IBM создала двухархитектурный процессор для мейнфреймов: z/Architecture и Arm в одном 2-нм кристалле

Увеличить

IBM анонсировала первый в истории двухархитектурный процессор для мейнфреймов, который на аппаратном уровне исполняет инструкции s390x (IBM Z / LinuxONE) и AArch64 (Arm). Это не эмуляция, не трансляция и не компоновка разнотипных ядер — каждое из 11 ядер способно одновременно работать с обеими системами команд, переключаясь между ними за наносекунды. Чип построен по передовому 2-нм техпроцессу, работает на частоте более 5,7 ГГц с поддержкой двух потоков на ядро (SMT2) и будет доступен в системах IBM Z и LinuxONE с 2028 года.

IBM реализовала AArch64 на аппаратном уровне поверх собственной z/Architecture, разрешив фундаментальное различие в порядке байтов — z/Architecture использует big-endian, тогда как Arm работает в little-endian. Поддерживается Armv9.3 с расширениями SVE и SVE2, всего 2792 инструкции Arm против примерно 1300 инструкций z/Architecture, что более чем вдвое больше. Заявлено соответствие стандарту Arm SystemReady, гарантирующее запуск любых готовых Arm-приложений без модификаций «из коробки». Для декодирования инструкций используется XML-описание архитектуры Arm, что позволило переиспользовать существующие тракты исполнения ядра IBM Z — механизм переименования регистров и некоторые CISC-оптимизации вроде аппаратного копирования и очистки памяти. Однако разработчикам пришлось добавить новые пути исполнения для векторных расширений SVE, поддержки FP16/Bfloat16 (критично для ИИ-нагрузок) и специализированных криптографических функций.

Кэш-подсистема спроектирована с огромным запасом: 36 Мбайт частного L2-кэша на каждое ядро, виртуальный L3-кэш объемом 432 Мбайт (формируется объединением L2 всех ядер) и виртуальный L4-кэш до 3,5 Гбайт когерентной памяти с экстремально низкой задержкой. Такие объемы не имеют аналогов в серверном сегменте x86 и ориентированы на тяжелейшие корпоративные нагрузки — обработку транзакций в реальном времени, гигантские базы данных и аналитические системы класса OLTP. В чип также интегрирован выделенный встроенный DPU для ускорения операций ввода-вывода, разгружающий основные ядра от сетевых и дисковых прерываний, что критично для систем с высокой плотностью виртуальных машин. Дополнительно установлены аппаратные ускорители криптографии (включая постквантовые алгоритмы), сжатия данных (LZ4, Zstandard) и ИИ-инференса второго поколения — кластер из 16 активных ИИ-ядер (плюс одно резервное) с поддержкой форматов FP4 и MXFP4, обеспечивающий четырехкратный рост TOPS по сравнению с предыдущим поколением. Ускоритель имеет собственные 96 Гбайт HBM3e с пропускной способностью до 4 Тбайт/с и интерфейс PCIe 6.0 для однорангового обмена с другими ускорителями.

Система сохраняет эталонную отказоустойчивость мейнфреймов с заявленной доступностью 99,999999% (около 3 секунд простоя в год). Это достигается комплексом аппаратных механизмов: сквозной проверкой массивов и потоков данных на всех этапах, прозрачным восстановлением после нерегулярных сбоев без остановки выполнения инструкций, резервированием и автоматическим замещением ядер при постоянных сбоях, параллельным восстановлением компонентов и технологией RAIM для аппаратной защиты оперативной памяти. Процессор способен одновременно исполнять инструкции обеих ISA, сохраняя полную детерминированность и предсказуемость поведения в критических сценариях.

На программном уровне интеграция обеспечивается через KVM для запуска виртуальных машин с гостевой ОС как для s390x, так и для AArch64, а также Red Hat OpenShift для оркестрации контейнеров разных архитектур. Логические разделы (LPAR) на мейнфрейме работают как нативные z/OS-приложения, при этом каждый поток может переключаться между исполнением s390x и Arm-инструкций с временем переключения в наносекунды — это не просто сосуществование, а гибридная многопоточность на уровне инструкций. Для Arm-приложений процессор выглядит как нативный Arm-чип, а встроенные ускорители отображаются как стандартные платформенные устройства в Linux, что позволяет разработчику компилировать код для Arm и запускать его на мейнфрейме без каких-либо изменений.

Мейнфреймы IBM обрабатывают около 70% всех финансовых транзакций в мире и используются в здравоохранении, страховании, госсекторе. Их главные козыри — надежность, безопасность, аппаратное шифрование и масштабируемость до сотен ядер и десятков терабайт памяти. Экосистема Arm насчитывает более 22 млн разработчиков и огромный выбор облачного ПО, фреймворков для ИИ и периферийных решений. Однако финансовые компании, работающие в жестком регуляторном поле, не могли покинуть мейнфреймы ради Arm — и наоборот. Новый процессор устраняет этот барьер: сохраняется существующий код для мейнфреймов (миллиарды строк COBOL, PL/I, Assembler) и одновременно внедряются современные Arm-нативные решения — контейнеры, микросервисы, ИИ-пайплайны. Как отметил Кристиан Якоби, CTO IBM Systems Development: «Внедряя Arm непосредственно в наши платформы, мы объединяем доступ к одной из самых быстрых программных экосистем в отрасли с качествами, которые сделали системы IBM основой для ведения бизнеса». Ожидается, что это запустит новую волну внедрения ИИ в регулируемых отраслях, а разработчики смогут писать код для Arm и развертывать его напрямую на мейнфреймах, продлевая жизнь классическим IBM-системам на годы вперед.

Это не первая попытка IBM создать гибридный чип — в 1994 году компания анонсировала PowerPC 615, который должен был исполнять инструкции x86 и PowerPC. Процессор был совместим на уровне сокета с Pentium-платформами, но столкнулся с проблемами экосистемы: поддержка существовала только для Minix и специальной версии OS/2, Microsoft отказалась развивать ПО для него, а macOS на нем никто не планировал запускать. В итоге PowerPC 615 остался прототипом. Сегодняшняя ситуация принципиально иная — Arm не конкурент, а партнер, экосистема огромна, а поддержка со стороны Linux и OpenShift обеспечивает мгновенную совместимость с тысячами приложений.