關(guān)于Arm服務(wù)器芯片的現(xiàn)狀和發(fā)展分析

10多年來，英特爾幾乎是全球服務(wù)器市場的唯一CPU供應(yīng)商。雖然多家芯片開發(fā)商嘗試進(jìn)入，但都以失敗告終。Arm曾經(jīng)信誓旦旦地宣稱到2021年要拿下這一市場25%的份額，但高通退出，Arm陣營其它合作伙伴進(jìn)展緩慢，這一目標(biāo)似乎實(shí)現(xiàn)無望了。然而，Arm并沒放棄，還專門推出了全新的服務(wù)器處理器品牌。最近Amazon和華為也相繼發(fā)布基于Arm的服務(wù)器芯片，似乎給業(yè)界打了一針強(qiáng)心劑。服務(wù)器市場究竟有多大的誘惑呢？

服務(wù)器芯片是一塊250億美元的大肥肉

英特爾 2018年全年?duì)I收預(yù)計(jì)為712億美元，其中數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)（主要是服務(wù)器芯片）約占32%，為230億美元。在全球服務(wù)器芯片市場，英特爾份額超過90%，由此推斷市場規(guī)模約為250億美元。重新進(jìn)入這一市場的AMD 自發(fā)布EPYC（霄龍）服務(wù)器芯片以來，估計(jì)已經(jīng)搶占了接近10%的市場份額，約為20億美元，預(yù)期未來幾年會(huì)有超過10%的增長。

據(jù)市場分析預(yù)測，從2018年到2025年，數(shù)據(jù)中心處理的數(shù)據(jù)每年平均增長達(dá)到50%。機(jī)器學(xué)習(xí)和其它AI相關(guān)的計(jì)算每年更是以10倍的速度增長，約占數(shù)據(jù)中心總計(jì)算量的25-30%。相應(yīng)地，服務(wù)器和高端服務(wù)器CPU也將以持續(xù)增長，預(yù)計(jì)到2020年服務(wù)器芯片市場規(guī)模將超過300億美元。

AMD重新進(jìn)入服務(wù)器市場的成功策略在于主攻微軟、百度和騰訊等云服務(wù)商，等產(chǎn)品和生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)得到市場檢驗(yàn)，然后再做企業(yè)客戶的工作。這一策略值得Arm陣營借鑒。自2011年以來，多家芯片開發(fā)商先后投身到Arm服務(wù)器芯片的研發(fā)。但到目前為止，幾乎全軍覆沒。其中Applied Micro被Macom收購拆分，英偉達(dá)、三星和博通都終止了相關(guān)業(yè)務(wù)。Cavium買下博通的Arm服務(wù)器芯片相關(guān)IP，繼續(xù)開發(fā)。高通則因?yàn)橐苿?dòng)芯片業(yè)務(wù)受阻、收購NXP未遂、官司纏身等多重壓力而被迫放棄服務(wù)器芯片業(yè)務(wù)。

Arm需要反思一下，為何在移動(dòng)市場制勝的策略不能成功移植到服務(wù)器市場。Arm的成功秘訣在于利用其處理器IP與授權(quán)合作伙伴一起構(gòu)建強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)。經(jīng)過10年的高速發(fā)展，智能手機(jī)行業(yè)的一大特色是前三大手機(jī)廠商（蘋果、三星和華為）都在自己研發(fā)應(yīng)用處理器（基于Arm架構(gòu)），以此降低成本和凸顯差異化優(yōu)勢。服務(wù)器市場是否也會(huì)出現(xiàn)類似的情況呢？我們先來了解一下關(guān)鍵客戶的需求。

云服務(wù)商尋求英特爾替代方案

服務(wù)器的最大買家是云平臺(tái)服務(wù)商，包括被Gartner評(píng)為Hyperscaler的全球云服務(wù)商AWS、微軟Azure、谷歌云、阿里云、騰訊云，以及Facebook、百度和中國移動(dòng)。主打企業(yè)云和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的華為云也成為一個(gè)Hyperscaler。這些大買家的數(shù)據(jù)中心遍布全球，服務(wù)器使用和保有量以百萬計(jì)。服務(wù)器采購和運(yùn)維成本哪怕降低1%，每年節(jié)省的開支也高達(dá)數(shù)百萬，甚至上千萬美元。x86架構(gòu)的服務(wù)器雖然性能強(qiáng)大，但其功耗（>200W/CPU）也相當(dāng)嚇人，每個(gè)數(shù)據(jù)中心每年的電費(fèi)也是一個(gè)不小的數(shù)字，這些最終都會(huì)攤在云服務(wù)用戶頭上。Arm服務(wù)器也許在性能上還不能與x86相提并論，但在成本和功耗上有明顯的優(yōu)勢。對(duì)云服務(wù)商來說，服務(wù)器性能已經(jīng)不再是唯一的考慮因素，性能/功耗比才是更有價(jià)值的參數(shù)。

