Arm伺服器晶片如何突圍？｜半導體行業觀察

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10多年來，英特爾幾乎是全球伺服器市場的唯一CPU供應商。

雖然多家晶片開發商嘗試進入，但都以失敗告終。

Arm曾經信誓旦旦地宣稱到2021年要拿下這一市場25%的份額，但高通退出，Arm陣營其它合作夥伴進展緩慢，這一目標似乎實現無望了。

然而，Arm並沒放棄，還專門推出了全新的伺服器處理器品牌。

最近Amazon和華為也相繼發布基於Arm的伺服器晶片，似乎給業界打了一針強心劑。

伺服器市場究竟有多大的誘惑呢？

伺服器晶片是一塊250億美元的大肥肉

英特爾 2018年全年營收預計為712億美元，其中數據中心業務（主要是伺服器晶片）約占32%，為230億美元。

在全球伺服器晶片市場，英特爾份額超過90%，由此推斷市場規模約為250億美元。

重新進入這一市場的AMD 自發布EPYC（霄龍）伺服器晶片以來，估計已經搶占了接近10%的市場份額，約為20億美元，預期未來幾年會有超過10%的增長。

據市場分析預測，從2018年到2025年，數據中心處理的數據每年平均增長達到50%。

機器學習和其它AI相關的計算每年更是以10倍的速度增長，約占數據中心總計算量的25-30%。

相應地，伺服器和高端伺服器CPU也將以持續增長，預計到2020年伺服器晶片市場規模將超過300億美元。

AMD重新進入伺服器市場的成功策略在於主攻微軟、百度和騰訊等雲服務商，等產品和生態系統已經得到市場檢驗，然後再做企業客戶的工作。

這一策略值得Arm陣營借鑑。

自2011年以來，多家晶片開發商先後投身到Arm伺服器晶片的研發。

但到目前為止，幾乎全軍覆沒。

其中Applied Micro被Macom收購拆分，英偉達、三星和博通都終止了相關業務。

Cavium買下博通的Arm伺服器晶片相關IP，繼續開發。

高通則因為移動晶片業務受阻、收購NXP未遂、官司纏身等多重壓力而被迫放棄伺服器晶片業務。

Arm需要反思一下，為何在移動市場制勝的策略不能成功移植到伺服器市場。

Arm的成功秘訣在於利用其處理器IP與授權合作夥伴一起構建強大的生態系統。

經過10年的高速發展，智慧型手機行業的一大特色是前三大手機廠商（蘋果、三星和華為）都在自己研發應用處理器（基於Arm架構），以此降低成本和凸顯差異化優勢。

伺服器市場是否也會出現類似的情況呢？我們先來了解一下關鍵客戶的需求。

雲服務商尋求英特爾替代方案

伺服器的最大買家是雲平台服務商，包括被Gartner評為Hyperscaler的全球雲服務商AWS、微軟Azure、谷歌雲、阿里雲、騰訊雲，以及Facebook、百度和中國移動。

