Calxeda назвала это событие запуском SoC (system-on-chip) для облачных серверов. Внешне чип напоминал то, что можно найти внутри смартфона, но внутренняя архитектура была спроектирована именно под серверные нагрузки.
Технические характеристики чипа выглядели впечатляюще на фоне x86-конкурентов того времени:
- Четыре 32-битных ядра ARM Cortex-A9 с тактовой частотой от 1.1 до 1.4 ГГц
- 4 МБ общего кэша второго уровня
- Встроенный сетевой коммутатор пропускной способностью 80 Гбит/с прямо на кристалле
- Отдельное управляющее ядро (Management Engine) для оптимизации энергопотребления
- Энергопотребление всего 1.5 Вт на процессор
Именно интеграция сетевого коммутатора прямо в кристалл процессора была настоящей инновацией Calxeda. Вместо того чтобы полагаться на внешние сетевые коммутаторы – дорогостоящее и энергозатратное решение, чип мог напрямую связываться с другими узлами в сетке, гриде или древовидной топологии. Это позволяло объединять тысячи процессоров без дополнительной инфраструктуры коммутации, что радикально снижало и стоимость, и энергопотребление всей системы.
Архитектура первого серверного процессора Calxeda EnergyCore ECX-1000. Источник: .
Готовый серверный узел на базе ECX-1000, включающий 4 ГБ оперативной памяти и SSD-накопитель большой ёмкости, потреблял всего 5 Вт энергии. Для сравнения: одна EnergyCard с четырьмя четырёхъядерными серверами (то есть 16 ядрами) потребляла 20 Вт. Тогда как единственный четырёхъядерный процессор Intel Xeon E3 потреблял от 45 до 95 Вт в зависимости от модели. Разница в энергоэффективности была без преувеличения кратной.
480 ядер в одном корпусе: смелость на грани безумия
Ещё до официального анонса EnergyCore компания рассказывала о своих планах создать сервер форм-фактора 2U (то есть высотой всего 8.9 сантиметра), способный вместить 120 вычислительных узлов ARM Cortex-A9. С учётом того, что каждый чип содержал четыре ядра, суммарное количество процессорных ядер в одном таком корпусе достигало 480. Цифра, которая на момент анонса звучала почти фантастически для серверов такого компактного размера.
Собственно, именно 480 ядер достичь на практике в рамках одного сервера не вышло. Заявленная ранее конфигурация со 120 узлами в 2U не стала массовым продуктом. Одной из реально поставлявшихся систем был Boston Viridis с 48 узлами и 192 ядрами в 2U.
Сервер Boston Viridis, разработанный совместно с Calxeda. Источник: .
Каждый узел в такой конфигурации потреблял в среднем всего 5 Вт с учётом расходов оперативной памяти на динамическое обновление данных. Компания предусмотрела встроенную схему связи между узлами прямо в интегральной микросхеме, что снова подчёркивало главную философию Calxeda: минимизировать всё, что не является непосредственно вычислительной работой.
Партнёрство с HP и платформа Redstone
Самым громким и стратегически важным партнёрством Calxeda стало сотрудничество с Hewlett-Packard. 31 октября 2011 года, одновременно с анонсом EnergyCore, HP объявила о создании платформы разработки Redstone Server Development Platform – первого серверного дизайна HP на базе ARM. Название "Redstone" было отсылкой к ракете-носителю Redstone, одной из первых американских ракет, что подчёркивало амбициозность проекта.
Сервер HP Redstone 470. Источник: .
Платформа Redstone представляла собой шасси высотой 4U, способное вместить до 288 чипов Calxeda с общей инфраструктурой питания, охлаждения и управления. По расчётам HP, такая конфигурация была способна заменить порядка 700 традиционных серверов, значительно упрощая при этом инфраструктуру коммутации и управления дата-центром. Важная деталь: сама Calxeda никогда не производила готовые серверы самостоятельно. Компания предоставляла лишь чипы и референсные платы, а собственно сборкой и продажей готовых систем занимались OEM-партнёры вроде HP, Boston Limited, Foxconn, Aaeon и Gigabyte.
