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  • 服务器架构与Arm架构的较量,英特尔的霸主之路

    服务器芯片行业充满曲折和颠覆。一代又一代的公司接踵而至。在命运和机遇的安排下,最终能脱颖而出的公司寥寥无几。

    随着物联网、人工智能、云计算等行业的发展,数据中心作为其基础设施的作用越来越重要。各方也在不遗余力地继续推进自身在数据中心的发展。服务器作为计算能力和数据的承载单元,是数据中心的核心硬件。

    RISC架构的没落,X86架构与Arm架构的竞争,AMD、NVIDIA和Intel的竞争,以及美欧日中的竞争都在继续。重点。

    在早期的服务器领域,RISC架构处理器一统天下。代表产品包括 IBM 的 Power、Sun 的 SPARC、DEC 的 Alpha、MIPS 的 MIPS 和惠普的 PA-RISC 处理器。性能高、稳定性好,但成本太高,所以早期的服务器都比较高端,难以普及,这也在一定程度上限制了服务器市场的发展。

    这一切随着英特尔推出 IA 架构的 X86 处理器而逐渐改变。随着X86处理器性能的不断提升,RISC处理器的生存空间还在不断被挤压。

    与专门生产CPU的英特尔不同,上述精简指令集CPU研发公司不仅生产CPU,还自己生产服务器和工作站。但从目前的发展成果来看,采用开放战略的英特尔笑到了最后。

    今天,我们回顾一下服务器芯片行业的发展历程,了解行业格局以及格局背后的曲折与命运。

    英特尔的霸权之路

    毫无疑问,英特尔是当今服务器芯片行业当之无愧的领导者。

    现代服务器起源于互联网的兴起,互联网的发展需要大量的服务器来提供支持。1990 年代初期,互联网刚刚开始发展。现在,主导数据中心市场的英特尔,在当时是服务器CPU领域的雏形,只是稍微修改了其PC中使用的奔腾处理器,将其用作服务器CPU。

    1995年,英特尔推出了第一款用于服务器和工作站的处理器产品奔腾Pro,标志着英特尔正式进入服务器芯片领域。彼时,英特尔在 Pentium Pro 的设计和制造工艺上更上一层楼,揭示了其对服务器市场的愿景。1996年,虽然RISC架构服务器占据了服务器市场的78%,但英特尔的潜力已经开始显现。

    随后,英特尔在上一代产品的基础上推出了奔腾至强处理器等多个系列创新产品,不断提升产品性能和市场定位。直到2001年,英特尔才开始发布至强系列处理器,瞄准高性能、均衡负载、高强度科学计算、多路对称处理等特性,通过架构创新和工艺进步不断抢占市场份额。

    2018年底,英特尔宣布将从之前的“以PC为中心”转向“以数据为中心”,这意味着“数据中心”业务将成为英特尔的主力军。转型期间,英特尔的数据中心一度占到了英特尔的总收入。受疫情带动在线办公需求旺盛,上半年英特尔数据中心收入同比增长42%。

    根据IDC最近发布的《全球服务器季度跟踪报告》,2021年第二季度X86服务器产生的收入达到214亿美元,非X86服务器收入约为23亿美元,占X86服务器收入的90%以上市场。在X86市场,英特尔作为X86阵营的领头羊,拥有近90%的服务器芯片。

    英特尔能够击败主要的 RISC 处理器制造商主导数据中心市场,主要是因为 X86 服务器的价格优势。X86服务器的兴起,大大降低了服务器产品的价格,让小企业甚至个人用户都买得起服务器,逐渐蚕食了RISC厂商的市场份额。只有 IBM 才能依靠大型机市场维持 Power 架构的发展。

    此外,Wintel联盟成立已有40多年。X86软件生态完善,专注芯片架构研发,不触及设备生态。在成本、性能和生态方面,X86是早期数据中心的最佳选择。计算市场获胜的原因。

    服务器芯片的发展历程

    然而,早在英特尔发家致富甚至推出服务器芯片之前,这个行业就充满了竞争。知乎博主 Yvonne 在简要回顾服务器的历史时,描述了 DEC、Sun、IBM 等公司在服务器市场的最初发布和衰落。

    DEC和Sun有着相同的目标

    DEC是小型机的发明者。小型机发明后,DEC成为长期以来仅次于IBM的计算机公司。但是DEC的小型机只能长期在局域网内提供服务,不能算是现代服务器。直到 1992 年,DEC 开发出 RISC 芯片 Alpha 21064,并基于该芯片开发了 AXP 服务器和工作站,DEC 才进入服务器领域。

