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服务器芯片三十年战事

服务器芯片行业大浪淘沙,充满曲折与颠覆,一代代企业前赴后继,在命运与机遇的安排下,最终能冲出来的公司寥若晨星。

作者:L晨光来源:半导体行业观察|2021-09-30 10:00

服务器芯片行业大浪淘沙,充满曲折与颠覆,一代代企业前赴后继,在命运与机遇的安排下,最终能冲出来的公司寥若晨星。

随着物联网、人工智能、云计算等产业的发展,数据中心作为其基础设施的作用越来越举足轻重。各方力量也在不遗余力的持续推动自身在数据中心的发展,作为算力和数据的承载单元,服务器是数据中心最核心的硬件。

RISC架构的没落,X86架构与Arm架构的较量,AMD、英伟达和英特尔之间的较量,美欧日中之间的较量都在持续上演,核心芯片的角逐越来越激烈,服务器芯片成为竞相竞争的焦点。

在早期的服务器领域,RISC构架处理器一统天下,代表性产品有IBM的Power、Sun公司的SPARC、DEC公司的Alpha 、MIPS公司的MIPS以及惠普公司的PA-RISC处理器等,此类处理器性能高、稳定性好,但成本太高,因此早期的服务器都比较高端,很难普及,这也在一定程度上限定了服务器市场的发展。

这一切,后来都随着英特尔推出IA架构的X86处理器而逐渐改变,随着X86处理器性能的不断增强,RISC处理器的生存空间仍在不断地经受着挤压。

与英特尔专门生产CPU不同,上述精简指令集CPU研发公司不仅仅生产CPU,同时也自己生产服务器和工作站。但是从当前的发展结果来看,采用开放战略的英特尔笑到了最后。

今天,我们回顾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波折与命运。

英特尔的霸主之路

毫无疑问,英特尔是当今当之无愧的服务器芯片界武林盟主。

现代服务器起源于互联网的大潮的兴起,互联网的发展需要大量的服务器提供支持。90年代初,互联网刚开始发展,如今统治数据中心市场的英特尔在当时的服务器CPU领域初出茅庐,还只是将其PC机用的奔腾(Pentium)处理器略加修改就当做服务器CPU使用。

1995年,英特尔推出了自己第一款面向服务器和工作站的处理器产品Pentium 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的设计与制造工艺上达到了新的高度,透露出其对服务器市场的高瞻远瞩。1996年,尽管RISC架构服务器占据服务器市场78%的份额,但英特尔的潜力已经开始显现。

随后,英特尔在前代产品基础上相继推出多个系列Pentium Xeon处理器等创新产品,持续提升其产品性能和市场定位。直到2001年,英特尔开始发布Xeon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,持续抢占市场份额。

2018年底,英特尔对外宣布将从以往的“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,转型期间的英特尔数据中心一度占据英特尔总营收的一半以上,由于疫情带动在线办公的需求旺盛,英特尔的数据中心营收在上半年同比增长了42%。

据IDC近日发布的《全球服务器季度跟踪报告》数据显示,X86服务器产生的收入在2021年第二季度达到了214亿美元,非X86服务器收入约为23 亿美元,X86市场占比超过90%。而在X86市场中,英特尔作为X86阵营龙头,其服务器芯片更是占据了近90%的份额。

英特尔能够击败各大RISC处理器厂商称霸数据中心市场,主要原因在于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,使得小企业甚至个人用户都能买得起服务器,这就逐渐侵蚀了RISC厂商的市场份额,只有IBM依靠大型机市场还能维持Power架构的发展。

另外,Wintel联盟建立四十余年,X86软件生态完善、专注芯片架构研发,不碰设备生态、以及从成本、性能、生态三方面来讲,X86都是早期数据中心的最优选,也是X86在计算市场取胜的原因所在。

服务器芯片发展历程

然而,早在英特尔发家,甚至推出服务器芯片之前,该行业就早已充满了竞争的身影。知乎博主Yvonne在对服务器历史的简要回顾中描述了DEC、Sun、IBM等公司在服务器市场的先发布局和没落结局。

