ARM伺服器國產CPU的x86替代之路--華為、飛騰扛起國產化大旗

來源：芯智訊、長江證券

眾所周知，我國高端通用晶片高度依賴進口，尤其是 CPU 晶片，在 PC 和伺服器領域國產廠商存在感較小，基本被國際大廠所壟斷。

這背後原因一方面由於高端通用晶片技術起源於海外並持續技術突破，領先國內廠商較多，另一方面以英特爾為代表的海外國際大廠已經構建成熟商業生態並占據專利和標準制定等戰略高地，形成了多維度的壁壘，大幅增加國內廠商追趕難度。

2019 年華為和中科曙光等廠商被美國納入「實體清單」，科技產業發展受制於人的境況進一步被放大。

從國家安全維度和商業競爭維度，我國都有高端 CPU 晶片國產化替代的強烈需求，國家自上而下的重視下，政府、產業和科研界實體積極推動，資本市場也貢獻自己的力量，共同推動我國高端 CPU 晶片國產化不斷推進。

今天我們就聚焦於市場所關心的通用伺服器的成本以及ARM伺服器替代 X86 伺服器趨勢的進行分析。

一、伺服器成本構成簡析

伺服器是重要的基礎 IT 硬體，中國伺服器行業快速發展，國內一線廠商正向全球拓展。

依據 IDC 數據，2018 年我國伺服器市場規模達到 176.9 億美元，同比增長 57.82%；2018 年我國伺服器出貨量約為 330.93 萬台，同比增長 29.33%。

在雲計算和移動網際網路需求驅動下，我國伺服器行業近年來快速發展。

放眼全球，依據 IDC 數據，2018 年全球伺服器市場規模達到 883.05 億美元，同比增長 32.01%；2018 年全球伺服器出貨量約為 1179 萬台，同比增長15.72%。

依靠成本優勢，中國伺服器廠商開始進軍國際市場，有望帶動國內廠商的出貨量份額提升。

伺服器是在網絡中為其他客戶機提供服務的計算機。

伺服器是計算機的一種，它是在網絡作業系統的控制下為網絡環境裡的客戶提供共享資源（包括查詢、存儲和計算等）的高性能計算機，它的高性能主要體現在高速度的 CPU 運算能力、長時間的可靠運行、強大的 I/O 外部數據吞吐能力等方面。

主要為客戶提供網絡應用、資料庫、文件、列印等服務。

伺服器的硬體組成：通常伺服器是以硬體的形態交付給客戶，其主要硬體組成包括 CPU、內存、硬碟（以上俗稱「三大件」）、PCI-E 擴展插槽、網卡、Raid 卡、電源和風扇。

除硬體外伺服器還需要部分驅動管理及伺服器作業系統的支持。

中國伺服器晶片市場快速增長。

參考 IDC 的預測數據，由於雲計算需求旺盛，推動伺服器快速增長，伺服器晶片市場規模也持續增長。

2015 年中國伺服器晶片市場規模約為155 億元，預計 2020 年達到 360 億元，年複合增長率約為 18%。

參考上文中國伺服器的市場規模和伺服器晶片的市場規模，可簡單測算出 2017 年中國伺服器的平均單價約為 29392 元，單台伺服器上在晶片上的投入為 8542 元，則 2017年單台伺服器中晶片（CPU）投入占中國伺服器平均單價達到 29.06%。

由於公開統計數據有限，我們同時取典型案例分拆伺服器成本。

當前市場關注度最高且銷量最好的是 2U 的機架式伺服器，我們選取國內典型伺服器品牌浪潮在京東上經銷商優惠價格下銷售最高的型號作為代表，其售價為 28200 元，接近 2017 年中國伺服器平均單價，取其配置作為測算依據和市場統計數據相互印證。