    Alpha 21064 的性能在当时非常强大。1994年8月发布的Alpha 21164芯片,处理能力为每秒10亿条指令,载入吉尼斯世界纪录。但正是因为如此强大的性能,DEC的工作站和服务器价格居高不下,在与Sun服务器的竞争中处于劣势。但是后来的DEC服务器依然没有走便宜路线,长期处于亏损边缘。最终在 1998 年被 Compaq Computer 收购,Compaq Computer 在 2001 年被 HP 收购。HP 对 Alpha 服务器的支持在 2012 年结束。

    Sun 于 1982 年在斯坦福大学成立。1985 年,Sun 投资开发了自己的 SPARC 精简指令处理器,极大地提高了工作站的性能。从那时起,SPARC架构的服务器在与DEC和惠普小型机的竞争中长期占据主导地位。在 1990 年代互联网热潮期间,Sun 的服务器已成为许多互联网公司的首选。此外,Sun还为自己的服务器自主开发了Solaris操作系统8位复杂指令集cpu设计,成为当时非常先进的UNIX操作系统。

    然而,随着2001年互联网泡沫的破灭,Sun受到了重创,销量大幅下滑,服务器市场大部分被X86服务器占领。陷入困境的 Sun 采取了开放策略,将 SPARC 架构和指令集授权给其他公司,并使 Solaris 操作系统开源。

    SPARC 指令集被富士通用于生产大型机和超级计算机,这是一个故事。

    MIPS的扭曲命运

    说到MIPS,相信大家都很熟悉了。今天,仍然有很多工业设备、路由器、存储器和交换机的控制芯片使用MIPS架构。

    MIPS公司起源于斯坦福大学的MIPS项目,是最早商用的RISC架构芯片。熟悉行业的朋友应该都明白,MIPS 的商业模式与今天的 Arm 类似。一开始走的是指令集和架构授权的道路。后来,由于资金问题,1992年,以3.$33亿的价格卖给了SGI Corporation。SGI 收购 MIPS 后,将 MIPS 处理器引入 IRIS 4D 系列,并开发了许多具有 MIPS 架构的工作站和服务器。

    但是SGI公司在2006年放弃了MIPS架构服务器,MIPS采取了开放的策略。许多公司使用 MIPS 架构来生产嵌入式芯片。在 Arm 兴起之前,MIPS 处理器曾经是世界上最大的嵌入式芯片。基于MIPS架构,我国的龙芯是基于MIPS架构开发的。

    坚守城市的IBM

    在上面提到的所有RISC指令集处理器中,只有IBM的Power在服务器领域仍然可以大规模商用。IBM 是最早提出 RISC 架构的公司,但其 RISC CPU 直到 1990 年才正式问世,晚于 Sun 的 SPARC 和 MIPS。

    Power芯片的受欢迎程度不言而喻。时至今日,IBM Power 经过多代发展,已演变为 Power 10 架构。迄今为止,市场上可以看到的几乎所有 Power 服务器(大型机和小型机,以及 Power Systems 系列服务器)都是由 IBM 生产的。

    与 Intel 的 Xeon 系列相比,IBM 遇到了和其他所有衰落的 RISC 架构一样的问题,就是使用范围太窄,规模太小,导致处理器单价高,而且越来越更多的是在与英特尔的竞争中。顺风。

    大概在Intel收购Altera之后,IBM也向Sun学习,参与了Power Architecture Open Alliance,并与Xilinx等多家设备厂商建立了OpenPOWER联盟,旨在通过开源吸引合作伙伴在Power架构下构建服务器产品。

    也许是想效仿Linux的成功,Linux操作系统的开源确实创造了世界奇迹。但从目前来看,Power架构开源后似乎并没有出现同样的效果。目前尚不清楚市面上有多少数据中心在使用基于Power架构的服务器产品。

    综合来看,英特尔在数据中心市场取得了绝对的胜利。知乎博主Yvonne认为,英特尔能够逐步进入服务器处理器市场并最终占据垄断地位,很大程度上得益于英特尔规模优势带来的低成本,以及Wintel联盟的开放战略。英特尔在制程领域的领先地位。

