數(shù)據(jù)中心CPU芯片，ARM可堪重負(fù)？

數(shù)據(jù)中心是算力的聚集地，絕大多數(shù)算力都聚焦在超算中心、數(shù)據(jù)中心并以服務(wù)器釋放到千行百業(yè)。在行業(yè)數(shù)字化及國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程中，x86、ARM及RISC-V等各種架構(gòu)派系處理器、服務(wù)器、加速器都以獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)在數(shù)據(jù)中心散發(fā)著“光”和“熱”。 ?

本文從數(shù)據(jù)中心芯片占比、應(yīng)用生態(tài)兼容、性能、技術(shù)演進(jìn)等維度著手，分析國(guó)內(nèi)基于ARM芯片廠商的行業(yè)兼容性及應(yīng)用生態(tài)現(xiàn)狀。

一、超算中心現(xiàn)狀及芯片占比

縱觀超算中心，從第60屆TOP500榜單數(shù)據(jù)顯示，Intel仍然是超算系統(tǒng)中最大的處理器廠商，占有率達(dá)到75.80%，Xeon芯片超算系統(tǒng)中應(yīng)用普遍，最新入榜的Leornardo采用的就是Xeon Platinum處理器。 ?

AMD處理器是受歡迎的HPC系統(tǒng)芯片，其占有率20.20%，且占有率持續(xù)增長(zhǎng)（從18.60%上升至20.20%）。TOP500系統(tǒng)中有101個(gè)系統(tǒng)采用AMD處理器，例如排名第一的Frontier和排名第三的LUMI。 ?

從TOP500榜單數(shù)據(jù)來(lái)看，基于Intel和AMD的x86架構(gòu)CPU占據(jù)超算中心96%系統(tǒng)份額。 ?

不難理解，超算中心重點(diǎn)考量指標(biāo)就是算力（Benchmark）和系統(tǒng)性能（業(yè)務(wù)Workload），這正是以x86為代表的復(fù)雜指令集的強(qiáng)項(xiàng)。 ?

從算力角度講，CPU乃至服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計(jì)決定算力，尤其是浮點(diǎn)及雙精度運(yùn)算能力，即64位浮點(diǎn)數(shù)字的計(jì)算（FP64）；排名第一的Frontier超算系統(tǒng)就基于HPE Cray EX架構(gòu)，第三代AMD EPYC處理器保證極高性能。 ?

但系統(tǒng)性能方面，在如天氣預(yù)報(bào)等精度要求極高仿真行業(yè)，不僅需要超高算力，還需兼容CPU架構(gòu)的商業(yè)軟件保證系統(tǒng)性能，行業(yè)及CPU架構(gòu)高度優(yōu)化過(guò)的商業(yè)軟件才能保證系統(tǒng)性能、業(yè)務(wù)效率及準(zhǔn)確度。

從《開放架構(gòu)HPC技術(shù)與生態(tài)白皮書》可得知，超算及數(shù)據(jù)中心應(yīng)用生態(tài)的行業(yè)，例如油氣、制造CAE等行業(yè)以商業(yè)軟件為主，涉及核心算法、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累，對(duì)結(jié)果精準(zhǔn)的要求并非開源軟件可替代，x86架構(gòu)對(duì)商業(yè)軟件支持的完備度最高。

二、ARM數(shù)據(jù)中心份額及生態(tài)

在超算中心，ARM處理器表現(xiàn)平平；雖然日本Fugaku系統(tǒng) TOP500榜單排名第二，但該系統(tǒng)并非通常意義上的ARM架構(gòu)，而是由富士通基于超算優(yōu)化版的A64FX處理器。市場(chǎng)份額上，ARM屬于Others陣營(yíng)，與RISC-V等架構(gòu)同屬4%行列。 ?