近年火爆的AI和機(jī)器學(xué)習(xí)讓很多人有這樣的錯(cuò)覺，似乎AI芯片和GPU才是這些云平臺(tái)服務(wù)商最關(guān)心的，CPU反而變得無關(guān)緊要了。殊不知目前互聯(lián)網(wǎng)流量的70%是視頻，加上搜索、圖片、電商、游戲和移動(dòng)APP等應(yīng)用，構(gòu)成了數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的主要負(fù)載，仍然需要CPU來處理。此外，企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)也產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)需求迫使云平臺(tái)服務(wù)商不斷增加更多服務(wù)器，即便這樣也難以跟上數(shù)據(jù)增長的速度。

苦于沒有選擇，這些服務(wù)商只能忍受英特爾的高價(jià)，也難怪AMD的EYPC服務(wù)器會(huì)受到眾多云服務(wù)商的青睞，Arm服務(wù)器也早已進(jìn)入他們的視野。經(jīng)過多年開發(fā)，針對(duì)Arm平臺(tái)的紅帽企業(yè)級(jí)Linux（RHEL）已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。就連Windows Server也要有Arm版本了。一旦兩大操作系統(tǒng)支持Arm，軟件開發(fā)商和各種應(yīng)用也會(huì)隨著繁榮起來，一個(gè)基于Arm架構(gòu)的服務(wù)器生態(tài)也就逐漸成型了。但是，這個(gè)生態(tài)的主角 — Arm服務(wù)器芯片在哪里？

盡管高通等獨(dú)立芯片開發(fā)商的Arm服務(wù)器業(yè)務(wù)讓人感到失望，但亞馬遜和華為的芯片卻為我們帶來了希望，這是否預(yù)示著云服務(wù)商才是Arm服務(wù)器的救星呢？Arm自己又怎么看？

Arm Neoverse和IoT

平臺(tái)為小伙伴們指明了方向

善于構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)的Arm已經(jīng)從“移動(dòng)”轉(zhuǎn)向下一個(gè)目標(biāo)— IoT。Arm看到的是一個(gè)萬億智能設(shè)備互聯(lián)的未來愿景，其Cortex系列處理器已經(jīng)在支持著每年上百億的智能設(shè)備投入市場，從智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)，到各種網(wǎng)關(guān)和路由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。但是，在服務(wù)器CPU這一高端領(lǐng)域，Cortex似乎有點(diǎn)力不從心。雖然像高通和華為這樣體量的合作伙伴采用的是Armv8授權(quán)架構(gòu)自主開發(fā)服務(wù)器芯片，但局限于Cortex的思維畢竟跟x86架構(gòu)不在一個(gè)層級(jí)上。于是，Arm在去年的TechCon大會(huì)上發(fā)布了新的Neoverse品牌，專門為IoT基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)器芯片制定了明確的未來發(fā)展線路圖。

按照Arm高級(jí)副總裁和基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部總經(jīng)理Drew Henry的說法，Arm目前的Neoverse系列是基于A72和A75內(nèi)核的Cosmos平臺(tái)，采用16nm工藝，AWS Graviton處理器就是基于這一平臺(tái)開發(fā)的。Arm承諾未來3年內(nèi)，Neoverse系列處理器每年將有30%的性能提升。今年的主打平臺(tái)代號(hào)為Ares（古希臘神話中的戰(zhàn)爭之神）, 2020年是Zeus（宙斯，眾神之王）, 2021年則是Poseidon（海王，宙斯之兄）。Neoverse處理器設(shè)計(jì)最高可以容納256個(gè)內(nèi)核，具有更快的存儲(chǔ)器接口、芯片間互聯(lián)帶寬、安全特性，以及虛擬機(jī)等高性能計(jì)算所需要的技術(shù)。