    但也许这种情况正在改变。随着Arm处理器的崛起和台积电在制程技术上的领先,目前缺少的是生态系统的构建。英特尔当时能够通过廉价的 X86 服务器击败一票 RISC 服务器。今天的 Arm 和 Power 服务器将以同样的方式蚕食英特尔的市场。

    同时,随着市场需求和行业变化,GPU、AI芯片、DPU都成为服务器的重要组成部分。行业厂商不断发力,影响了英特尔在赛场上的地位。

    英特尔“四面楚歌”

    据集邦咨询,随着市场需求的增长,今年超大规模数据中心的服务器需求占比预计将从去年第四季度的40%以上达到近45%。预计2021年全球服务器出货量增速将超过5%,各家公司都瞄准了数据中心这个巨大的市场。

    市场趋势在企业中体现,即使是辉煌的英特尔也面临着难以言喻的孤独。过去一段时间,英特尔虽然依然是当之无愧的服务器霸主,但一直受到AMD、Arm阵营和国内同行等强手的追逐和挑战,而且由于先进工艺没有进步,频频被被外界质疑。

    AMD 取得了长足的进步

    如果英特尔在服务器领域感到孤单,想要找到竞争对手,恐怕能与AMD一较高下。

    根据集邦咨询公布的数据,AMD预计今年将占据服务器芯片市场10%的份额,明年将占据15%的份额,而英特尔此前则占据99%的服务器芯片市场份额。被AMD攻击是对英特尔的重大打击。

    2018年,AMD推出EYPC骁龙服务器芯片,延续了Zen架构的性能优势。此外,AMD的服务器芯片具有价格优势,兼容英特尔的X86架构服务器芯片。AMD正在服务器芯片市场慢慢开放。

    研究公司 Mercury Research 几个月前发布了 2021 年的最新服务器市场数据。本季度末,AMD EPYC(霄龙)系列服务器CPU市场份额达到8.9%,环比增长1.8%,实现单季度最快增长自2006年第二季度以来,创下15年来的新高。

    然而,这还不是高峰。在依靠皓龙处理器之前,AMD 只用了 18 个月的时间,就将其在服务器 CPU 市场的份额从 5% 提高到了 22%。AMD在服务器领域的最高市场份额一度达到27%。%。不过,当时的市场势不可挡,现在想要赢回来也不容易。AMD这几年最大的奇迹其实是在服务器CPU市场,几乎从零开始收复失地。

    今年3月,AMD发布了代号Milan的全新Epyc7003系列处理器,搭载全新Zen 3架构。据悉,AMD已经完成了芯片的设计,采用台积电的7nm工艺。相比英特尔新品量产延迟的问题,AMD凭借台积电强大的出货能力,具有先发优势。

    骁龙EPYC处理器除了保持性能稳定外,更重要的是跟上后续产品迭代的步伐。产品经营稳步推进。服务器市场仍然有 AMD 的世界。展望未来,AMD 将在 2021 年底投入 5nm 工艺,这将进一步优化成本、功耗和性能,进一步提高其在服务器芯片市场的份额。

    另一方面,AMD计划收购赛灵思的消息有望成为其发展的新动力。现在高并行、高强度计算能力已经成为主流,传统的通用处理器已经不能满足需求。这种趋势下需要的集成设计能力需要CPU+异构单元和生态协同能力。这也是AMD和Xilinx之间的成就。合作的基础。

    Arm 引领服务器芯片架构之战

    除了 AMD,Arm 对英特尔来说也是个大问题。

    服务器芯片市场产品众多,功能和性能定位不同,但根据指令集架构,市场竞争主要有两大阵营,一是CISC(复杂指令集)架构,二是RISC(精简指令集)架构。集)架构。

    CISC 的设计者希望通过直接在硬件中构建复杂的指令来使编程变得更容易和更快,其中每条指令可以执行多个低端操作,例如从内存中读取、存储和计算操作,所有这些都在一条指令中;相比之下,RISC架构只包含了少量使用频繁的简单指令,并提供了一些必要的指令来支持操作系统和高级语言。

    CISC阵营以Intel和AMD的X86架构为代表,而RISC阵营则包括Arm、MIPS、Power PC、RISC-V等架构。

    其中,Arm近年来发展迅速。

    Arm,一个在移动处理器市场大放异彩的IP授权商,被全球顶级芯片设计师包围,出货量在百亿级。当然,手机市场的饱和意味着Arm的市场份额也接近饱和,需要开辟新的市场才能实现市场增长。