在數(shù)據(jù)中心，x86市場(chǎng)份額依然堅(jiān)挺，據(jù)IDC數(shù)據(jù)，Intel和AMD x86合計(jì)市占率91%；ARM在依然屬于Others陣營(yíng)；但在非X86領(lǐng)域，ARM以低能耗、高效率、發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)占據(jù)移動(dòng)終端市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，使用最廣泛、發(fā)展最成熟，市占率達(dá)到43.2%，遠(yuǎn)高于RISC-V 9%。在移動(dòng)終端方面，ARM占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

回歸到RAM生態(tài)，ARM在HPC行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)兼容生態(tài)完備度較強(qiáng)，如教育、氣象、生命等重要的科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域中都有開源軟件ARM 指令集版本，少量或無(wú)需開發(fā)即可完成軟件移植。 ?

然而，在傳統(tǒng)行業(yè)，如智慧城市、數(shù)據(jù)庫(kù)、中間件等應(yīng)用受限細(xì)分行業(yè)及場(chǎng)景差異性，兼容復(fù)雜性等諸多因素，兼容覆蓋度略顯不足，一般按需定制開發(fā)。

三、ARM芯片架構(gòu)及玩家分析

ARM作為精簡(jiǎn)指令集，其優(yōu)勢(shì)在功耗比，結(jié)合其在移動(dòng)終端領(lǐng)域市場(chǎng)優(yōu)異表現(xiàn)，決定主要應(yīng)用在移動(dòng)和嵌入式市場(chǎng)。 ?

從功耗來(lái)講，對(duì)于單CPU的手機(jī)采用arm來(lái)降低功耗效果是非常明顯的；但在數(shù)據(jù)中心、超算中心，服務(wù)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如磁盤、加速卡等數(shù)量遠(yuǎn)高于CPU，這導(dǎo)致服務(wù)器的主要功耗不在CPU，因此，衡量數(shù)據(jù)中心能耗的方式也與移動(dòng)終端不同。 ?

數(shù)據(jù)中心有專有冷卻裝置保證數(shù)據(jù)中心的整體能耗：PUE，如超算中心Green10排名第3的Adastra系統(tǒng)（319,072核，HPE Cray EX235a），相比Setonix- GPU系統(tǒng)（181,248核，HPE Cray EX235a），CPU核數(shù)更多，Green10排名反而更靠前。

在性能上，ARM芯片依靠多核心堆砌，單核性能相對(duì)薄弱（單CPU堆至64核），尤其在雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算總體比不上x86架構(gòu)芯片性能。由于新型XPU加速卡算法、算子庫(kù)都基于x86開發(fā)，難以通過(guò)加速卡在ARM架構(gòu)上進(jìn)行性能加速。 ?

制于ARM芯片性能、生態(tài)原因，桌面PC發(fā)展也受到一些限制。國(guó)產(chǎn)ARM芯片在PC電腦的應(yīng)用更為慘淡，目前主要為飛騰PKS體系內(nèi)。 ?

在人工智能背景下，ARM除了性能、生態(tài)的本身問(wèn)題外，V9架構(gòu)迭代的延續(xù)性問(wèn)題導(dǎo)致在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域發(fā)展空間受限。 ?

目前國(guó)產(chǎn)Arm架構(gòu)CPU服務(wù)器玩家大體分為華為的鯤鵬系和中電子的飛騰系。飛騰、華為等公司已掌握 Arm64 處理器核、微架構(gòu)及芯片設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)。 ?

華為發(fā)布了一系列基于 Arm 架構(gòu)的服務(wù)器產(chǎn)品，如2019發(fā)布的鯤鵬920，作為7nm數(shù)據(jù)中心ARM處理器，專為大數(shù)據(jù)處理以及分布式存儲(chǔ)等應(yīng)用而設(shè)計(jì)。而飛騰則建立了PKS體系，主要也用于服務(wù)器產(chǎn)品，分為高性能服務(wù)器芯片、高效能桌面芯片和高端嵌入式芯片，現(xiàn)在移動(dòng)終端市場(chǎng)占據(jù)統(tǒng)治地位。

四、ARM、RISC-V困境及國(guó)產(chǎn)發(fā)展之道

當(dāng)前國(guó)內(nèi)六家主流CPU廠商鯤鵬、飛騰、兆芯、龍芯、海光、申威紛紛發(fā)力，從國(guó)外引進(jìn)各種不同技術(shù)架構(gòu)如ARM、X86、MIPS等；八仙過(guò)海各顯神通。 ?

