數(shù)據(jù)中心風(fēng)起云涌，Ampere全新80核arm架構(gòu)處理器能否突破x86封鎖線？

單祥茹

在手機(jī)、基礎(chǔ)設(shè)施、自動駕駛、嵌入式設(shè)備等多個領(lǐng)域，基于ARM架構(gòu)的芯片具有很高的市占率。ARM公司發(fā)布的最新數(shù)據(jù)顯示，在2019財(cái)年第三季度（2019年9-12月）中，ARM合作伙伴基于ARM技術(shù)的芯片出貨量達(dá)到64億顆，再創(chuàng)歷史新高。截至目前，基于ARM技術(shù)的芯片整體出貨量已經(jīng)超過1600億顆。然而，在服務(wù)器CPU市場，似乎并不是ARM的江湖，x86架構(gòu)一家獨(dú)大的局面由來已久。

Ampere是一家成立僅僅兩年多的美國科創(chuàng)公司，近日，該公司正式發(fā)布了一款全新Ampere Altra處理器，此款產(chǎn)品是業(yè)界首款搭載80個內(nèi)核數(shù)量的服務(wù)器中央處理器，同時(shí)也是首款應(yīng)用于新一代云和邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)中心的云原生中央處理器。隨著這款基于ARM v8.2架構(gòu)、采用臺積電（TSMC）7nm制程工藝打造的服務(wù)器處理器的問世，ARM架構(gòu)是否能夠沖破在云服務(wù)領(lǐng)域由Intel、AMD組成的x86封鎖線，在未來的數(shù)據(jù)中心中贏得一席之地呢？

云計(jì)算驅(qū)動服務(wù)器市場穩(wěn)步增長

IDC預(yù)測，到2021年，中國90%以上的企業(yè)將依賴于本地或?qū)偎接性?多個公有云以及既有平臺的組合，來滿足其基礎(chǔ)設(shè)施需求。到2023年，50%的中國企業(yè)應(yīng)用將部署在容器化的混合云/多云環(huán)境中，以提供敏捷的、無縫的部署和管理體驗(yàn)。長期來看，用于云IT基礎(chǔ)設(shè)施的支出將以7%的年復(fù)合年增長率（CAGR）增長，2023年將達(dá)到920億美元，占IT基礎(chǔ)設(shè)施總支出的58.1%。其中，公有云數(shù)據(jù)中心將以6%的復(fù)合年增長率增長，占66.3%。私有云基礎(chǔ)設(shè)施的支出將以9.2%的復(fù)合年增長率增長。

為什么需要新的處理器平臺？

用Ampere公司產(chǎn)品高級副總裁Jeff Wittich先生的話說，當(dāng)前的解決方案無法滿足云需求，他表示，過去的10--15年，云計(jì)算的需求已經(jīng)在基于企業(yè)級計(jì)算演進(jìn)而來的云計(jì)算上發(fā)生了很大變化。從軟件角度來說，現(xiàn)在的需求更多的是朝向云原生如容器、微服務(wù)這類的計(jì)算模型快速轉(zhuǎn)變，而不是面向以前那種企業(yè)級內(nèi)部的計(jì)算模型。此外，現(xiàn)在的邊緣數(shù)據(jù)中心越來越多，像延時(shí)、散熱、功耗等需求也與從前有很大不同。超大規(guī)模云以及邊緣云計(jì)算的需求的增長，對CPU的部署密度和能耗要求越來越高。

另有一個市場現(xiàn)象值得注意，邊緣計(jì)算出現(xiàn)越來越多的定制化趨勢，這些異構(gòu)型的基礎(chǔ)設(shè)施要求有云計(jì)算的能力。有些企業(yè)開始嘗試將GPU用于AI，smartNIC（智能網(wǎng)卡）、smartnet用于網(wǎng)絡(luò)的工作負(fù)載等等。