主打企業雲和物聯網平台的華為雲也成為一個Hyperscaler。

這些大買家的數據中心遍布全球，伺服器使用和保有量以百萬計。

伺服器採購和運維成本哪怕降低1%，每年節省的開支也高達數百萬，甚至上千萬美元。

x86架構的伺服器雖然性能強大，但其功耗（>200W/CPU）也相當嚇人，每個數據中心每年的電費也是一個不小的數字，這些最終都會攤在雲服務用戶頭上。

Arm伺服器也許在性能上還不能與x86相提並論，但在成本和功耗上有明顯的優勢。

對雲服務商來說，伺服器性能已經不再是唯一的考慮因素，性能/功耗比才是更有價值的參數。

近年火爆的AI和機器學習讓很多人有這樣的錯覺，似乎AI晶片和GPU才是這些雲平台服務商最關心的，CPU反而變得無關緊要了。

殊不知目前網際網路流量的70%是視頻，加上搜索、圖片、電商、遊戲和移動APP等應用，構成了數據中心伺服器的主要負載，仍然需要CPU來處理。

此外，企業數字化轉型和工業物聯網也產生了海量的數據。

大數據處理和存儲需求迫使雲平台服務商不斷增加更多伺服器，即便這樣也難以跟上數據增長的速度。

苦於沒有選擇，這些服務商只能忍受英特爾的高價，也難怪AMD的EYPC伺服器會受到眾多雲服務商的青睞，Arm伺服器也早已進入他們的視野。

經過多年開發，針對Arm平台的紅帽企業級Linux（RHEL）已經準備就緒。

就連Windows Server也要有Arm版本了。

一旦兩大作業系統支持Arm，軟體開發商和各種應用也會隨著繁榮起來，一個基於Arm架構的伺服器生態也就逐漸成型了。

但是，這個生態的主角 — Arm伺服器晶片在哪裡？

儘管高通等獨立晶片開發商的Arm伺服器業務讓人感到失望，但亞馬遜和華為的晶片卻為我們帶來了希望，這是否預示著雲服務商才是Arm伺服器的救星呢？Arm自己又怎麼看？

Arm Neoverse和IoT

平台為小夥伴們指明了方向

善於構建生態系統的Arm已經從「移動」轉向下一個目標— IoT。

Arm看到的是一個萬億智能設備互聯的未來願景，其Cortex系列處理器已經在支持著每年上百億的智能設備投入市場，從智慧型手機、物聯網端點，到各種網關和路由網絡設備。

但是，在伺服器CPU這一高端領域，Cortex似乎有點力不從心。

雖然像高通和華為這樣體量的合作夥伴採用的是Armv8授權架構自主開發伺服器晶片，但局限於Cortex的思維畢竟跟x86架構不在一個層級上。

於是，Arm在去年的TechCon大會上發布了新的Neoverse品牌，專門為IoT基礎設施和伺服器晶片制定了明確的未來發展線路圖。

按照Arm高級副總裁和基礎設施事業部總經理Drew Henry的說法，Arm目前的Neoverse系列是基於A72和A75內核的Cosmos平台，採用16nm工藝，AWS Graviton處理器就是基於這一平台開發的。

Arm承諾未來3年內，Neoverse系列處理器每年將有30%的性能提升。

今年的主打平台代號為Ares（古希臘神話中的戰爭之神）, 2020年是Zeus（宙斯，眾神之王）, 2021年則是Poseidon（海王，宙斯之兄）。

Neoverse處理器設計最高可以容納256個內核，具有更快的存儲器接口、晶片間互聯帶寬、安全特性，以及虛擬機等高性能計算所需要的技術。

根據Arm的統計數據，Arm處理器已經在物聯網基礎設施市場占據超過25%的份額，其中包括無線基站、WAN路由器、邊緣計算網關和交換機等設備。

雖然伺服器不理想，但2018年出貨量也達到了100萬台。

然而，要真正建立起來一個強大的生態，只有硬體設備是不夠的，還需要一個強大的IoT平台來支持設備管理、數據管理和連接管理。

Arm Pelion IoT平台給出了答案，不但像Arduino這樣的開源硬體加入了這一平台生態，就連英特爾也成了將IoT設備「綁定到雲端」的合作夥伴。

在這樣一個龐大的生態系統中，有Arm授權合作夥伴、EDA工具供應商、HPE和聯想等伺服器廠商，以及眾多的開源軟體和硬體開發商和服務商。

IoT將是雲計算未來的增長點，這也是Arm伺服器晶片可以充分發揮價值的空間。

華為雲、AWS和微軟Azure都看到了這一點，他們也已經行動起來了。

雲平台服務商自研自用

30年來，半導體行業逐漸從垂直一體化IDM模式發展到今天的IC設計、EDA/IP和晶圓代工的專業化分工合作格局。

然而，系統廠商卻有從系統到終端設備，再到晶片的垂直一體化整合趨勢，現在晶片設計的技術門檻降低和晶圓代工模式使得系統廠商自己設計晶片成為可能。

三星、華為和蘋果都在為自己的手機自研晶片，谷歌、百度和阿里等網際網路公司也開始自研晶片了。

1. AWS Graviton處理器投入商用

一直以電商和雲服務為主業的亞馬遜去年11月份突然宣布自家開發的Graviton處理器開始支持新的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%。

