IBM công bố chip mainframe thế hệ mới: Chạy song song kiến trúc Arm và Z trên cùng một lõi

Tại hội nghị Hot Chips thường niên, IBM đã công bố một thay đổi có thể coi là quan trọng nhất đối với kiến trúc mainframe trong nhiều thập kỷ: một bộ xử lý có các lõi có thể thực thi đồng thời cả tập lệnh riêng của IBM lẫn tập lệnh của Arm, với khả năng chuyển đổi chỉ trong vài nano giây. Con chip này, dự kiến cung cấp sức mạnh cho thế hệ hệ thống IBM Z và LinuxONE tiếp theo, là bộ xử lý mainframe kiến trúc kép đầu tiên từng được chế tạo, cho phép doanh nghiệp chạy hệ sinh thái phần mềm Linux gốc Arm khổng lồ, bao gồm cả các framework AI, ngay cạnh các khối lượng công việc xử lý giao dịch z/OS truyền thống của các ngân hàng, công ty bảo hiểm và chính phủ.

Bước nhảy vọt về kiến trúc: Mỗi lõi xử lý đều "song ngữ"

Điểm khác biệt lớn nhất trong thiết kế của IBM là họ đã chọn cách tiếp cận triệt để thay vì giải pháp đơn giản là gắn thêm một vài lõi Arm vào một góc của con chip. Theo ông Jacobi, một trong những kỹ sư chủ chốt của dự án, con chip này có 11 lõi và mỗi lõi có thể tự động chuyển đổi qua lại giữa chế độ phần mềm Arm và chế độ phần mềm Z truyền thống. Điều này cho phép chạy phần mềm doanh nghiệp quan trọng ngay cạnh hệ sinh thái ứng dụng Arm rộng lớn hơn nhiều trên cùng một con chip, mà không cần phải hy sinh hiệu năng.

Cơ chế này dựa trên bộ siêu giám sát mã nguồn mở KVM (Kernel-based Virtual Machine) nổi tiếng. Doanh nghiệp có thể chạy song song các máy ảo Linux kiến trúc Arm64 và Linux trên nền tảng Z. Khi siêu giám sát phân bổ một máy ảo vào một lõi vật lý, lõi đó sẽ lập tức chuyển sang chế độ tương ứng. Ông Jacobi cho biết chi phí hiệu năng cho việc chuyển đổi này gần như bằng không, vì thao tác chỉ mất vài nano giây và thời gian chạy một tác vụ ảo thường kéo dài hàng mili giây, nên chi phí này được "khấu hao" hoàn toàn.

Các khối lượng công việc z/OS truyền thống vẫn chạy trong một phân vùng riêng biệt trên cùng một con chip, bên ngoài KVM. Điều này có nghĩa là sổ cái ngân hàng cốt lõi, mô hình phát hiện gian lận và một hệ thống giám sát hiện đại gốc Arm đều có thể hoạt động trên cùng một hạ tầng silicon, bộ nhớ và các đảm bảo về độ tin cậy. IBM đã cân nhắc phương án "gắn thêm vài lõi Arm" nhưng đã bác bỏ, vì nó không đáp ứng được nhu cầu về chất lượng dịch vụ tương đương mà khách hàng mainframe đang mong đợi.

Con chip này được chế tạo trên tiến trình 2 nanomet tiên tiến, có 11 lõi hiệu năng cao hoạt động ở tốc độ cơ bản trên 5,7 GHz, đi kèm các bộ tăng tốc suy luận AI để phát hiện gian lận trong giao dịch, đơn vị xử lý dữ liệu chuyên dụng cho tăng tốc I/O và kiến trúc bộ nhớ đệm lớn. Một hệ thống hoàn chỉnh có thể mở rộng lên tới hàng trăm lõi và hàng chục terabyte bộ nhớ.

Vì sao mainframe cần cộng đồng 22 triệu nhà phát triển của Arm?

Chiến lược đằng sau con chip này xoay quanh phần mềm, không phải phần cứng. Kiến trúc s390x của IBM xử lý một phần khổng lồ các giao dịch quan trọng của thế giới, nhưng vũ trụ phần mềm doanh nghiệp hiện đại — từ công cụ giám sát, tác tử bảo mật, middleware cloud-native, và trên hết là hệ sinh thái AI với PyTorch, ONNX Runtime — lại được xây dựng cho kiến trúc x86 và ngày càng nhiều cho Arm. Theo ước tính của Arm, gần một nửa sức mạnh tính toán được chuyển đến các nhà cung cấp dịch vụ đám mây lớn vào năm 2025 đều dựa trên kiến trúc Arm (AWS Graviton, Google Axion, silicon Arm của Microsoft).

Việc chuyển đổi (port) từng ứng dụng sang s390x là một nỗ lực tốn kém và chậm chạp. Bà Tina Tarquinio, Giám đốc sản phẩm của IBM Z và LinuxONE, đã mô tả sự tính toán một cách thẳng thắn: “Dù đội ngũ hệ sinh thái của chúng tôi có giỏi đến đâu, chúng tôi cũng không thể làm việc với tất cả các nhà cung cấp phần mềm độc lập (ISV) để chuyển đổi toàn bộ ứng dụng của họ. Chúng tôi muốn tạo ra một bước tiến nhảy vọt về công nghệ.”

