本文來自半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫，作者/熊熊。
在服務(wù)器芯片領(lǐng)域初露頭角的云計算廠商，意欲何為？
隨著數(shù)字技術(shù)向社會各領(lǐng)域的全面持續(xù)滲透，現(xiàn)代社會算力需求愈加迫切，云計算廠商作為算力的重要供給方，將面臨新的發(fā)展機遇，工信部發(fā)布的《2021年通信業(yè)統(tǒng)計公報》顯示，云計算已經(jīng)成為新興業(yè)務(wù)中增長最快的領(lǐng)域，相關(guān)業(yè)務(wù)較上年增長91.5％。
數(shù)據(jù)中心是云計算產(chǎn)業(yè)的底層核心基礎(chǔ)設(shè)施，也是云計算廠商的重要抓手。服務(wù)器是數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其中的CPU、GPU決定了服務(wù)器的算力。信通院數(shù)據(jù)顯示，服務(wù)器在數(shù)據(jù)中心硬件成本中占比70％左右。進一步的，芯片成本則占據(jù)服務(wù)器成本的絕大部分。根據(jù)IDC的研究數(shù)據(jù)，CPU、GPU、DRAM三個模塊中的芯片成本在基礎(chǔ)型服務(wù)器中占比約30％，在更高性能的服務(wù)器中，占比高達50％-80％。
但是，服務(wù)器芯片市場還是處于被龍頭壟斷的階段。根據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)IDC的報告，英特爾占據(jù)了服務(wù)器CPU市場近九成的份額，英偉達占據(jù)獨立GPU市場份額近八成。
因此，除了芯片賽道的專業(yè)選手外，AWS、谷歌等云計算廠商也紛紛跨界，下場造芯。
云計算廠商為何選擇自研芯片
“自渡”才是底氣
從外部的供應(yīng)鏈因素來看，現(xiàn)今的全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈風(fēng)云莫測，尤其新冠疫情在全球爆發(fā)后，漲價、缺貨的現(xiàn)象層出不窮。
今年2月，英特爾CEO Pat Gelsinger也證實，英特爾代號為Granite Rapids的服務(wù)器芯片將從2023年推遲至2024年發(fā)布。Granite Rapids是一款采用Intel 3制程工藝的產(chǎn)品，英特爾改變了產(chǎn)品路線圖，這可以讓Granite Rapids芯片性能更好。而此前，英特爾也推遲了服務(wù)器芯片Sapphire Rapids的上市時間，推遲后的生產(chǎn)時間表比預(yù)期晚了三個月。
今年1月份，有消息指出，AMD旗下的EPYC服務(wù)器處理器出現(xiàn)了接近10%-30%的價格漲幅，并且還出現(xiàn)了缺貨的跡象，因此有多家服務(wù)器制造商正在尋求進一步的采購，通過加價購買產(chǎn)品。
而無論是推遲新品發(fā)布，還是漲價，對于其下游的云計算廠商來說，都會產(chǎn)生影響。芯片作為整個科技產(chǎn)業(yè)的“底座”，夯實底座才能贏得未來。與其全靠他人，不如努力“自渡”，云計算廠商自研服務(wù)器芯片可以減輕對第三方供應(yīng)的依賴，獲得更大的生產(chǎn)自主度。
滿足需求，是云計算廠商的主要目的
云廠商可以對云上客戶的需求有深刻的理解，從需求入手，逆向工作設(shè)計芯片，既是云計算廠商的工作重點，也是他們在服務(wù)器自研芯片發(fā)明方面的最大優(yōu)勢。
從2013年起，AWS就開始自研芯片的創(chuàng)新，到現(xiàn)在已經(jīng)有9年的歷史了。目前已擁有完整的自研芯片產(chǎn)品家族。AWS做芯片的核心目的并不是與傳統(tǒng)芯片廠商競爭，而是基于企業(yè)客戶對性能、成本的核心需求，向客戶提供與現(xiàn)有的云服務(wù)一起打包的軟硬一體方案。
服務(wù)器芯片并不能單單追求性能，如何滿足客戶需求才是云計算廠商更應(yīng)該考慮的事情。
降低成本與價格，也是提高競爭力的手段之一
據(jù)Gartner數(shù)據(jù)，2021年全球云計算IaaS市場份額中，AWS占據(jù)38.92%的市場份額，微軟占據(jù)21.07%的市場份額，排名之后的就是阿里云、谷歌云、華為云和騰訊云，市占率均不到10%。
現(xiàn)在來看，頭部全球云服務(wù)廠商的市占率基本定型，各家廠商的價格也會成為拉新留存客戶的重要手段。而云服務(wù)廠商要考慮的就是如何降低成本，自研芯片是降低成本最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。自研芯片能提供供應(yīng)鏈的優(yōu)勢，降低采購芯片的成本，云廠商生產(chǎn)產(chǎn)品的性價比也更高。
云計算廠商開啟自研
AWS開創(chuàng)了云廠商自研芯片的先河。從2013年推出首顆Nitro1芯片至今，已經(jīng)有八年自研芯片歷史的AWS已擁有網(wǎng)絡(luò)芯片、服務(wù)器芯片、人工智能機器學(xué)習(xí)自研芯片三條產(chǎn)品線。其中，Graviton系列是AWS自研的基于Arm架構(gòu)的服務(wù)器芯片。
