ARM服務(wù)器芯片，火了

作者：九林

在數(shù)據(jù)中心需求增長的趨勢(shì)下，核心芯片的角逐越演越烈。各方力量不留余力的推動(dòng)自身數(shù)據(jù)中心的發(fā)展時(shí)，服務(wù)器作為數(shù)據(jù)中心最核心的硬件，其芯片也備受關(guān)注。

早期的服務(wù)器芯片，由RISC架構(gòu)一統(tǒng)天下。后來隨著，英特爾推出X86架構(gòu)，逐漸擠壓RISC處理器市場，在很長的一段時(shí)間內(nèi)，AMD和英特爾都占據(jù)著服務(wù)器市場的主流，其中英特爾市場份額超過90%，AMD則吃掉剩下的部分。

多年來，業(yè)界一直在問：“ARM架構(gòu)能夠在數(shù)據(jù)中心覓得一席之地嗎？”

早年的折戟

ARM架構(gòu)進(jìn)攻服務(wù)器市場并非易事。ARM陣營進(jìn)入服務(wù)器芯片市場的謀劃已有多年，早在2008年，ARM就開始醞釀服務(wù)器芯片計(jì)劃，惠普、AMD、博通、高通等美國企業(yè)都曾發(fā)布過ARM架構(gòu)的服務(wù)器芯片，但全都折戟。

Calxeda早已倒閉，Applied Micro后來將ARM架構(gòu)服務(wù)器芯片業(yè)務(wù)賣掉，甚至連三星都在產(chǎn)品開發(fā)完成之前就終止了業(yè)務(wù)，從服務(wù)器領(lǐng)域溜之大吉。

當(dāng)時(shí)，很多人將這些公司失敗的原因歸結(jié)于性能。認(rèn)為ARM服務(wù)器芯片完全無法媲美x86競品的性能。但是在2018年，高通推出了首款A(yù)RM的高效服務(wù)器芯片Centriq 2400，最低40核，最高48核，基于三星10nm工藝打造。使用的是自研FalkorCPU核心，三緩為60MB，旗艦級(jí)價(jià)格為1995刀。

當(dāng)時(shí)高通號(hào)稱，當(dāng)運(yùn)行SPECint_2006時(shí)，Centriq 2460性能比英特爾 Purley鉑金8160高出7%，芯片性能數(shù)據(jù)非常出色。

盡管高通還請(qǐng)來了阿里、鏗騰、安邁等巨頭撐腰，但一陣吵吵嚷嚷之后，最后也只有一家表示DDOS防御平臺(tái)從X86更換成了ARM。后來，高通宣布削減在“非核心”產(chǎn)品領(lǐng)域的支出，計(jì)劃關(guān)閉服務(wù)器芯片部門，而高通一手操辦服務(wù)器芯片的Anand Chandrasekher也離職了。

高通轟轟烈烈的ARM服務(wù)器芯片最終也以失敗結(jié)尾。

從性能角度來看，高通當(dāng)年推出的CPU不輸當(dāng)時(shí)的主流服務(wù)器芯片，但高通仍然失敗了。

這其中，一部分原因在于高通想要削減在“非核心”產(chǎn)品領(lǐng)域的支出，從而減少了在新領(lǐng)域探索的力度，但更大一部分原因在于當(dāng)時(shí)ARM服務(wù)器市場的生態(tài)尚未搭建成功。

直到2019年，ARM的Neoverse平臺(tái)路線圖的推出，其對(duì)服務(wù)器市場的滲透率開始有了實(shí)質(zhì)提升。2020年蘋果、微軟相繼宣布將發(fā)布基于ARM 的 PC 產(chǎn)品，華為鯤鵬、亞馬遜、Facebook等紛紛布局基于 ARM 的自研服務(wù)器芯片，完善ARM架構(gòu)生態(tài)。

隨著全球最大云計(jì)算亞馬遜在自己云計(jì)算的ARM架構(gòu)CPU Graviton真正部署起來，并且占到自己數(shù)據(jù)中心絕對(duì)量的20%時(shí)，這才標(biāo)志著ARM架構(gòu)CPU在服務(wù)器行業(yè)上量的轉(zhuǎn)折。

崛起的背后

根據(jù)TrendForce數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，隨著云數(shù)據(jù)中心的采用逐漸增長，預(yù)計(jì)到2025年，ARM架構(gòu)在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器市場滲透率將達(dá)到22％。這個(gè)數(shù)據(jù)意味著基于ARM架構(gòu)的服務(wù)器，將在未來3年實(shí)現(xiàn)翻倍增長，這也意味著ARM將帶來不可逆的行業(yè)變化。