    众所周知,Arm 想在服务器领域有所作为。它从2008年开始对服务器市场发起冲击,但遗憾的是冲击并没有引起多少波澜。Arm阵营弟子众多,但在服务器芯片领域一直很坎坷。2008年,Arm开始酝酿服务器芯片计划。随后,利用Arm 64的优势,高通、Cavium、博通、微软、华为、飞腾等相继研发了自己的Arm服务器CPU。后来,AMD来来去去。高通高调入局,却一落千丈。Arm服务器芯片经过十多年的发展,仍然无法对X86产生强大的冲击力,坚持Arm服务器芯片的公司也不多。

    不过近两年,Arm阵营似乎又开始热闹起来。安培、富士通、Maven、亚马逊、华为等频频推出基于Arm的基础架构处理器。2019年,Arm推出了Neoverse产品线,发布了Neoverse N1/E1核心IP——这是Arm首次专门为服务器产品推广“命名”处理器IP。

    虽然在纯性能和生态完整性方面,Arm Neoverse N1 仍然无法与 Intel/AMD 相提并论,但在 TCO(总拥有成本)和能效(Power Efficiency)方面,Arm 的解决方案对基础设施非常重要供应商。足够吸引人。

    过去几年,基于 Arm 架构的服务器芯片一直在加强其在数据中心市场的影响力。DIGITIMES在今年3月发布的一份研究报告中提到,亚马逊、微软等云计算数据中心运营商,以及Marvell、Ampere等芯片设计公司已经开始采用Arm架构,有望帮助Arm在大型云数据中心和HPC市场。扩展可能会对 X86 产品构成威胁。

    如果说苹果发布搭载 M1 处理器的 Mac 电脑,让 PC 厂商觉得 Arm 个人电脑有了先机,那么 Arm 服务器芯片厂商的成绩,鼓励了更多的芯片设计厂商提供新的发展路线。

    尽管如此,Arm和RISC架构现阶段只维持小规模的生产订单,主要在数据中心市场。TrendForce认为,到2023年,以Arm架构为代表的RISC架构芯片仍将难以与X86抗衡。

    一位业内资深人士告诉笔者,与Intel X86相比,其他架构的差距不是性能,而是生态和应用。不管是什么架构,最终的推广还是要看应用,所以架构意义不大,要看应用怎么应用。还有生态,看建筑生态的活跃度和支持度。

    生态的繁荣,必须有更多的人才聚集、厂商支持、资金投入,缺一不可。历史上一些建筑的消亡,往往不是因为技术低劣,而是因为生态建设没有跟上市场的发展。X86和Arm在人才聚集、厂商支持、资金投入等方面相对领先。X86 具有先发优势,而 Arm 在 TCO 方面具有优势。在新的细分市场竞争中,Arm架构能够更好地发挥各CPU厂商的独特视角。发挥各自的优势。

    英伟达想用AI突破

    英伟达目前在数据中心市场上炙手可热。从英伟达2021年Q4季报来看,其数据中心业务收入达到19.3亿美元,同比增长97%。目前,数据中心业务已经占到英伟达收入的40%左右。

    事实上,早在 2011 年8位复杂指令集cpu设计,就​​有报道称英伟达计划将其 Tegra 芯片打入服务器市场。该芯片的核心将集成Nvidia图形处理器的并行处理能力和Arm的低能耗,在服务器芯片市场挑战英特尔。游戏的主导地位,但之后并没有引起太大的轰动,游戏业务仍然占了大多数。

    2016年,随着AI的兴起,数据中心市场开始爆发。趁着这股股东风,英伟达顺势而为,其GPU在AI领域获得了关键优势。Nvidia 的 GPU 具有比 Intel 的 CPU 更强的并行计算和低精度计算性能。由于这个优势,Nvidia的GPU目前在世界范围内被用于训练神经网络。

    根据中金公司的研究报告,自2016年以来,英伟达数据中心业务收入一路攀升,连续七个季度同比增速超过100%。

    英伟达数据中心业务单季度营收及同比增速(来源:中金公司研究部)

