ARM加速更迭,国产替代迎新战机

配图来自Canva可画

近年来ARM的风头,似乎正在盖过传统的X86架构变得日益流行起来。其实,早在更早之前ARM就统治了手机、嵌入式应用市场,还在苹果的加持下在PC赛道崭露头角;如今在一些高性能计算领域,ARM更是赢得了一众云服务厂商的青睐。

随着众多厂商的入局以及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正在逐年提升,基于此业内甚至不时发出ARM时代到来的感叹。不过,当前行业是否进入了ARM时代还值得商榷,但一个不容置疑的事实就是围绕ARM的扩张运动,已然拉开了帷幕。

ARM架构加速渗透

根据TrendForce数据预测,随着云数据中心采用推动的逐渐增长,预计到2025年,ARM架构在数据中心服务器市场渗透率将达到22%。这个数据意味着基于ARM架构的服务器,将在未来3年实现翻倍增长,这也意味着ARM将带来不可逆的行业变化。

长期以来,PC端的CPU多是基于Intel的X86架构以及后面扩展的X86-64架构,其主要的代表性厂商是intel和AMD。事实上,也只有intel、AMD和台湾威胜公司,拥有X86的长期授权,随着X86的大放异彩,这些相关公司也都一一赚的盆满钵满、声望如日中天。不过,眼下这种局面正在随着ARM架构的崛起而发生扭转。

据分析机构New Street Research估计,在价值250亿美元的智能手机芯片市场,ARM约占 99%的份额。从无人机、洗衣机到智能手表、汽车等各个领域,其产品被广泛应用于各个领域,而ARM能够受到越来越多的欢迎,与其自身在多方面的优势分不开。

首先,是具备降低硬件成本、提升效率的性能优势。近些年来随着技术的发展,X86在不断实现复杂功能指令的指引下将指令集变得愈加复杂,后来的研究者逐渐发现了这种模式的不足,于是推出了精简指令集,这为随后出现的ARM诞生奠定了很好的基础。ARM处理器的ISA复杂度更低,开发成本更低,且能够胜任简单且多线程的负载,这也是其受到了外界越来越多重视的原因之所在。

其次,ARM此前被人诟病的软件短板也在逐渐被补齐。目前,所有的大型操作系统包括Linux、BSD、Windows都可以得到ARM架构的支持;容器化,包括虚拟化工具如docker、VMware、KVM和Kubernetes都可以在ARM架构内运行;编程语言,包如CUDA和Java也都可以得到ARM的支持。

有了这些软件层面的支撑,ARM架构与X86架构在面对用户时已经没有太多区别了。再加上ARM本身的低费用和高运行速度,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,也让它在曾经“败北的”服务器市场再次“卷土重来”。

ARM服务器崭露头角

其实,ARM早就对服务器芯片市场“垂涎已久”,怎奈ARM在整个市场的发展并不如意,其也曾经几度在服务器市场折戟。尽管如此ARM依旧没有放弃这个市场,并伴随着云服务的快速崛起,其正在这个市场中重新找到属于自己的位置。

早在2008年,ARM就开始酝酿服务器芯片计划,乘着ARM 64东风的高通、博通、微软、华为、飞腾等,也陆续开发了各自的ARM服务器CPU,此后AMD、三星、高通等厂商也都纷至沓来,但都难逃无疾而终的命运,其他的小厂也大多在短暂尝试之后宣告偃旗息鼓。总之,在前后经历了上十年的发展之后,ARM依旧没有冲破X86对服务器市场的掌控。

2019年,随着ARM的Neoverse平台路线图的推出,其对服务器市场的渗透率开始有了实质提升。该平台推出的N1/E1核心IP,为其服务器产品推广有“名分”的处理器IP奠定了良好基础。在此基础上,行业厂商频频发力,使ARM的处理器性能和生态不断增强,实力与日俱增。

一是,它满足了云服务厂商们多元化的算力需求。对于不同的云服务厂商而言,其所构建的生态性能并不相同,其对芯片的性能需求也因此存在差异,而过去统一的通用芯片并不能解决其所面临的现实问题。在此背景下,定制芯片往往可以发挥出生态的价值,亚马逊成了云厂商中,基于ARM架构定制自研服务器芯片的第一个“探索者”,其也的确取得很大的成效,并由此引发了一众科技巨头的纷纷效仿。

公开资料显示,亚马逊自研的第一代服务器芯片Graviton 1,在大幅度提升时钟频次的同时,还同时节省了45%的成本,逐渐使其成了众多入门客户的首选。此后,推出的Graviton 2,在性能上较前一代提升了40%,成本却还降低了20%,还成为了AWS最省电的处理器芯片,用户体验体验持续提升。此后,微软、谷歌包括国内的BAT、华为等厂商,都加入了这个自研服务器芯片的行业,并且其中很多厂商均选择使用ARM架构。

