ARM 能否憑借64位處理器占領(lǐng)高端芯片市場？

本刊編輯部

引 言

早在20 世紀(jì)90 年代初，美國的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司MIPS就推出了MIPS ISA（指令結(jié)構(gòu)集）首個(gè)64 位處理器架構(gòu)。2012 年，MIPS公司的全部業(yè)務(wù)被Imagination公司接手后，其64位架構(gòu)在移動GPU IP領(lǐng)域獲得了新的發(fā)展。隨著PC 業(yè)務(wù)呈逐年下降的趨勢，Intel也看到了移動處理器市場的崛起，轉(zhuǎn)而研發(fā)低端芯片，于2015年攜新款A(yù)tom 64 位處理器沖擊消費(fèi)類電子市場。此外，Intel還并購了Altera公司，嘗試新架構(gòu)，以保持其在服務(wù)器市場的主導(dǎo)地位。

在移動互聯(lián)芯片領(lǐng)域一統(tǒng)天下的ARM 公司，并不滿足低端市場的驕人業(yè)績，其預(yù)測到了64位處理器的巨大需求，于2012年發(fā)布64位處理器，正式向高端領(lǐng)域進(jìn)軍，這也為日后競爭激烈的64位戰(zhàn)場埋下伏筆。

業(yè)界聲音

近幾年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入超大規(guī)模整合時(shí)期，單純的移動消費(fèi)類芯片市場接近飽和，利潤微薄，半導(dǎo)體廠家紛紛與ARM 聯(lián)盟，轉(zhuǎn)投高端服務(wù)器、云數(shù)據(jù)等領(lǐng)域，越來越多的企業(yè)將ARM 的64位處理器引入高端市場。ARM 能否憑借64 位處理器帶動高端芯片市場？我們來看看2015年各大半導(dǎo)體廠家的市場動態(tài)。

Imagination 64位處理器發(fā)力移動領(lǐng)域

被Imagination公司收購后，MIPS的64位芯片得到了更多的優(yōu)化，Imagination 公司在2014 年發(fā)布了新款MIPS I－class I6400CPU 系列產(chǎn)品，其首次融合了MIPS的64位架構(gòu)及硬件虛擬化的IP核心，支持多線程、多核及多集群處理技術(shù)。

Intel在64位處理器市場中尋求轉(zhuǎn)型

PC業(yè)務(wù)逐年下滑，而移動市場風(fēng)生水起，Intel嘗試借助Atom 處理器進(jìn)軍移動市場。2015年發(fā)布的64位移動芯片處理器Atom Z3580采用四核四線程設(shè)計(jì)，22nm工藝制造，主頻達(dá)到2.3GHz，具有全新亂序執(zhí)行Silvermont CPU 架構(gòu)，可支持最新的Android 4.4.2系統(tǒng)（未來支持安卓5.0）。與此同時(shí)，Intel重金收購了可編程邏輯芯片巨頭Altera，試圖融合至強(qiáng)處理器（英特爾數(shù)據(jù)中心的主打芯片）及兼容的FPGA 到一個(gè)芯片中，這樣，整合后的芯片就有了FPGA 的可重編程能力，基于FPGA 的加速器可以實(shí)現(xiàn)超過10 倍的性能提升，而功耗提升卻很小。

Intel在高端服務(wù)器市場的主要客戶是Facebook、谷歌、亞馬遜、微軟等科技巨頭，這些具有大型數(shù)據(jù)中心的企業(yè)需要實(shí)現(xiàn)自己芯片的定制化，可嵌入芯片的FPGA 架構(gòu)自然必不可少。雖然，Intel想在大數(shù)據(jù)和高端服務(wù)器市場抬高對手進(jìn)入門檻的難度。

高通打造旗艦級手機(jī)芯片處理器

（1）基于ARM 的64位手機(jī)旗艦級芯片

手機(jī)芯片競爭激烈，進(jìn)入64位時(shí)代以后，高通公司就推出了采用ARM 標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的芯片驍龍810。驍龍810借鑒了ARM 研發(fā)的Big.LITTLE架構(gòu)設(shè)計(jì)，擁有4顆Cortex－A57CPU 核心 和4顆Cortex－A53CPU 核 心，最 高 主頻達(dá)到2.0GHz，這兩組CPU 核可以根據(jù)智能手機(jī)要處理任務(wù)的強(qiáng)度來智能開啟和關(guān)閉。