這一基於Arm架構的伺服器晶片是由位於以色列的初創公司Annapurna Labs開發的。

Annapurna Labs是一家神秘的以色列晶片開發公司，早期投資者包括以色列半導體大佬Avigdor Willenz、Arm，以及華登國際創始人陳立武。

亞馬遜於2015年以3.7億美元全資收購該公司，開始為AWS開發伺服器晶片。

AWS Graviton處理器基於Arm 「Cosmos」 平台架構，包括16個A72內核，網絡帶寬高達10Gbps。

在第三方基準測試中，雖然基於Graviton處理器的AWS EC2 a1.4xlarge實例配置在性能上還是趕不上英特爾至強伺服器和AMD EYPC，但其性價比要有明顯優勢。

2. 華為鯤鵬9200處理器和IoT平台

華為最近發布了Arm伺服器晶片Kunpeng 920（鯤鵬920），以及基於該處理器的三款TaiShan（泰山）伺服器。

從性能參數看，鯤鵬920基於ARMv8架構，採用7nm工藝，可以支持64個內核，主頻可達2.6GHz，集成8通道DDR4和100G RoCE乙太網卡。

此外，鯤鵬920還支持PCIe4.0及CCIX接口，可提供640Gbps總帶寬。

據華為稱，基於鯤鵬920的三款伺服器包括均衡型、存儲型和高密型三個機型，華為雲利用泰山伺服器實現了「20％的計算性能提升」。

華為首席戰略營銷官徐文偉在發布會強調，鯤鵬920不是要取代英特爾晶片，其主要應用場景包括快速增長的大數據、分布式存儲和Arm原生應用等。

華為與英特爾將繼續保持長期戰略合作夥伴關係，並繼續共同創新。

日益複雜的計算環境需要異構系統才能滿足不同的需求，無論CPU、GPU還是FPGA，都有各自的優缺點。

x86和Arm架構額CPU也可以在同一個雲平台上實現無縫集成，發揮各自的優勢。

從華為公布的測試數據來看，鯤鵬920在Arm原生應用方面的優勢最為明顯，具有2倍於同類產品的性能。

除了安卓APP和移動遊戲外，基於Arm的IoT平台應該也是鯤鵬920的主要應用場合。

從華為OceanConnect物聯網平台的突出表現可以看出其Arm伺服器的未來布局。

華為雲雖然進入雲計算市場較晚，但已經憑藉全棧技術能力入選Gartner的中國Cloud IaaS第一梯隊，成為一個Hyperscale雲服務商。

最近IHS發布的全球IoT平台供應商評估報告將華為OceanConnect物聯網平台評為行業領導者。

該報告從市場表現和市場勢頭兩個方面，對包括微軟、亞馬遜、阿里雲、GE、IBM、思科和SAP等9家全球物聯網平台供應商進行綜合評估。

華為在設備連接數、戰略承諾、設備增長率、市場廣度、生態發展和技術創新等6個維度上均處於行業領先位置。

由華為自己研發的晶片和伺服器來支持自家的雲平台，完成從端設備、邊緣計算到雲端的垂直整合，從而為完整的智能計算平台和生態系統奠定基礎。

華為自研晶片未來也許跟Arm和英特爾構成一些競爭，但在競爭中合作才是持續發展的不二法寶。

獨立晶片開發商是否還有機會？

高調進入伺服器市場的高通Centriq處理器以失敗告終，這對Arm陣營無疑是一個沉重的打擊。

現在回頭總結一下，可以看出高通Arm伺服器晶片業務失敗的原因主要有如下三點：

1.伺服器晶片市場已經被英特爾壟斷多年，相關生態已經比較成熟。

雖然AMD占到一點地盤，但要以犧牲利潤為代價。

雲服務商和企業客戶尋求英特爾替代方案的首要動機是降低採購成本，而AMD滿足了這一需求。

2.Arm晶片的低功耗可以降低數據中心運營成本的優勢還沒有得到很好的驗證，再說還需要伺服器OEM廠商、作業系統和軟體生態的支持才能說服客戶大規模採購。

3.高通自身運營策略的原因。