殊途同归的DEC与Sun

DEC是小型机的发明者,发明小型机之后,很长一段时间内DEC成为仅次于IBM的电脑公司。不过DEC公司的小型机在很长一段时间内只能在局域网里提供服务,还不能算是现代服务器。直到1992年DEC公司开发了RISC芯片Alpha 21064,并基于这种芯片开发出了AXP服务器和工作站,DEC公司才进去服务器领域。

Alpha 21064当时的性能非常强悍,1994年8月发表的Alpha 21164芯片具有每秒10亿指令的处理能力,被载入了吉尼斯世界纪录。但也正因为如此强大的性能,使得DEC的工作站和服务器价格居高不下,在与Sun公司的服务器竞争中居于下风。但是后来的DEC 服务器依旧没有走廉价路线,长期处在亏损边缘,最后于1998年被康柏电脑并购,而康柏电脑则在2001年被惠普并购。惠普对Alpha服务器的支持到2012年结束。

Sun公司1982年成立于斯坦福大学,1985年Sun公司投资研发了自己的SPARC精简指令处理器,大幅提高了工作站的性能。此后SPARC架构的服务器在与DEC和惠普的小型机竞争中长期占据优势,在90年代互联网的大潮里,Sun公司的服务器成了许多互联网公司的首选。此外,Sun公司还给自己的服务器单独开发了Solaris操作系统,成为当时非常先进的UNIX系操作系统。

然而,随着2001年互联网泡沫被戳破,Sun公司遭受重创,销售额急剧下跌,服务器市场大量被X86服务器抢占。困境中的Sun采取了开放战略,将SPARC架构和指令集授权给其他公司,将Solaris操作系统开源。

SPARC指令集被富士通发扬光大用来生产大型机和超级计算机,那都是后话了。

命运曲折的MIPS

提到MIPS相信大家都不陌生,今天仍有许多工业设备、路由器、存储器、交换机的控制芯片采用MIPS架构。

MIPS公司起源于斯坦福大学的MIPS项目,是出现最早的商业RISC架构芯片。熟悉行业的朋友应该了解,MIPS公司的业务模式与今天的Arm类似,一开始就是走得指令集和架构授权的道路,后续由于资金问题,在1992年以3.33亿美元的价格卖给了SGI公司。SGI收购MIPS后,将MIPS处理器引入IRIS 4D系列中,开发了很多MIPS架构的工作站与服务器。

不过,后面SGI公司在2006年放弃了MIPS架构的服务器,MIPS后面采取了大开放的战略,许多公司都用MIPS架构生产嵌入式芯片,在Arm崛起前,MIPS处理器一度是世界上最大的嵌入式处理器架构,我国的龙芯就是基于MIPS架构发展起来的。

固守城池的IBM

上文提到的所有RISC指令集处理器,依旧还能在服务器领域大规模商用的只剩下IBM的Power。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,比Sun公司的SPARC和MIPS都要晚。

Power芯片的知名度自不必多言,截止目前,IBM Power经过了多代发展,演进到Power 10架构。目前为止市面上能够看到的Power服务器(大型机与小型机还有Power Systems系列服务器)几乎都是IBM生产的。

相比英特尔的至强系列,IBM遇到了与其他所有没落的RISC架构同样的问题,就是用途太窄、规模太小导致处理器单价居高不下,在与英特尔的竞争中也就越来越居于下风。

大概在英特尔收购Altera之后,IBM也学习Sun公司搞Power架构开放联盟,联合Xilinx 以及众多设备厂商建立了OpenPOWER联盟,意在通过开源的方式吸引合作伙伴在Power的架构下搭建服务器产品。

或许是想效仿Linux的成功,Linux 操作系统的开源确实在全球创造了一个奇迹,它以星星之火可以燎原之势打造了一个庞大的生态系统。但从目前看,Power 架构开源以后似乎没有出现同等的效应,市面上基于Power架构的服务器产品不知道有多少数据中心在使用。

综合来看,英特尔在数据中心市场取得了绝对性的胜利。知乎博主Yvonne认为,英特尔之所以能够逐渐进入服务器处理器市场并最终占据垄断地位,除了Wintel联盟的开放战略外,很大程度上是由于英特尔的规模优势带来的低成本,再加上英特尔在制程领域的领先。

但或许目前这个局面正在改变,Arm处理器的兴起,台积电在制程技术上的领先,目前缺的只是生态系统的搭建。英特尔当年能够把一票RISC服务器打败,靠得是廉价的X86服务器,今天的Arm、Power服务器将会以同样的手法侵蚀英特尔的市场,以彼之道,还彼之身。