（2）24核服務(wù)器芯片

隨著移動芯片市場需求減緩，2015 年7 月高通公司重整其核心業(yè)務(wù)，積極拓展手機(jī)芯片以外的市場，開始向高端服務(wù)器、云計(jì)算等領(lǐng)域延伸。谷歌、亞馬遜和Facebook等客戶希望自主開發(fā)服務(wù)器并運(yùn)行自己的軟件，在服務(wù)器芯片市場，來自這些公司的訂單比例正越來越高。2015年10月，高通公司推出了首款用于服務(wù)器的芯片。這款SoC包含24個(gè)用FinFET 工藝的定制64位ARMv8內(nèi)核，以及一個(gè)存儲器控制器、PCI Express和其他定制IP。高通的目標(biāo)指向很明確，延伸業(yè)務(wù)至云應(yīng)用、服務(wù)器（如基礎(chǔ)設(shè)施和平臺即服務(wù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)及NFV 領(lǐng)域），目前這一芯片正在試生產(chǎn)，而高通的潛在客戶和合作伙伴可以進(jìn)行測試。

AMD挑戰(zhàn)64位8核服務(wù)器芯片

AMD識時(shí)務(wù)地選擇了ARM 陣營，不僅生產(chǎn)x86架構(gòu)產(chǎn)品，還宣布將于2016 年發(fā)布首款定制化的64 位ARMv8處理器，其代號為K12。K12 是基于ARM 的高性能、低功耗的內(nèi)核，利用了AMD 的ARM 架構(gòu)授權(quán)、基于64位架構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)，這款定制化的企業(yè)級64位ARM處理器為提高能效而設(shè)計(jì)，特別適用于服務(wù)器和嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品領(lǐng)域。

IBM 聯(lián)姻ARM，在IoT領(lǐng)域展開合作

IBM 公司正在積極拓展其名為IoT Foundation的物聯(lián)網(wǎng)平臺，其具體舉措就是將ARM 架構(gòu)嵌入現(xiàn)有方案。IBM 與ARM 聯(lián)姻，意味著ARM 面向微控制器的物聯(lián)網(wǎng)云接口mbed已經(jīng)能夠與IBM 的IoT Foundation相對接。對接成功是因?yàn)?，IBM 已經(jīng)購買并安裝了大量ARM 服務(wù)器，希望將其運(yùn)行在IBM Bludmix云平臺，即Power服務(wù)器當(dāng)中。

聯(lián)姻帶來的好處是，通過在IBM Bluemix云中運(yùn)行ARM 服務(wù)器并提供交鑰匙方案，能夠把IBM 在物聯(lián)網(wǎng)方面的營收總額提升到新高度。

飛騰“火星”處理器媲美Intel頂級服務(wù)器芯片

在大型機(jī)方面，由中國國防科技大學(xué)高性能處理器研究團(tuán)隊(duì)建立的企業(yè)飛騰公司，推出了為大型機(jī)服務(wù)的64核的“火星”處理器。它們都可以輕易運(yùn)行安卓、Linux系統(tǒng)和市面上大部分的應(yīng)用，甚至可能兼容微軟的Windows 10系統(tǒng)。

代號為“火星”的ARM 指令集64核處理器由中國團(tuán)隊(duì)開發(fā)的，擁有媲美Intel公司頂級服務(wù)器芯片的性能，“火星”處理器可兼容ARMv8 指令集，可四發(fā)射亂序執(zhí)行，擁有多達(dá)64 個(gè)內(nèi)核，是主頻達(dá)到2 GHz的服務(wù)器CPU。在標(biāo)準(zhǔn)測試集中，火星處理器的多核整數(shù)分?jǐn)?shù)高達(dá)672，浮點(diǎn)分?jǐn)?shù)為585。相比之下，Intel強(qiáng)大的處理器Xeon E7－8890v3和Xeon E5－2699v3 的 整 數(shù)、浮 點(diǎn) 成 績 分 別是680和460。

編輯視角

MIPS 64位處理器現(xiàn)狀

MIPS被Imagination公司收購后，只在2014 年發(fā)布了一款64位處理器，原先采用MIPS架構(gòu)的部分半導(dǎo)體公司也根據(jù)市場需要和模式，調(diào)轉(zhuǎn)方向采用了ARM 架構(gòu)。近幾年的市場情況是：Freescale的數(shù)通產(chǎn)品IorIQ 從PowerPC e500 架 構(gòu) 轉(zhuǎn) 到 采 用ARM Cortex－A57 架 構(gòu)；Broadcom 公司的Netlogic產(chǎn)品被Avago收購后，也采用了Cortex－A57架構(gòu)；Marvell這個(gè)做無線路由器SoC 的廠家也開始轉(zhuǎn)用ARM Cortex－A53架構(gòu)。