根據(jù)Arm的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，Arm處理器已經(jīng)在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施市場占據(jù)超過25%的份額，其中包括無線基站、WAN路由器、邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)和交換機(jī)等設(shè)備。雖然服務(wù)器不理想，但2018年出貨量也達(dá)到了100萬臺(tái)。然而，要真正建立起來一個(gè)強(qiáng)大的生態(tài)，只有硬件設(shè)備是不夠的，還需要一個(gè)強(qiáng)大的IoT平臺(tái)來支持設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理和連接管理。

Arm Pelion IoT平臺(tái)給出了答案，不但像Arduino這樣的開源硬件加入了這一平臺(tái)生態(tài)，就連英特爾也成了將IoT設(shè)備“綁定到云端”的合作伙伴。在這樣一個(gè)龐大的生態(tài)系統(tǒng)中，有Arm授權(quán)合作伙伴、EDA工具供應(yīng)商、HPE和聯(lián)想等服務(wù)器廠商，以及眾多的開源軟件和硬件開發(fā)商和服務(wù)商。

IoT將是云計(jì)算未來的增長點(diǎn)，這也是Arm服務(wù)器芯片可以充分發(fā)揮價(jià)值的空間。華為云、AWS和微軟Azure都看到了這一點(diǎn)，他們也已經(jīng)行動(dòng)起來了。

云平臺(tái)服務(wù)商自研自用

30年來，半導(dǎo)體行業(yè)逐漸從垂直一體化IDM模式發(fā)展到今天的IC設(shè)計(jì)、EDA/IP和晶圓代工的專業(yè)化分工合作格局。然而，系統(tǒng)廠商卻有從系統(tǒng)到終端設(shè)備，再到芯片的垂直一體化整合趨勢，現(xiàn)在芯片設(shè)計(jì)的技術(shù)門檻降低和晶圓代工模式使得系統(tǒng)廠商自己設(shè)計(jì)芯片成為可能。三星、華為和蘋果都在為自己的手機(jī)自研芯片，谷歌、百度和阿里等互聯(lián)網(wǎng)公司也開始自研芯片了。

1. AWS Graviton處理器投入商用

一直以電商和云服務(wù)為主業(yè)的亞馬遜去年11月份突然宣布自家開發(fā)的Graviton處理器開始支持新的AWS EC2 A1實(shí)例配置，主要面向微服務(wù)、Web服務(wù)器和開發(fā)環(huán)境等可擴(kuò)展應(yīng)用，成本可以大幅降低45%。這一基于Arm架構(gòu)的服務(wù)器芯片是由位于以色列的初創(chuàng)公司Annapurna Labs開發(fā)的。

Annapurna Labs是一家神秘的以色列芯片開發(fā)公司，早期投資者包括以色列半導(dǎo)體大佬Avigdor Willenz、Arm，以及華登國際創(chuàng)始人陳立武。亞馬遜于2015年以3.7億美元全資收購該公司，開始為AWS開發(fā)服務(wù)器芯片。AWS Graviton處理器基于Arm “Cosmos” 平臺(tái)架構(gòu)，包括16個(gè)A72內(nèi)核，網(wǎng)絡(luò)帶寬高達(dá)10Gbps。在第三方基準(zhǔn)測試中，雖然基于Graviton處理器的AWS EC2 a1.4xlarge實(shí)例配置在性能上還是趕不上英特爾至強(qiáng)服務(wù)器和AMD EYPC，但其性價(jià)比要有明顯優(yōu)勢。

2. 華為鯤鵬9200處理器和IoT平臺(tái)

華為最近發(fā)布了Arm服務(wù)器芯片Kunpeng 920（鯤鵬920），以及基于該處理器的三款TaiShan（泰山）服務(wù)器。從性能參數(shù)看，鯤鵬920基于ARMv8架構(gòu)，采用7nm工藝，可以支持64個(gè)內(nèi)核，主頻可達(dá)2.6GHz，集成8通道DDR4和100G RoCE以太網(wǎng)卡。此外，鯤鵬920還支持PCIe4.0及CCIX接口，可提供640Gbps總帶寬。