说到底,X86受限于AMD和英特尔,使得云服务商无法对芯片性能做进一步的优化,它们转向条件更优的ARM其实是必然。

二是,近年来从PC设备到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因复杂指令集受限,低性能与高功耗之下“完败”ARM,只是凭借着PC端“几近垄断”的强势地位,保持了其行业头部的地位,但在移动时代这种“缺陷”依旧使其备受掣肘,尤其是随着苹果基于电脑ARM芯片的研发成功,ARM的势力范围几乎已经从曾经擅长的“移动市场”,进入了X86的核心领地。

如今随着云服务厂商竞争的白热化,更具备差异化定制优势和性能迭代优势的ARM架构正在席卷云服务市场,而服务器芯片正是其发力的重要领域。

当然,目前来看ARM在云服务器市场的表现,尚且处于“小河才露尖尖脚”的阶段,但相比曾经数年未曾寸进的成绩来看,目前这种发展态势无疑是个很大的胜利。

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都让不少行业内人士认定,其已经具备了取代传统X86架构的相当实力,甚至有人认为X86 正在重蹈曾经诺基亚手机的“覆辙”。不过,从现实情况来看,当下这种情况还不会发生。

首先,X86和ARM在服务器市场的力量对比实力太悬殊,且短期之内还很难缩短这一进程。尽管ARM的增长势头喜人,但截至去年为止,全球服务器芯片的架构依旧以X86为最大,据去年9月份IDC发布的《全球服务器季度跟踪报告》显示,X86服务器收入占全球服务器收入的90.3%,非X86(包括X86、RISC-V等)服务器收入占到了全球服务器收入的9.7%。

一些投资机构提供的数据则显示,目前在国内服务器市场中,X86架构市场占比依旧高达96.4%,基本为英特尔所垄断。而现阶段,ARM的数据中心服务器采购仍是以小批量为主,且客户多以超大规模的数据中心为主,范围仍受到明显限制。另外,如前文所述,即使后期ARM在服务器市场增长飞速,并在2025年达到22%以上,x86架构仍然是市场的主流,力量对比并不会因此瞬间缩小。

其次,ARM应用的领域与英特尔的应用领域存在明显差异,且生态协同还需要进一步的补足。目前,X86依然是数据中心的主流架构,而Arm架构则多应用在特定负载上,比如为CPU分担网络处理任务(现在最热的DPU多为Arm架构)。此外,相比X86的“老辣”,“年轻”的ARM还需要时间去进一步提升自己的生态构建能力,毕竟ARM真正打开局面也不过才这几年的事情,其基于服务器生态的搭建尚且还不是十分完善,这些也都需要时间去消化。

值得一提的是,在X86与ARM之外,RISC-V作为一种开源新架构,也正在悄悄进入服务器市场与前两者展开争夺。以此来看,在这个巨头云集的市场,未来或许会演变成更为复杂的格局,而绝不是“你死我活”的单一格局。

国产替代迎来战略机遇期

目前来看,ARM架构的大发展不仅是芯片行业以及智能计算行业的一个机遇,也是当前我们所推动的国产替代浪潮的一个战略机遇。

从自身角度来说,云服务厂商做ARM服务器CPU,很大原因是其可以做到“自产自销”。对于云厂商来说,它们之所以可以“无所顾忌”地“下场做芯片”,核心原因还在于其完善的内部生态,使其不必顾及“芯片外售”问题,其庞大的内部应用就足以消化,这是很多初创型企业所不具备的。

从ARM架构自身来说,其自身的生态已经成型,其开源市场正在面向中国开放,这为国产替代提供了相当良好的外部环境。据ARM的最新统计数据显示,基于ARM架构的芯片出货量已经累计突破了2000亿颗,其中第一个1000亿颗用了26年时间,但第二个仅用了4年即已经完成,足见ARM架构在新应用环境下的增长之快,而这种快速增长离不开其长期坚持“软硬兼顾”的战略落地。

比如,它坚持以高效率、高性能为导向,十数年来坚持工艺制程与EDA工具改进,由此获得了开源与商业软件生态的广大支持,其灵活和创新的生态系统正是吸引国产厂商,包括腾讯、阿里云、华为等头部企业参与其中的核心原因。而为了推动ARM架构与中国软件对接,ARM也在积极推动与中国的开源组织、项目以及社区展开合作,共同推动中国云原生软件在ARM上的快速运行。以上种种,都为中国的国产系统崛起创造了良好的条件。

目前,阿里云研发的服务器操作系统—龙蜥操作系统,就可以同时支持X86和ARM多种芯片架构和计算场景;华为的欧拉操作系统openEuler,也同样支持包括X86、ARM在内的多种架构……

当然,当下国产替代的选择并不单一,除了ARM之外RSIC-V也是国产替代可以考虑的范畴。不难预见在技术革新加速的今天,依托国内规模庞大的物联网生态和信创软件生态,国内操作系统有望利用内外部机遇,寻找到破除“缺芯少魂”卡脖子困境的最优解。


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