從技術(shù)角度看，MIPS收取IP授權(quán)要比指令集授權(quán)更貴，而且允許添加指令，這就使得廠商們紛紛自行設(shè)計(jì)MIPS核心、添加指令、發(fā)布開發(fā)工具，碎片化嚴(yán)重。而ARM 指令集授權(quán)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比IP 授權(quán)要貴，避免了碎片化的缺點(diǎn)。

MIPS的64位處理器后勁不足，究其原因還是其產(chǎn)品未能及時(shí)地順應(yīng)市場的需要。

轉(zhuǎn)型中的Intel現(xiàn)狀

Intel在以智能手機(jī)和平板電腦為代表的移動互聯(lián)網(wǎng)市場一直進(jìn)展不利，發(fā)布的Atom 處理器也并未在市場獲得較大反響。Intel多年習(xí)慣的模式是生產(chǎn)制造幾十、幾百美元的處理器，這個(gè)價(jià)位上的毛利率驚人，并且一家獨(dú)大，沒有人能夠撼動。而正是豐厚的毛利率使得Intel敢于付出高昂的代價(jià)研發(fā)下一代處理器技術(shù)和生產(chǎn)線制程，從而保持領(lǐng)先技術(shù)優(yōu)勢。Intel不愿意也不能夠開放自己的昂貴生產(chǎn)線，廣泛授權(quán)給其他半導(dǎo)體廠商生產(chǎn)自家架構(gòu)的芯片。ARM 則是憑借著開源式的授權(quán)模式賺錢，無需制造昂貴的生產(chǎn)線生產(chǎn)芯片，省時(shí)省力。這也是Intel轉(zhuǎn)入移動芯片市場，卻收效甚微的主要原因。

隨著高通、Applied Micro、AMD 等向Intel擅長的高端服務(wù)器領(lǐng)域進(jìn)軍，以及PC 份額的大幅下滑，Intel的霸主地位岌岌可危，其收購Altera的目的正是想利用FPGA強(qiáng)化和優(yōu)化自身x86架構(gòu)，指望在數(shù)據(jù)中心及未來物聯(lián)網(wǎng)芯片市場占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢，并借此將重心移至自己的核心優(yōu)勢領(lǐng)域（如服務(wù)器、大數(shù)據(jù)計(jì)算存儲），抬高競爭對手進(jìn)入此領(lǐng)域的門檻。

ARM 攜64位芯片進(jìn)軍高端市場的優(yōu)勢

ARM 推出64位處理器的目的很明確，開拓服務(wù)器、云數(shù)據(jù)存儲等高端芯片市場。隨著半導(dǎo)體制造工藝的不斷提升，ARM 處理器的功耗不斷降低，處理器的性能也得到較大的提升，使其64位架構(gòu)更適應(yīng)服務(wù)器這種處理大量數(shù)據(jù)的工作環(huán)境；同時(shí)，ARM 陣營的半導(dǎo)體制造工藝逼近Intel，使得Intel的x86架構(gòu)相較于ARM 陣營64位架構(gòu)的優(yōu)勢不斷縮小。

擁有大型數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)都有意采用ARM架構(gòu)的處理器節(jié)省能源，芯片企業(yè)中，Applied Micro、AMD已經(jīng)在2015年推出了64位的服務(wù)器芯片，而谷歌、亞馬遜、Facebook等企業(yè)也需要ARM 的高端可定制芯片來搭建適合自己的服務(wù)器、云平臺。

從非技術(shù)的角度看，Intel占有超過九成的服務(wù)器市場份額，由于壟斷市場，其服務(wù)器芯片價(jià)格奇高，2014年均價(jià)超過600美元；反觀ARM，1片ARM 處理器僅賣幾十美元，利潤率雖然微薄，但是出貨量很大。就ARM 公司而言，其設(shè)計(jì)和生產(chǎn)是分離的，設(shè)計(jì)的IP可以單獨(dú)授權(quán)給各家廠商自行定制整合，而制造生產(chǎn)采用的是比較成熟的生產(chǎn)線，成本低、可選廠家也多。這樣的模式對于想節(jié)省成本、達(dá)到高功效的廠家來說是有極大吸引力的。

64位處理器市場的競爭日益激烈，期待這些廠家未來的精彩表現(xiàn)！