ARM架构加速更新迭代,国产替代将迎新机遇

近几年,ARM似乎正在盖过传统X86架构,越来越受欢迎。其实早在更早的时候,ARM就主导了手机和嵌入式应用的市场,也是在苹果的加持下在PC赛道上崭露头角的;如今,在一些高性能计算领域,ARM获得了众多云服务厂商的青睐。

随着众多厂商的进入和ARM技术优势的显现,ARM架构在数据中心服务器市场的渗透率逐年上升。基于此,业界甚至不时感叹ARM时代的到来。不过,当前行业是否已经进入ARM时代值得商榷,但一个不争的事实是,围绕ARM的扩张运动早已开始。

ARM架构加速更新迭代,国产替代将迎新机遇

ARM架构加速渗透

根据TrendForce数据预测,随着云数据中心采用率的逐步增长,预计到2025年ARM架构在数据中心服务器市场的渗透率将达到22%。这个数据意味着基于ARM架构的服务器将在未来三年内翻倍,也意味着ARM将为行业带来不可逆转的变革。

长期以来,PC的CPU多基于intel的X86架构以及后来扩展的X86-64架构,主要代表厂商有Intel和AMD。事实上,只有英特尔、AMD和台湾省微生公司拥有X86的长期授权。凭借X86的辉煌,这些相关公司都赚得盆满钵满,享有很高的声誉。然而目前,随着ARM架构的兴起,这种情况正在被扭转。

根据分析机构New Street Research的估计,ARM占据了价值250亿美元的智能手机芯片市场的约99%。从无人机、洗衣机到智能手表、汽车等领域,其产品广泛应用于各个领域,ARM能越来越受欢迎,与自身多方面的优势是分不开的。

首先,它具有降低硬件成本、提高效率的性能优势。近年来,随着技术的发展,在不断实现复杂函数指令的指导下,X86指令集变得越来越复杂。后来研究人员逐渐发现了这种模式的不足,于是引入了精简指令集,为后来ARM的诞生打下了良好的基础。ARM处理器的ISA复杂度更低,开发成本更低,能够处理简单和多线程负载,这也是它越来越受到外界关注的原因。

其次,ARM此前饱受诟病的软件短板正在逐渐被填补。目前包括Linux、BSD、Windows在内的所有大型操作系统都可以得到ARM架构的支持;容器化,包括docker、VMware、KVM、Kubernetes等虚拟化工具,都可以在ARM架构内运行;编程语言和软件包如CUDA和Java也可以得到ARM的支持。

有了这些软件层面的支持,ARM架构和X86架构在面对用户时并没有太大的区别。再加上ARM本身的低成本和高运行速度,用户自然更愿意选择性价比更高的ARM。ARM的这种性价比优势也让其在曾经“落败”的服务器市场再次“卷土重来”。

ARM服务器正在崛起

事实上,ARM对服务器芯片市场早就垂涎三尺,但ARM在整个市场的发展并不尽如人意,在服务器市场屡战屡败。即便如此,ARM仍然没有放弃这个市场,随着云服务的迅速崛起,它正在重新发现自己在这个市场的地位。

早在2008年,ARM就开始规划服务器芯片,与高通、博通、微软、华为、腾飞等合作。,乘着ARM 64的东风,也陆续开发了自己的ARM服务器CPU。此后,AMD、三星、高通等厂商纷至沓来,但都逃脱不了注定的命运,其他小厂在短暂的尝试后大多偃旗息鼓。总之,经过十年的发展,ARM仍然没有突破X86对服务器市场的控制。

2019年,随着ARM的Neoverse平台路线图的推出,其在服务器市场的渗透率开始大幅提升。该平台推出的N1/E1核心IP,为其服务器产品推广以“名”为主的处理器IP打下了良好的基础。在此基础上,行业厂商频频发力,使得ARM的处理器性能和生态不断增强,实力与日俱增。

首先,它满足了云服务厂商多样化的计算能力需求。对于不同的云服务厂商,其生态表现不尽相同,对芯片的性能要求也不尽相同。然而,在过去,统一的通用芯片无法解决他们面临的实际问题。在这种背景下,定制芯片往往能发挥生态价值。亚马逊成为云厂商中第一个定制基于ARM架构的自研服务器芯片的“探索者”,也确实取得了不小的成绩,带动了一批科技巨头纷纷效仿。

公开资料显示,亚马逊研发的第一代服务器芯片Graviton 1,时钟频率大幅提升,同时节省了45%的成本,逐渐成为众多入门级客户的首选。此后,Graviton 2的性能比上一代提高了40%,但成本也降低了20%。也成为AWS最省电的处理器芯片,用户体验不断提升。此后,微软、谷歌,包括BAT、华为等国内厂商都加入了自研服务器芯片的行业,其中不乏选择使用ARM架构的厂商。