針對所有這些變化，一種具備新型計(jì)算能力，尤其是專門針對云的高效CPU呼之欲出，而新一代的CPU不再擁有以往CPU的那些制約因素。

為什么是ARM架構(gòu)處理器？

處理器是服務(wù)器中成本占比最高的部件。不可否認(rèn)，在這一市場，x86一直是服務(wù)器處理器的主流架構(gòu)。

Jeff Wittich先生表示：“經(jīng)過幾年的發(fā)展，ARM架構(gòu)的綜合能力目前已經(jīng)具有領(lǐng)先的數(shù)據(jù)中心性能和能效。此外，ARM的軟件生態(tài)非常成熟，目前運(yùn)行在數(shù)據(jù)中心的這些軟件均可在ARM架構(gòu)芯片上運(yùn)行，其中包括操作系統(tǒng)、中間件以及應(yīng)用。更重要的一點(diǎn)是，臺積電7nm先進(jìn)工藝制程技術(shù)也已成熟。最領(lǐng)先的IP、成熟的ARM軟件生態(tài)、7nm先進(jìn)制程，加之Ampere經(jīng)驗(yàn)豐富的團(tuán)隊(duì)，這些因素結(jié)合在一起，足以支持Ampere為新一代數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)最新的、能效更優(yōu)的CPU?！?img src="https://cimg.fx361.com/images/2021/01/25/qkimagesdzjcdzjc202003dzjc20200306-2-l.jpg"/>

在上述這些因素之外，Jeff Wittich先生認(rèn)為，ARM架構(gòu)本身要比其他的架構(gòu)有更多的優(yōu)勢。由于使用相對于x86而言的簡單指令級（RISC），芯片的功耗更小，而整體的效率更高。可喜的是，ARM生態(tài)系統(tǒng)在服務(wù)器領(lǐng)域日益成熟，所有大型的操作系統(tǒng)包括Linux、BSD、windows，ARM架構(gòu)芯片均予支持。容器化，包括虛擬化工具如docker、vmware、KVM和kubernetes都可以在ARM芯片上得到支持?？傮w來看，現(xiàn)代云計(jì)算的三大要求：可預(yù)測和高性能、跨平臺的可擴(kuò)展性（從內(nèi)核，到IO，到內(nèi)存）以及高能效及部署密度等，基于ARM架構(gòu)的Ampere Altra處理器均能很好地支持。與英特爾和AMD最新的頂級x86產(chǎn)品相比，就目前的市場下，在價(jià)格和性能上都具備強(qiáng)勁的競爭力。

Ampere Altra：專為云全新設(shè)計(jì)的處理器

Ampere Altra處理器為采用7nm工藝技術(shù)制造的ARM架構(gòu)64位芯片，具有80個處理核心，Jeff Wittich先生表示，這款CPU是世界上第一款從設(shè)計(jì)和制造伊始就面向云，而且是為了滿足現(xiàn)在新的云計(jì)算需求的一款CPU處理器。它能夠提供可預(yù)測的、非常高的性能，單路具備80個處理核心，支持兩路平臺。利用Monolithic die（即單芯片設(shè)計(jì)）工藝，所有的核在Mesh網(wǎng)絡(luò)互連下相互連結(jié)，提供非常高的帶寬和一致性互聯(lián)Mesh網(wǎng)絡(luò)。另外，還有非常高的內(nèi)存帶寬和內(nèi)存密度。

在可擴(kuò)展性方面，Ampere Altra處理器依據(jù)行業(yè)最領(lǐng)先的每核功耗，從邊緣到超大規(guī)模云等不同部署環(huán)境下提供多種可選的處理器配置。此外，該處理器還能夠提供多路支持，以及非常靈活的IO連接和高帶寬。

Ampere Altra處理器的每核最高頻率為3.0GHz，所有內(nèi)核都能在turbo模式下持續(xù)運(yùn)行。這個處理器還能夠?qū)崿F(xiàn)四寬的超標(biāo)量的主動無序執(zhí)行。單核單線程設(shè)計(jì)在提供最優(yōu)性能的同時(shí)，還能保證安全隔離，這一點(diǎn)也是現(xiàn)代云計(jì)算的要求，有效保障了用戶在多用戶環(huán)境中不受相鄰干擾。

在緩存方面，Ampere Altra處理器可提供非常寬的內(nèi)存帶寬和內(nèi)存容量，共有8個DDR4通道，每一個通道能插兩個DIMM，運(yùn)行時(shí)能夠提供總帶寬單路200GB/秒的速度。另有單路4TB的內(nèi)存或者雙路8TB的內(nèi)存容量，并有兩個128BT的SIMD單元用于浮點(diǎn)運(yùn)算。