同时,随着市场需求和行业变革,GPU、AI芯片以及DPU等都成为服务器中重要的一部分,行业厂商持续发力,给英特尔江湖地位带来冲击。

英特尔遭“八面埋伏”

据TrendForce研究显示,随着市场需求的增长,超大规模数据中心对于服务器的需求占比,从去年第四季的四成以上,有望达到今年接近45%的可能。预计2021年全球服务器出货成长率将逾5%,各方企业们都瞄准了数据中心的巨大市场。

市场趋势反映到企业身上,即使辉煌的英特尔也迎来难言的落寞。过去一段时间,虽然英特尔还是当之无愧的服务器霸主,但受到了AMD、Arm阵营以及国内同行等强劲对手的追赶和挑战,又因为先进制程迟迟没有进展,频频遭受外界质疑。

AMD高歌猛进

如果英特尔在服务器领域觉得寂寞,想要找一个竞争对手,恐怕能和它抗衡一下的就是AMD了。

据TrendForce公布的数据指出,AMD今年在服务器芯片市场可望夺得10%的市场份额,明年将夺得15%的市场份额,而此前英特尔曾占有服务器芯片市场99%的市场份额,服务器芯片市场被AMD攻入对英特尔是重大打击。

2018年,AMD推出了EYPC霄龙服务器芯片,延续了Zen架构的性能优势,再加上AMD的服务器芯片拥有价格优势,可以兼容英特尔的X86架构服务器芯片,AMD慢慢在服务器芯片市场打开局面。

图源:计算机视觉研究院

研究机构Mercury Research几个月前公布了2021年最新的服务器市场数据。AMD EPYC霄龙系列服务器CPU在这一季度末市场占有率达到了8.9%,环比增长1.8%,实现了2006年Q2以来的最快单季增长,创下了15年来新高。

不过这还不是巅峰,之前靠着皓龙处理器,AMD只用了18个月,在服务器CPU市场上的份额就从5%提升到22%,AMD在服务器领域的最高市场占有率曾经达到27%。然而,当年的市场丢起来可谓排山倒海,如今想要争回来自然不易,AMD这几年来最大的奇迹实际上是在服务器CPU市场上,几乎从零开始收复失地。

今年3月,AMD发布了全新的 Epyc7003 系列处理器,代号Milan,搭载了全新Zen 3架构。据悉,AMD 已经完成该芯片的设计,使用台积电7nm制程。相较于英特尔新产品延迟量产的问题,AMD依靠台积电强大的出货能力占据了先发优势。

霄龙EPYC处理器除了要保持稳定的性能,更重要的是后续的产品迭代跟上步伐,产品运营稳步向前,稳扎稳打,服务器市场还有AMD的一片天地。展望后续,AMD将在2021年底投入5nm制程,此将进一步优化成本、功耗与效能,进一步提升服务器芯片市场的份额。

另一方面,AMD计划收购Xilinx的消息有望成为带动其发展的新驱动力。如今高并行、高密集计算能力成为主流的情况下,传统的通用处理器已然无法满足需求,此趋势下需要的整合设计能力,要有CPU+异构单元和生态协作能力,这也是AMD与Xilinx达成合作的基础。

Arm引领服务器芯片架构之争

在AMD之外,Arm更是英特尔的大患。

服务器芯片市场产品繁多,功能和性能定位不一,但按照指令集架构来区分的话,目前市场上主要有两个阵营在竞争,一个是CISC(复杂指令集)架构,另一个是RISC(精简指令集)架构。

CISC的设计者希望通过直接在硬件中构建复杂的指令从而使编程更方便、程序运行速度更快,其架构中每个指令可执行若干低端操作,诸如从存储器读取、存储和计算操作,全部集于单一指令之中;与之相反,RISC 架构中只包含使用频率高的少量简单指令,并提供一些必要的指令以支持操作系统和高级语言。

CISC阵营以英特尔、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近年来发展的风生水起。

Arm,这个在移动处理器市场大放异彩的IP授权商,周围聚集了全球顶尖的芯片设计商,出货量以百亿级让英特尔颜面扫地,黯然退场。当然,手机市场的饱和意味着Arm的市场份额也要接近饱和,需要开阔新的市场来实现市场增长。