    依托GPU的优势,英伟达开始进军服务器市场,希望以Arm架构的低功耗、低成本优势挑战英特尔在服务器芯片市场的垄断地位。

    在今年的 GTC 大会上,NVIDIA 发布了首款基于 Arm 的服务器处理器 Grace,面向 AI、超级计算、数据中心等领域,将于 2023 年上市。在整个计算架构中,CPU 和 GPU 之间的通信协议切换到 NVLINK 以实现真正的高带宽。Grace CPU和计算架构具有“革命性”X86生命的意义。

    除了英特尔和 AMD 的 X86 CPU 在服务器中扮演心脏的角色外,英伟达在服务器中安装的 AI GPU 加速器扮演着训练人工智能以增强推理能力的作用。

    英伟达的GPU在AI领域具有先发优势。世界各地的大多数用户都使用其 GPU 来训练神经网络。英伟达所缺少的恰恰是处理器平台,可以与GPU集成,完成高性能计算服务器平台的完整交付。.

    虽然NVIDIA对Arm的收购仍在进行中,但基于Arm架构的CPU首先浮出水面,从GPU扩展到CPU。一旦 Arm 被英伟达成功收购,英伟达在 CPU 上的短板也将被填补,进而利用 Arm 架构的低功耗和低成本优势。英伟达将拥有完整的CPU+GPU能力,并能够建立一个横跨移动端、PC端和服务器端的生态帝国,这将给英特尔带来前所未有的压力。

    本地制造商加入竞争

    在国产服务器芯片方面,目前国内正在开发的处理器所使用的指令集架构可谓包罗万象。最活跃的是MIPS架构的龙芯、Alpha架构的神威、Arm架构的飞腾和华为。

    虽然变化已经来了,Intel X86已经牢牢占据了服务器架构“C”的位置,国内几家厂商如X86、Arm、MIPS、Alpha、Power等技术路线各有不同,但都是都在提高服务器芯片性能,或增加核心数,或增加通道数,或两者兼而有之,同步发展,力争国产芯片在重点行业满足用户的多样化需求。

    目前,X86服务器业务市场对于中国市场来说是巨大的。包括华为、浪潮、海光在内的大部分中国服务器厂商都无法摆脱对英特尔底层芯片架构的重度依赖和限制,风险也不少。

    目前,国内芯片公司在Arm和alpah两大架构服务器芯片上都取得了不错的成绩。

    以飞腾为代表的本土服务器芯片厂商从2011年开始进入Arm服务器芯片领域,到现在已经快十年了。依托在中国的具体市场优势,Arm服务器逐渐成为国产替代领域的主流。

    从技术角度来看,在服务器领域,尤其是云计算应用场景中,Arm服务器芯片的低功耗是其最大的优势。Arm服务器芯片通过多重组合实现媲美X86芯片的高性能,并通过其低功耗的特性达到节能的目的。因此,Arm服务器芯片与云、数据中心虚拟化等应用场景是天然的一对。与此同时,Arm 生态系统正在迅速成熟,尤其是在服务器端,进展非常迅速。

    神威研发的Alpha架构服务器芯片,可能是国内值得发展的服务器芯片方向。Alpha 架构由 DEC 开发,已被 HP 收购。随后的 Alpha 架构逐渐被惠普抛弃。20多年后,获得了Alpha架构的部分专利。已经过期,神威收购了Alpha架构,成为自主可控的芯片架构。Alpha架构虽然在市场上几乎没有存在感,但架构技术其实是相当先进的。在 1990 年代,它几乎与 X86 架构并驾齐驱。神威买下Alpha架构后推出的服务器芯片,使用的都是世界顶级水平。在太湖之光服务器上,

    事实上,除了上述架构的服务器芯片,中国也在研发Power架构的服务器芯片,但在IBM的掌控下,国产Power架构服务器芯片的性能稍显落后。

    整体来看,随着国际环境的日益复杂,以及国家对自主技术和安全管控的日益重视,服务器芯片国产化进程或将加快。

    写在最后

    目前,服务器处理器的最大供应商仍然是英特尔。但或许,本文所讨论的 AMD、Arm 阵营和 NVIDIA 会给英特尔带来强大的挑战。一方面,AMD凶猛,英伟达在高性能计算领域拥有强大的GPU+Arm CPU支点,有望从高端市场慢慢蚕食英特尔的市场。另一方面,随着互联网厂商在数据中心的话语权越来越强,直接为终端需求客户提供定制化服务器芯片设计的基于Arm的服务器芯片也可能拥有不断增长的市场。

    经过几波波折,服务器芯片在不久的将来或将迎来新的变化。

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