ARM 伺服器晶片新戰局
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ARM 伺服器晶片新戰局

2020 年 10 月 12 日


英特爾(Intel, INTC-US)一統伺服器晶片江湖已經很久了。雖然在這期間有IBM(IBM-US)和MIPS前來挑戰,但他們誰都無法撼動英特爾的地位。進入了二十一世紀以後,憑藉行動領域而迅速崛起的Arm,為“高處不勝寒”的英特爾增添了一絲火熱——Arm開始向伺服器晶片市場進行拓展。

至此以後,Arm為了搶奪伺服器晶片市場這塊蛋糕做了諸多嘗試。在歷經了多年的起伏之後,現在以Arm架構為基礎的伺服器晶片陣營又將面臨一些關鍵轉變。

Arm更新了伺服器晶片路線圖

在Arm發展伺服器晶片的過程中,其自身路線圖的變化可以說是一種關鍵轉變。Arm Neoverse是Arm伺服器領域的製勝關鍵之一。 2018 年 10 月,Arm正式對外公佈了該解決方案。據相關報導顯示,該產品線將是基於Arm技術的全新統一品牌標識,主要面向數據中心和邊緣基礎設施而設置。與Cortex主要面向行動及終端設備不同, Neoverse專為更高級別性能、安全性和可擴展性而設計。

當時,伴隨著Neoverse的公開亮相,Arm還順勢推出三個平台——Ares,Zeus和Poseidon。按照當時的規劃顯示,Arm將於 2019 年推出Ares、 2020 年推出Zeus、 2021 年推出Poseidon。

▲ARM伺服器晶片路線圖

其中,Ares平台是Arm首個針對基礎架構優化核心,這是一個基於最新的 7 奈米工藝打造的一個新核心,面向伺服器市場並設定了極具針對性的功耗和性能目標;Zeus平台是Ares的繼任者。該核心旨在充分利用 7nm +工藝的額外優勢,還有 DDR5 內存以及如HBM這樣的高級內存技術;Poseidon則是Arm所公佈的最終平台,Arm預計它將在 2021 年接替Zeus,並以 5 奈米工藝節點為目標。當時,Arm承諾一種架構,每一代將提供大約 30% 的性能增強,並且每年都會對設計進行調整,以保證性能的實現。

除了高性價比的Neoverse處理器IP產品以外,為了對標 X86 ,Arm還於同期還推出了伺服器合法認證計劃Server Ready。該項目作為Neoverse計劃的一部分,能夠幫助用戶安全、合法地部署Arm伺服器系統。

在這則計劃對外公開的 2 年間,Arm架構吸引了包括亞馬遜(Amazon, AMZN-US)、Marvell、華為、飛騰等眾多廠商的加入。有了他們的支持,Arm得以在伺服器晶片市場建立了屬於他的優勢,為了進一步擴大Arm架構在伺服器市場的影響力,Arm於近期對外宣布了對Neoverse平台的升級。

眾所周知,在過去兩年中,Arm推出了Neoverse N系列(Neoverse N1 )和Neoverse E系列(Neoverse E1 )。在此基礎上,在Arm近期宣布的新的路線圖中,展示了除這兩個系列以外的新“家庭成員”——Neoverse V系列

▲ARM不同類型伺服器晶片平台

Arm所推出的Neoverse N、Neoverse E、Neoverse V分別對標了不同的應用領域。具體來看,Neoverse N系列同時考慮了性能、功率、面積(PPA),擅長可擴展;Neoverse E系列圍繞吞吐量而設計;V系列則旨在提供最佳效能。除了這份更新的路線圖外,Arm還發布了兩個新平台——Neoverse V1 和Neoverse N2 。

據相關報導顯示,Neoverse V1 作為V 系列的第一個平台,與 N1 相比,其單線程性能可提升超過 50% ,對於CPU 性能與頻寬更高要求的應用來說,是性能表現最佳的平台。Neoverse V1 支持可伸縮矢量擴展(Scalable Vector Extensions, SVE),為高性能雲、高性能計算與機器學習等市場帶來龐大的應用潛力。

Neoverse N2 則被定位為可提供更高性能計算的解決方案。根據anandtech的報導顯示顯示,Perseus的設計將被稱為Neoverse N2 ,是 N1 的有效產品定位繼承者。與 N1 相比,這種新的CPU IP代表了 40 %的IPC提升,但是仍然保持著相同的設計理念,即在最低功耗和最小面積內實現性能最大化。

Marvell由通用晶片轉定制

在Arm積極拓展可用於伺服器晶片的多種產品線的背後,其實也是他們對打開伺服器晶片市場大門的探索。在過去, X86 已經在伺服器晶片市場建立的巨大優勢,進入這個市場並不是一件容易的事。Arm推出眾多產品線或許也是在尋找可以突破的點。