為什么曾經(jīng)使得眾多企業(yè)“折戟”的ARM服務(wù)器芯片，現(xiàn)在卻開始嶄露頭角？

這需要從三個(gè)方面來看：

第一個(gè)方面，是服務(wù)器芯片的巨大市場。服務(wù)器的市場就非常龐大，知名研究公司IDC的數(shù)據(jù)顯示，去年云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的總支出為739億美元，同比增長8.8%。彭博行業(yè)研究分析師曼迪普·辛格(Mandeep Singh)指出，僅數(shù)據(jù)中心處理器每年就能創(chuàng)造280億美元的收入。

巨大的服務(wù)器市場，需要的是巨額的服務(wù)器芯片。而在這個(gè)高端計(jì)算市場，單顆芯片的售價(jià)高達(dá)數(shù)千美元。以高通為例，目前，高通提供的手機(jī)芯片通常定價(jià)在幾十美元。相比之下，最高端的服務(wù)器處理器每顆芯片的價(jià)格超過1萬美元。這就是服務(wù)器芯片能夠帶來的巨額利潤，在這種情況下，類似高通的芯片廠商也希望能夠在服務(wù)器市場中分上一杯羹。

第二個(gè)方面，是ARM產(chǎn)品的最強(qiáng)優(yōu)勢(shì)——低功耗。在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，功耗早就成為了一個(gè)重要的問題，隨著服務(wù)器群的擴(kuò)展，每個(gè)大服務(wù)器群都將消耗驚人的電量。眾所周知，ARM架構(gòu)正是憑借其低功耗的優(yōu)勢(shì)，占領(lǐng)了手機(jī)領(lǐng)域的市場。

現(xiàn)在，憑借這一優(yōu)勢(shì)，ARM同樣打入了云服務(wù)器廠商中。許多AWS的客戶表示，與現(xiàn)有英特爾、AMD的服務(wù)器CPU相比，他們租用基于ARM架構(gòu)的Graviton芯片節(jié)省了10%~40%的計(jì)算成本。

正因如此，ARM服務(wù)器芯片最先落地的領(lǐng)域就在云服務(wù)器廠商。對(duì)這些云計(jì)算廠商來說，能夠節(jié)省巨額的功耗，就能帶來不少的收益。

第三方面，是曾經(jīng)被詬病的性能。雖然，在過去的一段時(shí)間內(nèi)，ARM架構(gòu)處理器性能沒有x86架構(gòu)處理器性能強(qiáng)，甚至業(yè)內(nèi)一度認(rèn)為X86架構(gòu)芯片能夠輕而易舉的阻擋ARM架構(gòu)芯片。但是，現(xiàn)在ARM架構(gòu)處理器的性能已經(jīng)趕上甚至超越X86架構(gòu)處理器。

ARM單核的面積僅為 X86 核的 1/7，同樣芯片尺寸下可以繼承更多核心數(shù)。通過“堆核”的方式，使得ARM架構(gòu)處理器在性能快速提升下，也能保持較低的功耗。根據(jù)Ampere給出的數(shù)據(jù)，其CPU的性能超越傳統(tǒng)x86處理器3倍，性能功耗比領(lǐng)先近4倍。與 x86 服務(wù)器CPU相比，Ampere Altra 系列可用50%的能耗，提供200%的性能。

ARM奔向戰(zhàn)場

近年來，ARM架構(gòu)的的興起下，許多巨頭紛紛開始自研ARM架構(gòu)的服務(wù)器芯片，包括國外的亞馬遜、谷歌甚至微軟，國內(nèi)的騰訊、阿里巴巴、華為等等都積極參與其中。

曾經(jīng)失敗的高通似乎也在嘗試再次進(jìn)軍服務(wù)器芯片市場，去年收購了芯片創(chuàng)業(yè)公司Nuvia，而Nuvia創(chuàng)立的目標(biāo)是打造高性能的ARM服務(wù)器芯片。

ARM的服務(wù)器芯片有三大目標(biāo)市場即云計(jì)算、HPC和邊緣計(jì)算。

云計(jì)算陣營

在云計(jì)算領(lǐng)域上，ARM可以說已經(jīng)取得了相對(duì)領(lǐng)先的成功。亞馬遜云、甲骨文云、Azure和阿里云等巨頭紛紛入局ARM云主機(jī)市場。

騰訊云在2021年底發(fā)布了CVM 標(biāo)準(zhǔn)型SR1服務(wù)器，可用于各種類型和規(guī)模的企業(yè)級(jí)應(yīng)用等。這款服務(wù)器吸引人的地方不在于其他配置，而是內(nèi)置的ARM處理器——2.8GHz的Ampere Altra處理器。根據(jù)相關(guān)評(píng)測(cè)，SR1服務(wù)器的算力性價(jià)比超過了同等配置的S5（配置Intel至強(qiáng)Platinum 8255C CPU）服務(wù)器，最高有83%的性能提升。