首先，移動業務增長放緩。

前面有大客戶甩開高通自研晶片，後面有聯發科和展訊等步步緊逼。

其次，想通過收購NXP拓展汽車市場的夢想破滅，不得不向股東做出削減10億美元成本的承諾。

在這種情況下，前途迷茫的Centriq處理器業務自然就首當其衝。

該部門員工從最多時的1000人砍掉只剩50人，現在這塊業務如何處理還不得而知。

這是否意味著Arm伺服器晶片無法跟x86 CPU抗衡，獨立的Arm處理器開發商就沒有機會了呢？從高通數據中心業務銷售VP職位辭職並加入Ampere擔任銷售和業務發展高級副總裁的Matt Taylor不這麼認為。

Ampere：陣容強大的Arm伺服器晶片初創公司

Ampere從原來Applied Micro業務重組而成，由原英特爾總裁Renee James擔任董事長和CEO，其首席架構師和CFO等高層大都是原英特爾或蘋果乾將。

Ampere背後的投資者是Carlyle集團，雖然具體投資金額不詳，但開發高端伺服器晶片的花費應該不會低於5000萬美元。

有外媒稱，Ampere曾試圖從高通手中買下Centriq處理器業務，但因為高通與中國華芯通的合作關係而作罷。

Matt Taylor認為雲服務商對Arm伺服器還是很感興趣的，高通的失敗主要在於自己的原因，不是沒有市場需求。

Ampere去年9月份發布了eMAG系列晶片，具體性能如下：

• 內置16或32個Armv8-A內核，最高主頻為3.3 GHz Turbo
• 8個DDR4-2667存儲控制器
• 42線PCIe 3.0高帶寬I/O
• 最大功耗125W TDP
• 採用TSMC 16nm FinFET工藝

據Matt Taylor稱，Ampere eMAG價格僅為英特爾Xeon Gold晶片的一半，而功耗為AMD RYPC的一半。

已經有聯想和其它幾家ODM合作夥伴基於該CPU開發伺服器，聯想ThinkSystem HR350A就是其中一個機型。

Marvell/Cavium ThunderX2

要論在Arm伺服器晶片市場最有持之以恆拼搏精神的莫過於Marvell及其旗下的Cavium。

Marvell雖然終止了自己的Arm伺服器晶片研發，但去年卻斥資60億美元買下ThunderX和ThunderX2開發商Cavium。

ThunderX2處理器也是採用Armv8架構，集成32個內核，採用16nm FinFET工藝製造。

除了Arm虛擬擴展和TrustZone特性外，還具有專用的CCPI2一致性處理器互聯，速度高達600Gbps。

HPE Apollo 70系統的CPU就是採用ThunderX2，還有其他一些基於ThunderX2的伺服器/工作站已經出貨和投入商用。

據稱微軟也在跟Cavium展開合作，為其Azure雲平台尋求基於ThunderX2的伺服器方案。

結語

伺服器晶片市場被一家獨斷的格局肯定要被打破的，AMD已經證明這一點可以做到。

Arm及其生態合作夥伴要想在這一市場分一杯羹，靠單打獨鬥是註定要失敗的。

好在Arm Neoverse伺服器晶片系列和Pelion IoT平台已經明確了發展線路，這會增強合作夥伴的信心。

對Arm 來說，從華為鯤鵬和AWS Graviton處理器的自研自用模式可以得到一些啟發，也許推動更多雲服務商採用這一模式才是Arm進軍伺服器市場的捷徑。

另外，Arm陣營應該改變思維，不要只想著在原有應用上跟英特爾死磕，而應積極尋求AI/ML和IoT等新的應用場景。

當然，Arm也不會放棄獨立的晶片開發商合作夥伴。

無論雲服務商，還是獨立晶片供應商，基於Arm的伺服器CPU都有機會贏得伺服器市場的成功，在競爭中合作始終是立於不敗之地的策略，就看各家怎麼發揮了。