國(guó)產(chǎn)CPU產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了三種不同的路線，海光和兆芯基于x86指令集在商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域更具優(yōu)勢(shì)，龍芯和申威依靠自主研發(fā)的優(yōu)勢(shì)在特種應(yīng)用場(chǎng)景上受到青睞，鯤鵬、飛騰基于ARM架構(gòu)，在具有優(yōu)勢(shì)的特定賽道尋找超車的機(jī)會(huì)。 ?

相比占據(jù)壟斷地位的x86指令集，ARM指令集本身作為彎道超車思維的產(chǎn)物。ARM指令集的優(yōu)點(diǎn)在于功耗小，能效比優(yōu)秀，打開了移動(dòng)端設(shè)備和消費(fèi)類電子的市場(chǎng)，這也跟ARM在移動(dòng)終端的市場(chǎng)優(yōu)異表現(xiàn)一致。 ?

鯤鵬系主要是以華為自家TaiShan系列服務(wù)器為核心，向服務(wù)器合作廠商（如神州數(shù)碼、寶德等）出售鯤鵬主板。近兩年在鯤鵬和飛騰的大力推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)ARM生態(tài)發(fā)展迅速，但目前國(guó)內(nèi)市占僅有7%。 ?

飛騰則基于PKS體系，在信創(chuàng)領(lǐng)域有較好的市場(chǎng)表現(xiàn)。飛騰CPU(Phytium)和麒麟操作系統(tǒng)(Kylin)?和S-Security”的立體防護(hù)安全鏈，在安全性上有更明顯的優(yōu)勢(shì)，從而在對(duì)信息安全要求更高的領(lǐng)域，獲得了一席之地。

相比RISC-V，ARM經(jīng)過(guò)二三十年時(shí)間的積累，已經(jīng)形成了比較完善的生態(tài)，尤其是在基礎(chǔ)軟件方面，包括操作系統(tǒng)、基礎(chǔ)庫(kù)、編程語(yǔ)言與編譯器、開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境等等，對(duì)CPU架構(gòu)有個(gè)支撐。 ?

無(wú)論鯤鵬依托華為生態(tài)還是飛騰PKS體系強(qiáng)調(diào)的安全性，本質(zhì)上還都是ARM處理器在特定領(lǐng)域發(fā)展自身生態(tài)，以切入一個(gè)特定市場(chǎng)。

五、總結(jié)

從生態(tài)長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，一方面，ARM服務(wù)器跟數(shù)據(jù)中心主流x86生態(tài)相互不兼容，如果用戶需要從x86平臺(tái)切換到ARM平臺(tái)，遷移工作量大；并且因?yàn)楦餍懈鳂I(yè)部署環(huán)境不相同，軟件問(wèn)題很難從服務(wù)器廠商獲得幫助。另一方面，開源為產(chǎn)業(yè)入局開啟一扇窗，但同時(shí)，對(duì)企業(yè)創(chuàng)新及差異化優(yōu)勢(shì)又筑起了一道墻，ARM版本的開源軟件在商用之前往往需進(jìn)行功能完善、性能調(diào)優(yōu)，工作量及難度大。 ?

在應(yīng)用場(chǎng)景上，鯤鵬系和飛騰系都是基于既有生態(tài)和行業(yè)在服務(wù)器領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)，逐漸向數(shù)據(jù)中心、存量x86市場(chǎng)邁進(jìn)，但ARM在應(yīng)用性能、生態(tài)、技術(shù)演進(jìn)等方面的不足需要時(shí)間逐步完善。 ?

在技術(shù)上，鯤鵬和飛騰均獲得ARM v8指令集授權(quán)研發(fā)設(shè)計(jì)CPU產(chǎn)品，但ARM指令集演進(jìn)問(wèn)題一直被詬病。對(duì)于國(guó)內(nèi)信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)，ARM架構(gòu)在延續(xù)性和自主性的問(wèn)題亟待解決。

審核編輯：劉清