去年，阿里旗下的平頭哥發(fā)布自研云芯片倚天 710，它基于 ARM 架構(gòu)，官方稱之為 “全球性能領(lǐng)先的云原生處理芯片”，性能超過業(yè)界標(biāo)桿 20%，能效比提升 50% 以上。

作為少數(shù)IT服務(wù)商轉(zhuǎn)型而來的云廠商，華為云可以利用華為在服務(wù)器等硬件方面的優(yōu)勢(shì)，可以提供基于華為鯤鵬芯片的ARM實(shí)例，作為自研的ARM主機(jī)提供商，華為與亞馬遜云和阿里云屬于一類，一方面可以靠鯤鵬生態(tài)，一方面要靠華為服務(wù)行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)。

2021年，UCloud也推出了基于Ampere Altra處理器的主機(jī)，UCloud官方列出了與同等配置x86主機(jī)的價(jià)格差異，大致相差35％，應(yīng)用場景方面，包括各類數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、Redis集群、分布式開源存儲(chǔ)方案，安卓相關(guān)的仿真測(cè)試和開發(fā)測(cè)試，云手機(jī)以及嵌入式開發(fā)等。

此前一直沒有采用ARM芯片的谷歌云，在今年也宣布將開始采用基于ARM技術(shù)的芯片，使用將基于Ampere Computing的Altra芯片。

在較大的云廠商中，似乎只有IBM云，目前還沒有使用ARM架構(gòu)芯片。

當(dāng)然，也有的規(guī)模較小的云廠商覺得，現(xiàn)階段推出ARM主機(jī)的做法不劃算，并沒有推出ARM服務(wù)器的的打算，對(duì)于采用AMD的x86服務(wù)器倒是更熱衷一些，目前，還是x86的實(shí)用性更強(qiáng)一些。

自研也好，用第三方的ARM平臺(tái)也好，整體而言，ARM服務(wù)器的云浪潮開始涌起。

HPC陣營和邊緣計(jì)算陣營

在HPC方面，日本RIKEN實(shí)驗(yàn)室的“Fugaku”超級(jí)計(jì)算機(jī)憑借152064個(gè)48核富士通A64FX處理器位列世界第二。Fugaku使用的ARM架構(gòu)CPU，采用定制的ARM V8架構(gòu)，依托7納米FinFET制程技術(shù)生產(chǎn)。浮點(diǎn)運(yùn)算部分是與ARM合作開發(fā)的SVE指令擴(kuò)展，使用512 bit浮點(diǎn)運(yùn)算單元，大幅強(qiáng)化運(yùn)算能力。

美國能源部下屬的桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室宣布建造ARM處理器的超算Astra，浮點(diǎn)性能達(dá)到2.3PFLOPS。

英偉達(dá)也推出主要面向大型數(shù)據(jù)密集型 HPC的Grace ，內(nèi)置下一代 ARM Neoverse 內(nèi)核，每個(gè)CPU能在 SPECrate2017_int_base 基準(zhǔn)測(cè)試中單位時(shí)間運(yùn)行超過 300 個(gè)實(shí)例。

邊緣計(jì)算方面，英偉達(dá)正擴(kuò)大與 Marvell 的合作，將基于 ARM 的 OCTEON DPU 與 GPU 相結(jié)合，加速 AI 工作負(fù)載，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和安全。

實(shí)際上，ARM自身也在不斷推出助力芯片企業(yè)進(jìn)入高性能計(jì)算場景的平臺(tái)，先后相繼推出了Neoverse V系列、Neoverse N系列和Neoverse E系列。

目前有三家國內(nèi)的初創(chuàng)公司正進(jìn)行基于Neoverse N2的相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)。其中，遇賢微電子和鴻鈞微電子是致力于云原生服務(wù)器 CPU 的開發(fā)，云豹智能則是針對(duì) DPU 領(lǐng)域。

總結(jié)

我國廠商在 ARM 生態(tài)中布局甚廣，華為鯤鵬和天津飛騰芯片均有 ARM 架構(gòu)臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器芯片，ARM 生態(tài)整機(jī)廠商包括長城、浪潮、同方、曙光等，國產(chǎn)操作系統(tǒng)亦廣泛支持。

從服務(wù)器芯片的發(fā)展歷程來看，在2010年，很多企業(yè)只能采用X86芯片，經(jīng)過2010年到2020年的十年攻關(guān)，完成了X86向ARM架構(gòu)的軟件移植?，F(xiàn)在，ARM憑借著自身優(yōu)勢(shì)，開始在服務(wù)器領(lǐng)域沖鋒陷陣。