據(jù)華為稱，基于鯤鵬920的三款服務(wù)器包括均衡型、存儲(chǔ)型和高密型三個(gè)機(jī)型，華為云利用泰山服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了“20％的計(jì)算性能提升”。華為首席戰(zhàn)略營銷官徐文偉在發(fā)布會(huì)強(qiáng)調(diào)，鯤鵬920不是要取代英特爾芯片，其主要應(yīng)用場景包括快速增長的大數(shù)據(jù)、分布式存儲(chǔ)和Arm原生應(yīng)用等。華為與英特爾將繼續(xù)保持長期戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，并繼續(xù)共同創(chuàng)新。日益復(fù)雜的計(jì)算環(huán)境需要異構(gòu)系統(tǒng)才能滿足不同的需求，無論CPU、GPU還是FPGA，都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。x86和Arm架構(gòu)額CPU也可以在同一個(gè)云平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)無縫集成，發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

從華為公布的測試數(shù)據(jù)來看，鯤鵬920在Arm原生應(yīng)用方面的優(yōu)勢最為明顯，具有2倍于同類產(chǎn)品的性能。除了安卓APP和移動(dòng)游戲外，基于Arm的IoT平臺(tái)應(yīng)該也是鯤鵬920的主要應(yīng)用場合。從華為OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的突出表現(xiàn)可以看出其Arm服務(wù)器的未來布局。

華為云雖然進(jìn)入云計(jì)算市場較晚，但已經(jīng)憑借全棧技術(shù)能力入選Gartner的中國Cloud IaaS第一梯隊(duì)，成為一個(gè)Hyperscale云服務(wù)商。最近IHS發(fā)布的全球IoT平臺(tái)供應(yīng)商評(píng)估報(bào)告將華為OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)評(píng)為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。該報(bào)告從市場表現(xiàn)和市場勢頭兩個(gè)方面，對(duì)包括微軟、亞馬遜、阿里云、GE、IBM、思科和SAP等9家全球物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)供應(yīng)商進(jìn)行綜合評(píng)估。華為在設(shè)備連接數(shù)、戰(zhàn)略承諾、設(shè)備增長率、市場廣度、生態(tài)發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新等6個(gè)維度上均處于行業(yè)領(lǐng)先位置。

由華為自己研發(fā)的芯片和服務(wù)器來支持自家的云平臺(tái)，完成從端設(shè)備、邊緣計(jì)算到云端的垂直整合，從而為完整的智能計(jì)算平臺(tái)和生態(tài)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。華為自研芯片未來也許跟Arm和英特爾構(gòu)成一些競爭，但在競爭中合作才是持續(xù)發(fā)展的不二法寶。

獨(dú)立芯片開發(fā)商是否還有機(jī)會(huì)？

高調(diào)進(jìn)入服務(wù)器市場的高通Centriq處理器以失敗告終，這對(duì)Arm陣營無疑是一個(gè)沉重的打擊。現(xiàn)在回頭總結(jié)一下，可以看出高通Arm服務(wù)器芯片業(yè)務(wù)失敗的原因主要有如下三點(diǎn)：

1.服務(wù)器芯片市場已經(jīng)被英特爾壟斷多年，相關(guān)生態(tài)已經(jīng)比較成熟。雖然AMD占到一點(diǎn)地盤，但要以犧牲利潤為代價(jià)。云服務(wù)商和企業(yè)客戶尋求英特爾替代方案的首要?jiǎng)訖C(jī)是降低采購成本，而AMD滿足了這一需求。

2.Arm芯片的低功耗可以降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)營成本的優(yōu)勢還沒有得到很好的驗(yàn)證，再說還需要服務(wù)器OEM廠商、操作系統(tǒng)和軟件生態(tài)的支持才能說服客戶大規(guī)模采購。

3.高通自身運(yùn)營策略的原因。首先，移動(dòng)業(yè)務(wù)增長放緩。前面有大客戶甩開高通自研芯片，后面有聯(lián)發(fā)科和展訊等步步緊逼。其次，想通過收購NXP拓展汽車市場的夢(mèng)想破滅，不得不向股東做出削減10億美元成本的承諾。在這種情況下，前途迷茫的Centriq處理器業(yè)務(wù)自然就首當(dāng)其沖。該部門員工從最多時(shí)的1000人砍掉只剩50人，現(xiàn)在這塊業(yè)務(wù)如何處理還不得而知。