而要找到這個突破點,僅僅靠Arm還不行,它還需要合作夥伴拿得出可以與 X86 叫板的產品才行。於是,我們看到,在過去兩年當中,結合著Arm所公佈的路線圖和產品,Arm的朋友圈也在逐漸強大。Marvell就是Arm伺服器晶片陣營中的一份子

自Matt Murphy於 2016 年接任Marvell CEO 以來,他們就在計算領域做出了一些新的變化——除了向嵌入式應用的Octeon 和Armada 產品線之外,Marvell還在謀求基於Arm架構的伺服器晶片的發展。

在Marvell於 2014 年收購Cavium以後(Cavium此前擁有 15 年以上的高性能計算多核CPU的技術累積,在基於Arm架構的嵌入式伺服器領域經驗豐富),他們開始了在Arm伺服器晶片的探索。在過去幾年中,他們陸續推出了ThunderX、 ThunderX2 以及 ThunderX3 。

借助於ThunderX系列產品,Marvell旗下的基於Arm架構的伺服器處理器ThunderX在全球範圍內得以廣泛部署,並經成為了全球最大的Arm伺服器處理器供應商。在獲得如此成績後,在Marvell最新季度的財報電話會議上,該公司卻意外宣布,他們計劃將其伺服器處理器開發團隊改組為完全定制的解決方案,放棄“通用”產品設計的計劃

在其財報電話會議中表示,Arm體系結構的強大能力一直在於能夠集成到針對特定用例進行了優化的高度定制化設計中,我們看到超大規模數據中心應用程式也是如此。我們在過去幾年中開發的大量獨特的Arm伺服器處理器IP和技術非常適合創建超規模廠商所要求的定制處理器。因此,Marvell決定將未來在Arm伺服器市場的投資目標鎖定在定制解決方案上。

另據anandtech報導的消息顯示,Marvell此時將Arm伺服器市場集中在大型超規模客戶上,這些客戶在工作負載方面有特定要求,而這些工作需要定制的體系結構優化。Marvell認為,除了這些超大規模客戶之外,其他市場規模還不夠大,不足以吸引足夠的價值,因此,該公司會將精力重新集中於超級規模客戶的需求。

Marvell表示:“未來,當Arm伺服器無處不在時,公司並不會排除通用的產品和設計,但目前這並不是當前生態系統的最佳財務策略。”

中美日歐四大陣營爭奪

在Arm和Marvell調整伺服器晶片佈局的背後,無論他們是基於怎樣的出發點,都無不在顯示他們對於Arm伺服器晶片的追求。Marvell只是Arm伺服器晶片中的一個代表。其實在Arm伺服器晶片陣營中,還有很多參與者。中美日歐四塊市場中的企業更是針對Arm伺服器晶片展開了激烈的競逐

以Marvell、亞馬遜和Ampere為代表的美國企業在Arm伺服器市場中表現得十分活躍。除了上文提到的Marvell以外,其他企業在Arm伺服器晶晶片的表現也可圈可點。

亞馬遜作為美國雲端運算龍頭,破圈進軍半導體領域是當年的一則大新聞。為了減少對英特爾Xeon的依賴,亞馬遜於 2018 年推出了首款基於Arm架構的自研處理器晶片——Graviton。據相關報導顯示,Graviton的一大亮點是提供了成本更低的計算能力,其運作應用的成本要比英特爾或者AMD(Advanced Micro Devices, AMD-US)的晶片低 45 %。一年後,亞馬遜又推出了第二代伺服器晶片——Graviton 2 。根據相關資料顯示, Graviton2 是一個基於Arm全新內核Neoverse 定制設計的 7nm SOC,具有 64 個Arm Neoverse N1 內核(每個 64KB L1 / 1MB L2 高速公路緩存)。據亞馬遜介紹,AWS Graviton 2 處理器的速度比以前一代的晶片快 7 倍,浮點性能是 2 倍

2017 年Ampere的成立,同樣也為伺服器晶片市場帶來了震動。這家新創公司是由由英特爾前高層Renée J. James創立,主要專注於數據中心中成長最快的超大規模計算雲和邊緣雲市場。今年 3 月,Ampere發布了新一代基於Arm架構的Altra處理器。該處理器也被視為是Ampere為Arm架構晶片衝擊英特爾的縮影。相關報導稱,根據Ampere產品開發路線圖顯示,新一代伺服器晶片Mystique已處於開發階段,預計 2021 年推出,而計劃於 2022 年推出的晶片Siryn目前已經定義產品性能等特性。

在歐洲,SiPearl、NUVIA等新創企業的加入也為Arm伺服器晶片市場帶來了新的助力,他們也受到了資本市場的歡迎。

總部位於法國的晶片新創企業SiPearl,在四月宣布,已獲得代號為Zeus 的Arm 下一代Neoverse 處理器的IP 許可。作為一家成立於 2020 年 1 月的公司,儘管SiPearl 仍處於起步階段,但這家新創企業的志向卻很是高遠,致力於為歐洲未來的高性能計算項目提供支撐。SiPearl 表示,其致力於為歐洲的百億億次超級電腦設計高性能、低功耗的微處理器。而歐盟之前已經對該公司注資約 620 萬歐元(約新台幣 1.96 億元)。其產品Rhea的細節也於前不久被曝光,據悉,Rhea系列處理器計劃於 2021 年投入市場。