Arm想要在服务器领域有所作为已是众所周知,其从2008年开始就发起了对服务器市场的冲击,只可惜冲击多次都没掀起多少波澜。Arm阵营门徒众多,但在服务器芯片领域却一直走的十分坎坷。2008年,Arm开始酝酿服务器芯片计划,随后乘着Arm 64的东风,高通、Cavium、博通、微软、华为、飞腾等都陆续开发了各自的Arm服务器CPU,后来又经历了AMD来了又走,高通高调入局却折戟沉沙,三星暗自发力也难逃落得无疾而终。十多年的发展,Arm服务器芯片依然无法对X86造成有力冲击,到现在还在Arm服务器芯片领域坚持的企业已经不多了。

不过,近两年Arm阵营仿佛又开始慢慢热闹起来了。Ampere、富士通、Mavell、亚马逊、华为等频频发力,推出基于Arm的基础设施处理器。2019年,Arm引入Neoverse产品线,并发布了Neoverse N1/E1核心IP——这是Arm第一次专门针对服务器产品推广有“名分”的处理器IP。

图源:Arm

虽然从单纯的性能层面以及生态完整性而言,Arm Neoverse N1仍无法与英特尔/AMD相提并论,但是在TCO(总拥有成本)和能效(Power Efficiency)层面,Arm的解决方案对基础设施供应商有足够的吸引力。

过去几年,基于Arm架构的服务器芯片一直在强化其在数据中心市场的存在感。DIGITIMES在今年3月发布的研究报告中提到:亚马逊、微软等云计算数据中心运营商以及Marvell、Ampere等芯片设计企业开始采用Arm架构,这预计将帮助Arm在大规模云数据中心与HPC市场扩张,或将对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个人电脑有搞头,那么Arm服务器芯片阵营厂商所取得的成绩,则让更多芯片设计厂商备受鼓舞,提供了一条新的发展道路。

尽管如此,Arm与RISC架构现阶段仅维持小批量规模的接单生产,且以资料中心市场为主,TrendForce认为,至2023年前,以Arm架构为代表的RISC架构芯片仍难与X86抗衡。

有业界资深人士向笔者表示,其他架构与英特尔X86相比,差距的不是性能,而是生态和应用,无论是什么架构,最后推动起来还是靠应用,所以架构意义不大,要看怎么做应用和生态,看架构生态的活跃度和支持度。

生态的繁荣一定是要依赖于更多的人才聚集、厂商支持、资金投入,缺一不可。历史上一些架构的消亡,往往不是技不如人,而是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、资金投入方面相对领先,X86有先发优势,而Arm有TCO方面的优势,在新的细分市场竞争中Arm架构更能发挥各CPU厂商的独特视角,发挥出各自的优势特点。

英伟达欲借AI突围

英伟达如今在数据中心市场的热度风光无二。从英伟达2021 Q4季报来看,其数据中心业务营收达到19.03亿美元,同比增长97%。目前数据中心业务已占到英伟达公司营收的40%左右。

其实早在2011年,就有消息表示,英伟达计划使其Tegra芯片进军服务器市场,该芯片内核将集英伟达图形处理器的并行处理能力与Arm的低能耗特性于一体,挑战英特尔在服务器芯片市场上的主导地位,不过之后并没有引起多大水花,游戏业务依旧占大头。

2016年,AI兴起,数据中心市场开始爆发,借着这股东风,英伟达乘势而上,其GPU在AI领域取得关键优势。英伟达的GPU拥有比英特尔的CPU更强的并行计算、低精度运算等性能,由于这种优势当前全球大多使用英伟达的GPU训练神经网络。

根据《中金公司》的研报显示,自2016 年起,英伟达公司数据中心业务收入一路攀升,同比增长率连续七个季度超100%。

英伟达数据中心业务单季收入及同比增长率(图源:中金公司研究部)

依靠GPU的优势,英伟达开始进军服务器市场,希望借助Arm架构所拥有的低功耗、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GTC 大会上,英伟达发布了首款Arm架构服务器处理器Grace,面向AI、超算、数据中心等领域,2023年面世。在整个计算架构上,CPU与GPU之间的通讯协议改用NVLINK,以实现真正的高带宽。Grace CPU以及计算架构颇有“革”X86命的意味。