Điều thú vị là khách hàng không hề yêu cầu một con chip kiến trúc kép. Họ chỉ yêu cầu kết quả: các khối lượng công việc mới (surround workloads) có thể được triển khai nhanh hơn, đưa ra thị trường sớm hơn. Và cam kết tương thích của IBM là rất tham vọng: các tệp nhị phân Linux chạy trên Arm có thể chạy mà không cần sửa đổi gì. Kiến trúc Arm sẽ do Arm định nghĩa và cung cấp các công cụ xác thực để đảm bảo việc triển khai của IBM hoạt động giống hệt mọi con chip Arm khác, trong khi IBM hoàn toàn tự thiết kế và chế tạo silicon.

Tăng tốc AI doanh nghiệp trên mainframe với thế hệ Spyre mới

Không chỉ dừng lại ở việc hợp nhất kiến trúc, IBM còn hé lộ thế hệ tiếp theo của bộ tăng tốc AI Spyre tại Hot Chips. Sự kết hợp này là có chủ đích. Kiến trúc hiện tại đã có hai lớp AI: một bộ tăng tốc trên bộ xử lý (giới thiệu từ chip Telum năm 2022) cho các tác vụ suy luận có độ trễ cực thấp như chấm điểm gian lận trong giao dịch, và một thẻ tăng tốc Spyre trong hệ thống I/O cho các mô hình nặng hơn.

Thế hệ Spyre mới hứa hẹn nâng cao đáng kể năng lực, có thể chạy các mô hình ngôn ngữ lớn (LLM) cho các quy trình làm việc agentic (tự động hóa thông minh), bao gồm cả vận hành AI (AI-ops) lẫn các quy trình kinh doanh như hiểu tài liệu và xử lý bảo hiểm. Bộ tăng tốc mới sẽ được trang bị bộ nhớ băng thông cao để nuôi dưỡng các mô hình này.

Tại đây, chiến lược kiến trúc kép và chiến lược AI hội tụ. Doanh nghiệp muốn chạy mô hình suy luận ngay cạnh dữ liệu của họ; dữ liệu đó nằm trên mainframe; và các công cụ AI thì gần như đều gốc Arm. Ông Mohamed Awad, Phó Chủ tịch điều hành mảng cloud AI của Arm, nhận định: “Khi AI mở rộng quy mô, ngày càng nhiều mảng của ngành điện toán hội tụ về Arm. Việc đưa Arm và hệ sinh thái phần mềm của nó lên các nền tảng này sẽ mở rộng đà phát triển đó vào cơ sở hạ tầng doanh nghiệp quan trọng, mang lại cho tổ chức nhiều lựa chọn hơn trong việc triển khai AI.”

Lộ trình ra mắt và tương lai của mainframe

Người mua sẽ cần kiên nhẫn. Con chip mới sẽ xuất hiện trên thế hệ kế nhiệm của dòng z17 (ra mắt quý 2/2025). Theo chu kỳ sản phẩm khoảng ba năm của IBM, dự kiến sẽ có mặt vào khoảng năm 2028. Tuy nhiên, bà Tarquinio khẳng định chương trình này đã vượt xa giai đoạn ý tưởng: “Chúng tôi đang dốc toàn lực cho toàn bộ hệ thống.”

Đối với các khách hàng hiện tại của IBM, câu hỏi lớn là liệu việc chấp nhận Arm có báo hiệu sự lụi tàn cho kiến trúc Z truyền thống hay không. Các giám đốc điều hành của IBM đã bác bỏ quan điểm này. Bà Tarquinio nhấn mạnh: “Đây là sự bổ sung, không phải thay thế. Lộ trình của chúng tôi kéo dài 10 đến 15 năm.” Ông Jacobi thì coi đây là sự tiếp nối, là một vòng lặp tiến hóa tiếp theo của mainframe, giống như cách họ đã thêm mã hóa toàn diện và AI trên bộ xử lý trước đây.

Điểm cạnh tranh ngầm ở đây là đám mây. Khi được hỏi tại sao doanh nghiệp nên chạy khối lượng công việc Arm trên mainframe thay vì trên các nền tảng đám mây lớn, bà Tarquinio chỉ vào con số cam kết về độ khả dụng: “Chúng tôi nói đến độ khả dụng chín số 9 (99,999999%), tức là chỉ 0,3 giây gián đoạn mỗi năm. Nếu bạn vận hành sổ cái hay hệ thống phát hiện gian lận, bạn sẽ cần điều đó.” Lời đề nghị là lựa chọn hạ tầng phù hợp với hợp đồng mức dịch vụ (SLA), chứ không phải chạy theo xu hướng.

Tất nhiên, vẫn còn đó những thách thức thực tế. Hỗ trợ Arm hiện chỉ giới hạn cho Linux. Phần khó nhất về kỹ thuật — chạy một kiến trúc tập lệnh khác ở hiệu suất sản xuất với khả năng phát hiện và phục hồi lỗi cấp độ mainframe — vẫn còn phải được chứng minh trong một hai năm tới.

Nhưng tham vọng là không thể phủ nhận. Trong 60 năm qua, mainframe đã tồn tại qua mọi làn sóng công nghệ tưởng chừng sẽ giết chết nó — máy tính mini, mô hình client-server, điện toán đám mây — bằng cách hấp thụ những gì cần thiết từ mỗi làn sóng đó. Giờ đây, IBM đang thực hiện nỗ lực hấp thụ táo bạo nhất: dạy cho cỗ máy xử lý dòng tiền của thế giới biết “nói” ngôn ngữ của kỷ nguyên AI một cách lưu loát và nguyên bản trên cùng một silicon. Mainframe hóa ra không hề bị bỏ lại phía sau bởi tương lai. Nó đang học cách để vận hành cả tương lai đó.