NUVIA也是一家備受矚目的新創企業。該公司由前蘋果和Google高級處理器架構師John Bruno, Manu Gulati 和Gerard Williams III共同創立。其目的是通過SoC來改善伺服器市場,該SoC將提供更好的功能與更高的計算性能和功率效率。前不久,NUVIA完成了B輪 2.4 億美元的融資。將其第一代CPU內核將命名為Phoenix,這是基於其架構許可的Arm架構(可能是 Armv9 )構建的。NUVIA表示,採用Phoenix的Orion SoC將以最高的效率提供業界領先的性能,其自身的目標是與 Zen2 相比IPC增加 40 %至 50 %,而功耗只有 Zen3 的三分之一。

日本的富士通也為Arm伺服器市場貢獻了自己的力量。在 6 月所公佈的國際超算大會發布最新一期的全球超算 TOP500 榜單。日本超算“富嶽”(Fugaku)超越美國“頂峰”(Summit)登頂榜首。作為史上第一台基於Arm晶片的全球超算冠軍,富嶽雖然其性能達到上屆冠軍“頂峰”的 2.8 倍,但仍然屬於十億億次級別超算。在富嶽背後,則是富士通的 48 核Arm晶片 A64FX 。富士通 A64FX 採用台積電( 2330-TW ) 7nm FinFET工藝製造,集成 87.86 億個晶體管,但只有 596 個信號針腳,內部集成 52 個核心,包括 48 個計算核心、 4 個輔助核心(都完全一致),基於 Armv8.2 -A指令集,支持SVE 512 位寬度SIMD,峰值性能 2.7TFlops 。

華為、飛騰則是中國Arm伺服器晶片的代表。

根據國信證券的市調研究報告顯示,華為鯤鵬早期也稱為 Hi16xx ,是由華為設計的一系列 64 位Arm 伺服器微處理器。這些處理器於 2015 年首次推出,面向高線程或高吞吐量應用。 2016 年海思又推出了第二代處理器晶片 Hi1612 , 2017 年海思推出第三款伺服器晶片 Kunpeng916 ( Hi1616 )。

2018 年, 華為宣布將伺服器產品線升級為華為智能計算業務部,同時正式公開其自研的Arm架構伺服器晶片 Hi1620 ,這款晶片採用了自主架構“Tai Shan(泰山)”,這也是它首次研發自主架構,可見它對伺服器晶片市場的野心。在 2019 年初,隨著 920 系列的推出,華為將該系列重新命名為鯤鵬。

飛騰在伺服器晶片領域已經有了 20 多年的累積。 2014 到 2019 年的這 5 年中,飛騰相繼推出的基於Arm架構的FT- 1500A 、FT- 2000 、FT- 2000A / 2 、FT- 2000 +/ 64 、FT- 2000 / 4 。作為目前國內能夠提供最全的CPU體系廠家,飛騰的產品線包含了高性能伺服器CPU、高能效桌面CPU、以及高端嵌入式CPU三個產品譜系,能夠為從端到雲的各類型設備提供核心算力支持。今年,飛騰重磅推出了其首款多路伺服器CPU——騰雲 S2500 ,補齊高端晶片最後一塊版圖。

從飛騰的發展路線上看,飛騰將堅持核心技術創新,升級產品譜系三線——包括以飛騰騰雲S系列為代表的高性能伺服器CPU、以飛騰騰銳D系列為代表的高效能桌面CPU、以飛騰騰瓏E系列為代表的高端嵌入式CPU。據飛騰方面透露的消息顯示,公司將在接下來的兩年中,陸續推出採用 7nm 工藝和 5nm 的騰雲S系列產品、採用 14nm 的騰銳D系列以及騰瓏E系列。

結語

在 5G 時代中,Arm在行動領域已經建立起了強大的優勢。與此同時, 5G 所帶來的新的應用場景還促進了從雲到邊緣的全面部署,這樣的轉變,也為伺服器晶片市場打開了新的大門。面對從雲到邊緣的這個巨大市場, X86 和Arm架構都在緊鑼密鼓地開始進行部署。 X86 希望能夠在新時代鞏固其地位,而Arm則是希望能夠在伺服器晶片市場複製其在行動領域的輝煌,從而贏得更大的市場。

但從實際情況來看,雖然Arm伺服器晶片受到了很多廠商的追捧,但也有不少廠商暫緩了對Arm伺服器晶片的研究,包括AMD、高通(Qualcomm, QCOM-US)等。這也說明, X86 伺服器晶片仍享有著很大的優勢,Arm伺服器晶片欲與之瓜分這個市場,還需要再“修煉”。

虎嗅》授權轉載

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