CPU、內存和硬碟占伺服器整體價格約為 60%~70%。

基於上圖中的配置，我們取公開平台上對應配件的價格如下表中所述。

其中 CPU 價格來源較少，但其對應占比測算結果為 29.70%，與上文平均值 29.06%較為接近，可互為佐證。

內存條價格取京東對應搜索條目下有效的前 8 條的平均值作為均價測算，得出內存占伺服器總價格比約為13.44%。

硬碟價格取京東和中關村在線相對應配件報價，匡算硬碟占伺服器總價格比約為 23.45%。

綜合以上，則「三大件」占伺服器總價格比約為 66.59%，落在 60%~70%區間內，與產業實際情況互相佐證。

其他配件累計占伺服器總價格約為 30%~40%。

基於謹慎性原則需要特別說明的是，以上測算僅基於部分產品部分型號，並不完全精確，同時不同型號、不同配置的伺服器選擇的配件型號和數量也各有不同，配件和伺服器產品銷售價格隨行就市存在一定波動，均對占比值有一定影響。

二、伺服器 CPU 國產化替代商業價值

全球伺服器 CPU 市場主要為海外巨頭所壟斷。

參考海外研究統計數據，AMD 曾推出皓龍系列，2006 年其伺服器 CPU 市場份額一度超過 20%，但英特爾推出至強系列伺服器晶片後，市占率快速提升，近年來伺服器晶片市場基本被英特爾壟斷。

英特爾伺服器相關業務營收規模達到 229.91 億美元。

考慮到近乎獨家壟斷的市占率，英特爾的伺服器晶片收入可近似看作全球伺服器晶片市場規模，依據其財報，2018 年該項業務收入規模達到 229.91 億美元，同比增長 20.60%。

可以看到這是一個快速增長且較為龐大的市場。

以 CPU 為核心業務的英特爾盈利能力較好。

從英特爾財報來看，其收入占比最大的兩塊業務分別是 PC 集團業務和數據中心集團業務，均是以 CPU 為核心的業務。

公司近10 年整體盈利能力較好，近 10 年年度平均毛利率約為 61.68%，近 10 年年度平均凈利率約為 20.55%。

當前 X86 伺服器占據市場主導地位。

依據 IDC 統計數據，2019 年全球範圍內 x86 伺服器達到 185 億美元收入，而非 x86 伺服器同比下降 13.7％至 13 億美元。

可見當前 X86伺服器占據伺服器市場主導地位繼續強化。

三、ARM 晶片在伺服器端的發展前景幾何？

國家大力支持集成電路產業發展。

集成電路在我國已經上升為國家戰略。

近年來，在市場拉動和政策支持下，我國集成電路整體實力顯著提升。

但也要看到在創新領域、前沿領域、設計環節與國際領先水平依然差距巨大，面臨較大的挑戰，因此我國持續發布相關政策支持集成電路發展， 加快追趕的步伐。

中國各類實體積極參與，形成多條國產化 CPU 路線。

除國家政策支持外，巨大的潛在商業利益也驅動各家企業積極嘗試和推動國產化 CPU 的發展，以 2017 年中國市場為基數，以穩態狀態下 20.55%的凈利率水平為常態盈利能力，則僅國內市場伺服器 CPU產業一年凈利潤約為 44.92 億元。

當前基於 X86 架構、ARM 架構和其他架構形成多條CPU 國產化路線，行業頂尖科研機構、信息化國家隊領軍企業、優秀民企和地方政府積極參與，共同推進 CPU 國產化發展。

在伺服器 CPU 領域，由於其對性能要求相對更高，競爭門檻進一步提升，有實力參與的國內廠商較少。

目前市場較為關注的國產伺服器廠商主要有基於英特爾行架構的天津海光、上海兆芯；基於ARM架構的天津飛騰和華為；基於MIPS架構的龍芯；基於Alpha架構的申威等少數幾家公司。

不過，天津海光已被列入「實體名單」，其X86技術來源方AMD也已終止了與其的合作。

不過，所幸的是，天津海光已獲得了AMD第一代 Ryzen和EPYC的Zen架構技術，並順利推出了自己的產品。

另外上海兆芯的X86技術來源方——威盛的X86架構技術授權似乎也已經到期，後續發展阻力增大。

總體來說，目前基於X86架構的國產CPU遇到了一些挫折。

相比之下基於ARM架構的國產CPU發展也不是一帆風順，伺服器晶片領域 ARM 替換 X86 困難重重。

從過往來看，由於 ARM 晶片在伺服器領域性能的劣勢以及生態環境的阻力，其替代 X86 晶片困難重重，Applied Micro、三星、英偉達、博通、Marvell、高通、AMD、華芯通等等廠商均大力投入但結果不佳。