除了 英特尔 及 AMD的 X86 CPU在服务器中扮演心脏的角色,英伟达安装在服务器的 AI GPU加速器就像扮演训练人工智能增强推理能力的角色。

英伟达的GPU在AI领域有着先发优势,全球大多用户都使用其GPU训练神经网络,而英伟达缺的恰恰是一个处理器平台,从而可以和GPU整合在一起,完成高性能计算服务器平台的完整交付。

尽管英伟达收购Arm还在进行中,基于Arm架构的CPU率先浮出水面,从GPU开始向CPU扩张。一旦Arm被英伟达成功收购,英伟达在CPU上的短板也将被补齐,再借助Arm架构所拥有的低功耗、低成本优势。英伟达将具备完整的CPU+GPU能力,能够构筑一个横跨移动、PC、服务器端的生态帝国,这将给英特尔带来前所未有的压力。

本土厂商加入战局

国产服务器芯片方面,如今国内正在研制的处理器所采用的指令集架构包罗万象,最活跃的有MIPS架构的龙芯,Alpha架构的申威,Arm架构的飞腾、华为等。

尽管变革已来,但在服务器架构中,英特尔X86已牢牢占据“C”位,国内厂商几大门派如X86、Arm、MIPS、Alpha、Power等技术路线各异,但均在提升服务器芯片性能上发力,或提高核数,或提高路数,或两者兼而有之、同步发展,力求国产芯片在关键行业的应用中能够满足用户的多样化需求。

当前,对于中国市场而言X86服务器业务市场巨大,包括华为、浪潮、海光在内的大多数中国服务器厂商,一直无法摆脱对英特尔在底层芯片架构上的重度依赖和限制,存在较多风险。

目前国产芯片企业在Arm和alpah两大架构服务器芯片方面已取得不错的成绩。

以飞腾为代表的本土服务器芯片厂商,从2011年就开始进入Arm服务器芯片领域,到现在已经快十年了。凭借国内有特定的市场优势,在国产替代领域,Arm服务器已经渐成主流。

从技术上来看,在服务器领域,特别是云计算应用场景里,Arm服务器芯片的低功耗是其最大的优势。Arm服务器芯片通过多合实现了可以比拟X86芯片的高性能,又通过其低功耗特性,达到了节约能源的目的。因此Arm服务器芯片与云、数据中心虚拟化等应用场景是天生一对。同时,Arm的生态也在快速成熟,特别是在服务器端,进展非常迅速。

申威研发的Alpha架构服务器芯片可能是中国值得发展的服务器芯片方向,Alpha架构是早已被惠普收购的DEC公司研发的,后续Alpha架构逐渐被惠普放弃了,经过20多年时间,Alpha架构的部分专利已经过期,申威由此将Alpha架构收购成为自主控制的芯片架构。Alpha架构虽然在市场上已几乎没有存在感,但是该项架构技术其实是相当先进,在1990年代的时候几乎与X86架构并驾齐驱,申威买来Alpha架构后推出的服务器芯片就用于全球顶尖水平的太湖之光服务器上,证明Alpha架构服务器芯片的强大技术性能。

其实除了上述几种架构的服务器芯片之外,中国也在研发Power架构的服务器芯片,不过受IBM的控制,国产Power架构服务器芯片性能稍微落后。

整体来看,随着国际大环境的日益复杂以及国家对自主技术和安全可控,越来越重视,服务器芯片国产化进程或将提速发展。

写在最后

目前,服务器处理器最大的供应商仍然是英特尔。但或许,笔者在文中讨论的AMD、Arm阵营和英伟达会对英特尔带来强而有力的挑战。一方面,AMD来势凶猛,英伟达在高性能计算领域的拥有了GPU+Arm CPU强有力的支点,有望从高端市场慢慢蚕食英特尔的市场。另一方面,随着互联网厂商对于数据中心的话语权越来越强,Arm架构的服务器芯片为终端需求客户直接提供定制化服务器芯片设计也可能会拥有越来越大的市场。

历经数波沉浮,服务器芯片或将在不久的将来迎来新的变局,契机与命运不断轮转,不知谁将成为下一个晨星。

【责任编辑:未丽燕 TEL:(010)68476606】

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