Аналитик исследовательской компании IDC Ричард Фичера в своём заявлении для прессы охарактеризовал новую технологию как "звонок пробуждения" для Intel и AMD, отметив, что решение HP и Calxeda обещало улучшение энергоэффективности более чем на 90% и аналогичный прирост физической плотности по сравнению с современными на тот момент x86-решениями. Такие смелые заявления от независимого аналитика придавали технологии Calxeda дополнительный вес в глазах индустрии.
Философия "физикализации"
Одна из самых концептуально интересных особенностей подхода Calxeda заключалась в том, что компания сознательно шла вразрез с доминирующим на тот момент трендом виртуализации. В то время как Intel, AMD, VMware и весь остальной серверный мир двигались в сторону консолидации множества виртуальных машин на одном мощном физическом процессоре, Calxeda предлагала прямо обратную стратегию, которую сама компания называла "physicalization" (физикализация).
Вместо того чтобы делить один дорогой и горячий чип на десятки виртуальных серверов с помощью гипервизора, Calxeda предлагала дать каждой рабочей нагрузке собственное, физически отдельное, но очень маленькое и дешёвое ядро. На практике это означало, что вместо традиционной виртуализации в системах Calxeda использовались легковесные LXC-контейнеры на базе Ubuntu. Это подход, который только спустя годы стал мейнстримом в мире контейнеризации (Docker появился лишь в 2013 году), но в 2011-м выглядел новаторски.
Конструктив: EnergyCard как строительный блок
Физическим воплощением этой философии стала плата EnergyCard – компактный модуль, на котором размещались четыре чипа ECX-1000, слоты для DIMM-модулей памяти и до 16 портов SATA для подключения накопителей. Одна такая карта фактически представляла собой четыре независимых сервера на одной печатной плате, суммарно дающие 16 вычислительных ядер.
Референсная модульная плата Calxeda – EnergyCard. Источник: .
Пять таких карт устанавливались в стандартный корпус высотой 2U, формируя двадцать полностью независимых серверных инстансов в одном компактном шасси. Каждая карта выделяла настолько мало тепла, всего около 20 Вт, что охлаждение обходилось пассивными радиаторами без необходимости в дополнительных вентиляторах на уровне самой карты. Такая конструкция принципиально меняла подход к охлаждению дата-центров, снижая нагрузку на системы климат-контроля.
Реальность против маркетинга
Несмотря на впечатляющие заявления о преимуществах в энергоэффективности, независимые технические тесты быстро показали, что первое поколение чипов Calxeda не было готово конкурировать с x86 во всех сценариях без исключения. Тестирование, проведённое авторитетным изданием AnandTech, выявило, что по некоторым метрикам, в частности, по пропускной способности оперативной памяти – процессор Cortex-A9 иногда уступал даже недорогому Intel Atom, не говоря уже о полноценных серверных Xeon.
Дополнительным ограничением была 32-битная архитектура ядер Cortex-A9, которая не позволяла адресовать более 4 ГБ оперативной памяти на чип. Это весомое ограничение для многих корпоративных задач того времени. Тем не менее для узкоспециализированных сценариев: Hadoop-кластеров, распределённых баз данных типа Cassandra, статического веб-хостинга, там где важна массовая параллельность и энергоэффективность, а не производительность одного ядра, платформа демонстрировала вполне достойные результаты.
Новый раунд финансирования и амбиции HPC
В октябре 2012 года Calxeda закрыла третий раунд финансирования, привлекший дополнительные 55 миллионов долларов от новых инвесторов. С учётом этого раунда суммарный объём привлечённых компанией инвестиций превысил 100 миллионов долларов, весьма значительная сумма для чипового стартапа, не имевшего собственного производства и полагавшегося на фаундри-партнёров.
К 2013 году амбиции компании выросли ещё сильнее: Calxeda начала целенаправленно продвигать свои чипы для кластеров высокопроизводительных вычислений (HPC), а не только для облачных веб-сервисов. Именно в этот период компания представляла свою вторую линейку чипов на выставках вроде Computex, где ARM-серверы на базе Calxeda демонстрировали Foxconn, Aaeon и Gigabyte.