其中高通更是放棄了伺服器晶片業務，而高通與貴州合資的ARM伺服器晶片公司華芯通也於今年4月底關閉。

剩下的國產ARM伺服器晶片公司也就飛騰和華為了，而目前華為也已被列入了「實體清單」，不過在此之前其已經獲得了ARMv8指令集架構永久性授權。

ARM 架構在伺服器領域存在的不足（替代難點）：

1、軟體方面：雖然 Linux 系統支持 ARM，但在生態環境上，尤其是各種應用程式層面， 和 X86 架構相比差距巨大。

2、性能方面：由於過往 ARM 架構主要面向移動端等性能要求相對較低的應用場景，對高負載高計算的支持能力不夠，導致性能上一直落後，無法滿足市場需求。

ARM 體系性能持續提升，生態環境漸進友好：儘管伺服器市場替代較難，但 ARM 並未放棄，ARM在去年發布了新型架構 Neoverse，並希望通過新一代處理器設計大幅提升其性能，提高在伺服器和基礎設施領域的競爭力。

根據Arm公布Neoverse處理器IP路線圖顯示：其首款產品是基於16nm的Cortex-A72/A75內核的Cosmos平台，2019年已推出7nm工藝全新CPU內核架構的Ares平台，2020年將會推出7nm+工藝的Zeus平台，2021年將會推出5nm工藝的Poseidon平台。

每一代的平台性能都將會比上一代提升30%。

同時，Arm還表示，Neoverse IP路線圖專門針對獨特的性能、效率和可擴展性要求而設計，從而可適應數據模式的不斷變化、全新的工作負載挑戰以及為支持萬億互聯智能設備而不斷發展的基礎設施帶來的持續需求增長。

從商用用戶維度看，亞馬遜和華為都相繼發布基於 ARM 的伺服器晶片，富士通也從 SPARC 架構體系轉向 ARM v8 架構體系並推出晶片，提振市場信心。

同時隨著移動端的繁榮，支持 ARM 相關生態的底層系統和上層應用也逐漸增加，三大 Linux 發行版（Ubuntu、Suse 和 Redhat）都已經直接有支持ARM Server 的版本。

雲計算時代對伺服器需求發生改變。

過往由於伺服器賣給企業客戶為主，單個企業強調伺服器的高性能、穩定性和和吞吐量等性能指標。

而雲計算時代，網際網路和雲服務提供商對數據中心的伺服器需求發生改變，由於其集群模式強調整體性能且伺服器需求量大，逐漸變為自己對伺服器進行深度定製。

如裁剪不需要的功能、結合業務特性進行強化、節省空間、降低能耗、應用優化等等。

以上需求的改變也給 ARM 架構伺服器替代帶來新的機遇。

雲服務商尋求替代 X86 晶片方案。

由於雲服務商對伺服器需求巨大，一方面晶片占據伺服器成本約 30%，另一方面電力成本也是雲服務重要成本支出項，若能降低晶片成本和晶片功耗，則將給雲服務商帶來巨大商業利益，基於此，ARM 晶片低價格和低功耗的特性極具吸引力。

亞馬遜 2018 年 11 月份宣布自家開發的 Graviton 處理器支持新的AWS EC2 A1 實例配置，主要面向微服務、Web 伺服器和開發環境等可擴展應用，成本可以大幅降低 45%。

華為、飛騰扛起ARM替代X86大旗

正如前面所提到的，目前國產ARM伺服器晶片廠商主要有飛騰和華為兩家。

而從基於ARM架構的具體部署和業務進展維度看，天津飛騰發展較早，目前其產品線布局、商業化和生態做都還不錯，產品已經覆蓋了高性能計算CPU、伺服器CPU、桌面CPU和高端嵌入式CPU。

需要指出的是，飛騰與華為一樣都是獲得了ARM指令集架構的永久性授權，目前其內核也是自主設計的，可以實現自主可控。

目前，飛騰已有 FT-2000+/64處理器晶片面向企業級高性能伺服器；而且飛騰還將在今年四季度推出多路伺服器晶片FT-2500/64，基於16nm工藝，主頻2.3GHz，擁有64個FTC663內核。