在IO子系統(tǒng)方面，Ampere Altra處理器單路對外提供128條PCIe Gen4通道，雙路192條。X16的控制器分為x8或者x4或者x2等不同的設(shè)計(jì)選擇，即可連接高帶寬GPU，也可連接高扇出（fan-out）及NVME存儲設(shè)備。最多可外接4個CCIX協(xié)議的加速器。

云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、AI的快速發(fā)展對數(shù)據(jù)中心算力的需求不斷提升，數(shù)據(jù)中心已成為能耗大戶。據(jù)預(yù)測，目前全球數(shù)據(jù)中心的電力消耗總量已經(jīng)占據(jù)全球電力使用量的3%，并將于2030年增長至11%。Ampere Altra處理器在內(nèi)核上進(jìn)行了優(yōu)化，內(nèi)核只提供云計(jì)算所需要那些性能，減少了耗電量，內(nèi)核的功耗效率得到極大提高。Jeff Wittich先生表示：“Ampere Altra處理器具有80個內(nèi)核和210W的功耗，為日新月異發(fā)展的前沿科技領(lǐng)域如數(shù)據(jù)分析、人工智能、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)存儲、電信堆棧、邊緣計(jì)算、Web主機(jī)與云原生應(yīng)用等提供突破性的能效提升。”

Ampere Altra：性能優(yōu)勢大比拼

據(jù)Jeff Wittich先生介紹，與傳統(tǒng)服務(wù)器CPU架構(gòu)相比，Ampere Altra處理器共有三大創(chuàng)新點(diǎn)：一是單線程。其目的是為每一個用戶提供穩(wěn)定、可預(yù)測的性能。在云計(jì)算應(yīng)用中，單線程還能夠提供非常好的安全隔離。二是通過架構(gòu)的優(yōu)化提供最多數(shù)量的內(nèi)核?；贛esh網(wǎng)格化的部署，密度非常高，并且有非常好的一致性和高效率。三是內(nèi)核能效最高。

Jeff Wittich先生表示，Ampere Altra處理器不僅性能高，功耗也更低，每瓦特的性能比AMD EPYC和Intel至強(qiáng)要高。對于那些以能耗為中心（power-centered）的應(yīng)用，如存儲網(wǎng)頁游戲、邊緣云、Web主機(jī)等應(yīng)用，將是一個非常完美的解決方案。

Ampere Altra處理器出色的核的擴(kuò)展性在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中將得到最大發(fā)揮，每一個機(jī)架能夠部署多達(dá)3500個內(nèi)核。每一個機(jī)架的單核密度，比AMD EPYC高38%，比Intel至強(qiáng)高173%。在單機(jī)架性能上具有優(yōu)勢，總體應(yīng)用成本TCO也更低。

Ampere Altra：市場部署初見成效

Jeff Wittich先生說：“在過去一段時(shí)間，ARM一直致力于推進(jìn)可用于數(shù)據(jù)中心高性能、高能效的內(nèi)核研究，我們也一直在推動ARM架構(gòu)性能的不斷改善。隨著我們利用之前的經(jīng)驗(yàn)積累，在云數(shù)據(jù)中心這一塊，Ampere服務(wù)器CPU的性能已超過X86。尤其是臺積電7nm制程技術(shù)的采用，使得我們的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了體積最小、能效最高、速度最快的目標(biāo)?！?/p>

據(jù)Jeff Wittich先生透露，在過去一年，Ampere與最主要的云服務(wù)商一直保持密切合作。針對這款A(yù)mpere Altra處理器的合作，微軟、甲骨文（Oracle）等，已經(jīng)開展相應(yīng)測試。預(yù)計(jì)今年下半年會有市場部署，規(guī)模量產(chǎn)預(yù)計(jì)在2020年年中。另外，因產(chǎn)品的更新迭代每年都會有非常固定的節(jié)奏，Jeff Wittich先生認(rèn)為這一點(diǎn)也是打動客戶采用Ampere產(chǎn)品的重要原因。

有關(guān)Ampere 服務(wù)器處理器的發(fā)展路線圖，Jeff Wittich先生表示，計(jì)劃在2021年推出Mystique新產(chǎn)品。Mystique的核數(shù)將更多，性能也更好，與現(xiàn)在的Altra平臺兼容。2022年計(jì)劃推出Siryn產(chǎn)品，該產(chǎn)品要比之前的兩款產(chǎn)品核數(shù)更多，性能更好，功耗更低，而且還有更多基于云的設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。