Midway: второе и последнее поколение
В октябре 2013 года Calxeda анонсировала второе поколение своих чипов под кодовым именем Midway (официальное название EnergyCore ECX-2000). Ключевым изменением был переход с устаревающих ядер Cortex-A9 на значительно более производительные Cortex-A15, что должно было существенно повысить показатель производительности на ватт и сократить разрыв с x86-конкурентами.
Схема EnergyCore ECX-2000, он же Midway. Источник: .
Однако Midway так и не успел раскрыть весь свой потенциал. Полноценный переход на 64-битную архитектуру ARM, запланированный на 2014 год, стал недостижимой целью – компания прекратила деятельность раньше, чем этот план мог реализоваться. Именно отставание в переходе на 64 бита многие обозреватели впоследствии называли одной из ключевых технических причин краха компании, поскольку и рынок, и конкуренты (в частности, будущие 64-битные ARM-чипы от AMD, Qualcomm и других игроков) быстро двигались в этом направлении.
Проект Knockout: попытка выйти за пределы вычислений
Помимо процессоров, Calxeda пыталась расширить своё влияние и в область хранения данных. В январе 2013 года компания представила в рамках Open Compute Project (открытая инициатива, курируемая Facebook для стандартизации оборудования дата-центров) открытую спецификацию системы хранения под кодовым именем Project Knockout. Эта конструкция представляла собой модульное шасси высокой плотности, вмещавшее до 30 накопителей в форм-факторе 2U. Готовые коммерческие продукты на основе этой спецификации, впрочем, до закрытия компании выпущены не были.
Крах: когда деньги внезапно закончились
Конец наступил стремительно. 19 декабря 2013 года Calxeda объявила о прекращении операционной деятельности, уволив 130 из своих сотрудников и оставив лишь минимальную команду для взаимодействия с кредиторами и урегулирования вопросов интеллектуальной собственности. Карл Фройнд, вице-президент по маркетингу компании, в интервью прямо признал: совет директоров проголосовал за закрытие операций именно для того, чтобы сохранить остававшийся капитал, поскольку найти дополнительное финансирование не удалось.
Причины краха были комплексными. Ожидаемый коммерческий успех партнёрства с HP по программе Moonshot не материализовался в достаточном объёме продаж, чтобы окупить инвестиции. Первое поколение чипов оказалось технически недостаточно мощным для широкого спектра корпоративных нагрузок, а второе поколение (Midway) появилось слишком поздно и без критически важного перехода на 64-битную архитектуру. При этом рынок серверов уже начал двигаться в сторону 64-битных ARM-решений, которые предлагали другие производители, и окно возможностей для Calxeda стремительно сужалось.
Оценочный суммарный объём инвестиций, привлечённых компанией с момента основания, составил свыше 100 миллионов долларов. К концу 2013 года компания не располагала капиталом, достаточным для продолжения разработки и вывода следующих поколений продуктов, и не смогла привлечь новый раунд финансирования.
Заключение: пионер, опередивший своё время
Спустя годы после закрытия Calxeda часто вспоминают именно как пионера, который вышел на рынок на несколько лет раньше, чем сама индустрия дата-центров была готова воспринять идею энергоэффективных ARM-серверов. К 2020 году поддержка платформ Calxeda в ядре Linux была официально прекращена, за прошедшие годы обнаружить работающий сервер на этих чипах стало крайне редким явлением.
Тем не менее сама идея, которую отстаивала Calxeda: что энергоэффективные, массово-параллельные ARM-архитектуры могут заменить традиционные x86-серверы в определённых нагрузках, впоследствии полностью реализовалась в продуктах совершенно других компаний. Сегодня облачные провайдеры вроде Amazon с их процессорами Graviton, а также специализированные производители типа Ampere Computing, успешно продают именно то, о чём мечтала Calxeda более десятилетия назад: серверы на базе ARM, обеспечивающие лучшую энергоэффективность по сравнению с классическими x86-решениями.
Инженерные проекты эмуляции вроде QEMU до сих пор сохраняют платформы highbank (ECX-1000) и midway (ECX-2000) в качестве исторических референсных моделей для разработчиков ARM-архитектуры, как своего рода цифровой памятник компании, которая рискнула бросить вызов Голиафу серверной индустрии на несколько лет раньше срока.