另外根據飛騰公布的資料來看，其目前已經與400多家國內的軟硬體廠商進行了合作，已經初步建立起了相對完整的生態體系。

同樣，華為較早也開始基於 ARM 體系打造從晶片到伺服器的系列產品線。

當前華為 ARM 架構伺服器相關產業產品三類主線：Hi16 系 列 CPU、鯤鵬系列 ARM CPU 和泰山伺服器。

2004 年華為就已經開始了 ARM 架構相關晶片的開發，覆蓋華為多個產品線，直至今年重磅發布的應用於伺服器上的鯤鵬 920。

鯤鵬處理器在競爭力維度實現了超越。

依據鯤鵬 920 的發布信息，其代表著業界最高性能的 ARM 架構的 CPU。

主要體現在以下幾個方面：1）高性能處理器內核：鯤鵬 920實現自主設計，同頻單線程性能相比前一代提升 45%；2）高集成度：採用業界領先的7nm 先進工藝，集成最多 64 核，並支持最高 3.0G Hz 的工作主頻，實現極致的多核架構和低時延表現，滿足高並發、低時延應用的計算需求。

集成了南橋、網卡和 SAS 控制器等功能，節省了伺服器系統能耗並提升了系統 PCIe 擴展能力；3）高吞吐能力：業界率先支持 8 通道內存控制器和 PCIe 4.0，相比業界，內存帶寬提升 46%，IO 速率提升 66%；4）硬體加速引擎：集成了數據加密/解密、壓縮/解壓縮、EC（Erasure Code）糾刪碼、數據校驗等硬體加速引擎，能夠替代處理器的指令計算，極大提升數據處理效率，並提升數據安全。

基於 ARM 晶片的優勢，華為泰山伺服器承載 ARM 應用場景。

泰山伺服器聚焦大數據、分布式存儲、ARM 原生、HPC 和 Web 等五大應用場景，幫助實現高效能計算和降低數據中心 TCO。

1）對比 TPC benchmark 測試，華為 TaiShan 大數據方案相比傳統方案提升 30%性能；

2）華為 TaiShan 分布式存儲解決方案，在全 NVMe SSD 熱數據場景下，整體性能提升 10%以上，在 NVMe SSD 與 HDD 混合型的溫數據場景下，減少10%的伺服器數量；在全 HDD 冷數據應用場景，集群能耗低 10%以上；

3）安卓應用與ARM 伺服器天然兼容，無需移植即可直接運行，而且運行過程中無指令翻譯環節，性能無損失，相比傳統方案最高能夠提升 3 倍性能；

4）ARM 雲手機則是 ARM 原生應用的典型場景之一，通過在 ARM 伺服器上運用虛擬化仿真技術，為用戶提供基於雲的仿真手機服務。

在產業生態領域，華為規劃：從硬體、基礎軟體和應用三個層面持續推進 ARM 產業合作，計劃通過 3 到 5 年的時間，協同 ARM 產業組織，打造完備的 TaiShan 產業生態。

目前 TaiShan 的生態合作已經取得較大進展，生態體系已經相對比較完善，泰山等體系已經具備了一定能力：

1）打造開放生態系統，合作共贏；

2）與合作夥伴共同進行創新和認證測試；

3）擁抱開源 HPC 社區；

4）豐富的 HPC 行業項目建設經驗（在金融、政府、製造、網際網路等行業的部署與應用，2018 年的應用規模數已經突破了 2 萬台/套，實現了規模化應用的市場檢驗）；5）利用 ARM 技術實現的雲-網-端戰略；

6）ARM 伺服器可以覆蓋 50％以上的 HPC 工作負載；

7）已經打造成熟的解決方案；

8）鯤鵬 920晶片可與英特爾 6148 對標；

9）加入主要生態聯盟。

值得一提的是，2018年，飛騰的 ARM 架構伺服器、申威的 Alpha 架構伺服器和龍芯的 MIPS 架構伺服器都進入政府採購清單，也顯示出國家對發展國產伺服器晶片的強力支持，而華為等廠商的入局則有望進一步加快這一替代趨勢。