這是否意味著Arm服務(wù)器芯片無法跟x86 CPU抗衡，獨(dú)立的Arm處理器開發(fā)商就沒有機(jī)會(huì)了呢？從高通數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)銷售VP職位辭職并加入Ampere擔(dān)任銷售和業(yè)務(wù)發(fā)展高級(jí)副總裁的Matt Taylor不這么認(rèn)為。

Ampere：陣容強(qiáng)大的Arm服務(wù)器芯片初創(chuàng)公司

Ampere從原來Applied Micro業(yè)務(wù)重組而成，由原英特爾總裁Renee James擔(dān)任董事長和CEO，其首席架構(gòu)師和CFO等高層大都是原英特爾或蘋果干將。Ampere背后的投資者是Carlyle集團(tuán)，雖然具體投資金額不詳，但開發(fā)高端服務(wù)器芯片的花費(fèi)應(yīng)該不會(huì)低于5000萬美元。有外媒稱，Ampere曾試圖從高通手中買下Centriq處理器業(yè)務(wù)，但因?yàn)楦咄ㄅc中國華芯通的合作關(guān)系而作罷。

Matt Taylor認(rèn)為云服務(wù)商對(duì)Arm服務(wù)器還是很感興趣的，高通的失敗主要在于自己的原因，不是沒有市場需求。Ampere去年9月份發(fā)布了eMAG系列芯片，具體性能如下：

內(nèi)置16或32個(gè)Armv8-A內(nèi)核，最高主頻為3.3 GHz Turbo

8個(gè)DDR4-2667存儲(chǔ)控制器

42線PCIe 3.0高帶寬I/O

最大功耗125W TDP

采用TSMC 16nm FinFET工藝

據(jù)Matt Taylor稱，Ampere eMAG價(jià)格僅為英特爾Xeon Gold芯片的一半，而功耗為AMD RYPC的一半。已經(jīng)有聯(lián)想和其它幾家ODM合作伙伴基于該CPU開發(fā)服務(wù)器，聯(lián)想ThinkSystem HR350A就是其中一個(gè)機(jī)型。

Marvell/Cavium ThunderX2

要論在Arm服務(wù)器芯片市場最有持之以恒拼搏精神的莫過于Marvell及其旗下的Cavium。Marvell雖然終止了自己的Arm服務(wù)器芯片研發(fā)，但去年卻斥資60億美元買下ThunderX和ThunderX2開發(fā)商Cavium。ThunderX2處理器也是采用Armv8架構(gòu)，集成32個(gè)內(nèi)核，采用16nm FinFET工藝制造。除了Arm虛擬擴(kuò)展和TrustZone特性外，還具有專用的CCPI2一致性處理器互聯(lián)，速度高達(dá)600Gbps。

HPE Apollo 70系統(tǒng)的CPU就是采用ThunderX2，還有其他一些基于ThunderX2的服務(wù)器/工作站已經(jīng)出貨和投入商用。據(jù)稱微軟也在跟Cavium展開合作，為其Azure云平臺(tái)尋求基于ThunderX2的服務(wù)器方案。

結(jié)語

服務(wù)器芯片市場被一家獨(dú)斷的格局肯定要被打破的，AMD已經(jīng)證明這一點(diǎn)可以做到。Arm及其生態(tài)合作伙伴要想在這一市場分一杯羹，靠單打獨(dú)斗是注定要失敗的。好在Arm Neoverse服務(wù)器芯片系列和Pelion IoT平臺(tái)已經(jīng)明確了發(fā)展線路，這會(huì)增強(qiáng)合作伙伴的信心。對(duì)Arm 來說，從華為鯤鵬和AWS Graviton處理器的自研自用模式可以得到一些啟發(fā)，也許推動(dòng)更多云服務(wù)商采用這一模式才是Arm進(jìn)軍服務(wù)器市場的捷徑。另外，Arm陣營應(yīng)該改變思維，不要只想著在原有應(yīng)用上跟英特爾死磕，而應(yīng)積極尋求AI/ML和IoT等新的應(yīng)用場景。當(dāng)然，Arm也不會(huì)放棄獨(dú)立的芯片開發(fā)商合作伙伴。無論云服務(wù)商，還是獨(dú)立芯片供應(yīng)商，基于Arm的服務(wù)器CPU都有機(jī)會(huì)贏得服務(wù)器市場的成功，在競爭中合作始終是立于不敗之地的策略，就看各家怎么發(fā)揮了。