毕竟X86受到AMD和Intel的限制,使得云服务提供商无法进一步优化芯片性能。不可避免的是,他们将转向条件更好的武装。

第二,近年来,在从PC设备向移动智能设备的迁移中,ARM架构的生态优势逐渐凸显。在移动时代,X86因为复杂指令集有限、性能低、功耗高而“彻底打败”了ARM。它只是凭借PC“近乎垄断”的地位保住了行业老大的位置,但移动时代的这一“缺陷”依然束缚了它。尤其是随着苹果公司成功研发基于计算机的ARM芯片,ARM的势力范围几乎从曾经擅长的“移动市场”进入了X86的核心领地。

如今,随着云服务厂商的激烈竞争,具有差异化定制和迭代性能优势的ARM架构正在席卷云服务市场,服务器芯片是其努力的重要领域。

当然,目前ARM在云服务器市场的表现还处于“只有小河才能露出尖脚”的阶段。但是,相对于几年来没有一点点前进的成绩,目前的发展趋势无疑是一个巨大的胜利。

X86架构迎来“诺基亚时刻”?

总体来看,无论是在移动市场的强势,还是在新市场的火爆,ARM都让很多业内人士相信,它已经具备了取代传统X86架构的相当实力。有些人甚至认为X86正在重复诺基亚手机的“错误”。但是,从现实情况来看,目前不会出现这种情况。

首先,X86和ARM在服务器市场的势力太广,短期内很难缩短这个过程。虽然ARM的增长势头喜人,但截至去年,全球服务器芯片的架构仍然是X86。根据IDC去年9月发布的全球服务器季度跟踪报告,X86服务器收入占全球服务器收入的90.3%,非X86服务器(包括X86、RISC-V等。)占全球服务器收入的9.7%。

根据一些投资机构提供的数据,X86架构仍然占据国内服务器市场96.4%的份额,基本被英特尔垄断。现阶段ARM的数据中心服务器还是小批量采购,客户多是超大规模的数据中心,所以范围还是明显有限。此外,如前所述,即使后期ARM在服务器市场增长迅速,2025年将达到22%以上,但x86架构仍是市场主流,力量对比不会瞬间缩小。

其次,ARM和Intel的应用领域差异明显,生态协同有待进一步补充。目前X86仍然是数据中心的主流架构,而Arm架构多应用于特定负载,比如为CPU分担网络处理任务(现在最火的DPU就是Arm架构)。此外,相比X86的“老”,年轻的ARM还需要时间进一步提升生态构建能力。毕竟ARM真正打开局面才几年,其基于服务器的生态建设还不完善,这也需要时间来消化。

值得一提的是,除了X86和ARM之外,RISC-V作为一种新的开源架构,正在悄然进入服务器市场,与前两者展开竞争。从这个角度来看,在这个巨头云集的市场,未来可能会演变成更复杂的格局,而不是单一的“生死”格局。

国内替代迎来战略机遇。

目前ARM架构的大发展,不仅是芯片行业和智能计算行业的机遇,也是我们正在推动的国产替代浪潮的战略机遇。

从自身来看,云服务厂商做ARM服务器CPU,很大程度上是因为可以“自产自销”。对于云厂商来说,他们之所以能够“让芯片下市”,最核心的原因是其完善的内部生态,让他们不必顾及“对外卖芯片”的问题,其庞大的内部应用足以消化,这是很多初创企业所不具备的。

从ARM架构本身来看,其自身生态已经初具规模,其开源市场正在向中国开放,为国内替代提供了相当好的外部环境。据ARM最新统计,基于ARM架构的芯片出货量已经超过2000亿,其中第一个1000亿芯片用了26年,第二个只用了4年就完成了,可见ARM架构在新的应用环境下的快速增长,而这种快速增长与其长期坚持“软硬兼顾”的策略是分不开的。

比如,它坚持高效率、高性能的导向,坚持十几年对工艺和EDA工具的改进,从而获得了开源和商业软件生态的广泛支持。其灵活创新的生态系统是吸引国内厂商,包括腾讯、阿里云、华为等头部企业参与其中的核心原因。为了推动ARM架构与中文软件的对接,ARM也在积极推动与国内开源组织、项目、社区的合作,共同推动中文云原生软件在ARM上的快速运行。以上都为中国国内体制的崛起创造了有利条件。

目前阿里云开发的服务器操作系统——龙蜥操作系统可以同时支持X86和ARM多芯片架构和计算场景;华为的欧拉操作系统openEuler也支持包括X86和ARM在内的各种架构…

当然,目前国内换人的选择并不单一。除了ARM,RSIC-V也是国内换人可以考虑的一个类别。不难预见,在技术创新加速的今天,依托国内大规模的物联网生态和新创软件生态,国产操作系统有望利用内外机遇,找到解决“缺芯少魂”困境的最佳方案。

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