去年12月，AWS推出了Graviton3，采用5nm工藝，64核，集成了550億晶體管，主頻2.6Ghz，支持bfloat16（為深度學(xué)習(xí)而優(yōu)化的新數(shù)字格式），PCIe5.0。與Graviton2相比，Graviton3處理器支持為科學(xué)計算、機器學(xué)習(xí)和媒體編碼工作負(fù)載提供高達2倍的浮點運算性能，為加密工作負(fù)載速度提升高達2倍，為機器學(xué)習(xí)工作負(fù)載提供高達3倍的性能。
Graviton3處理器的能效也更高，在相同性能下，與同類型基于x86的實例對比，可節(jié)省高達60%的能源消耗。
除了AWS之外，谷歌也推出歷時4年打造的Tensor芯片，采用三星5nm工藝打造，為8核心，包括2個Cortex-X1超大核（主頻2.8GHz），2個A76大核（主頻2.25GHz）和4個A55小核（主頻1.80GHz），集成20核Mali-G78 MP20 GPU。
Arm架構(gòu)風(fēng)生水起
長期以來，x86架構(gòu)在PC及服務(wù)器領(lǐng)域占據(jù)統(tǒng)治地位，而Arm架構(gòu)在移動終端和嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍。x86的方向是高性能方向，因為它追求一條指令完成很多功能，而Arm的方向是面向低功耗，要求指令盡可能精簡。x86和Arm的各自主要方向決定了他們的市場。x86的市場主要是PC和服務(wù)器，因為需要高性能。Arm的市場主要是手機和平板，因為需要低功耗。
但是近年來，在智能手機、平板電腦等智能終端以外，Arm不斷延伸至物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域，地位不斷提升，向傳統(tǒng)x86領(lǐng)地發(fā)起進攻。
數(shù)據(jù)中心服務(wù)器對定制化、微型化、高擴展性的要求更高，Arm也更符合這些趨勢和要求。與x86架構(gòu)相比，Arm的優(yōu)勢在于可降低硬件成本、提高效率。Arm架構(gòu)僅保留所需要的指令，可以讓整個處理器更為簡化，擁有小體積、高效能的特性，且能夠勝任簡單但多線程的負(fù)載。除此之外，Arm架構(gòu)處理器的核心負(fù)擔(dān)相較x86處理器低上許多，并且因為早前應(yīng)用處理器的需求就是以低功耗為重點，即便如今效能不斷提升，仍是以保有省電的特性為前提發(fā)展。
據(jù)集邦咨詢預(yù)測，2025年Arm架構(gòu)在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的滲透率將達到22%，這也意味著Arm架構(gòu)可能會逐步改變數(shù)據(jù)中心服務(wù)器市場格局。
對于云服務(wù)商來說，自研Arm架構(gòu)芯片也是很有必要的。x86架構(gòu)的CPU受限于英特爾和AMD，云計算廠商無法做進一步特性優(yōu)化。在當(dāng)前頭部幾家云計算廠商已發(fā)展成熟并進入競爭階段的情況下，每一家都需要做出更多差異化，以及綜合競爭優(yōu)勢，從這個層面來說，自主研發(fā)可控的Arm芯片也就具備一定的戰(zhàn)略意義。
公開數(shù)據(jù)統(tǒng)計，AWS在2021年Arm架構(gòu)處理器的部署已達其整體服務(wù)器建置的15%，并將于2022年超過20%。
除了AWS外，2020年，業(yè)界也曾經(jīng)傳出微軟正計劃開發(fā)Arm架構(gòu)服務(wù)器芯片的消息。確實，微軟一直布局開發(fā)自己的服務(wù)器芯片，據(jù)報道，微軟希望擴大自己的服務(wù)器芯片業(yè)務(wù)，已經(jīng)從蘋果公司聘請了著名的芯片架構(gòu)師Mike Filippo來加強自己的芯片研發(fā)能力，這些芯片為Azure云計算服務(wù)提供支持。
國內(nèi)廠商中，阿里巴巴和華為也正在布局Arm服務(wù)器芯片。
2019年，華為旗下的海思半導(dǎo)體推出了基于Arm架構(gòu)的服務(wù)器芯片鯤鵬920。鯤鵬920是目前業(yè)界最高性能Arm-based處理器。該處理器采用7nm制造工藝，典型主頻下，SPECint Benchmark評分超過930，超出業(yè)界標(biāo)桿25%。同時，能效比優(yōu)于業(yè)界標(biāo)桿30%。鯤鵬920以更低功耗為數(shù)據(jù)中心提供更強性能。
但受制于制裁，下一代的鯤鵬930無法如期發(fā)布。2021年4月，華為輪值董事長徐直軍預(yù)計，短期內(nèi)無法解決鯤鵬芯片代工的問題，但鯤鵬本身是一個Arm的生態(tài)，華為仍會堅定不移地去推進。
2021年10月，阿里巴巴旗下半導(dǎo)體公司平頭哥發(fā)布自研云芯片倚天710。
倚天710采用最新的Armv9架構(gòu)，基于最先進的5nm工藝，單芯片集成600億晶體管，CPU核心數(shù)高達128個，最高主頻為3.2GHZ，能同時兼顧性能和功耗。倚天710不僅是全球首款采用5nm工藝的服務(wù)器芯片，也集成了最新的內(nèi)存DDR5和PCIE5.0，能有效提升芯片的傳輸速率，并且可適配云的不同應(yīng)用場景。
標(biāo)準(zhǔn)測試集SPECint2017的數(shù)據(jù)顯示，倚天710的分?jǐn)?shù)達到440，超出業(yè)界標(biāo)桿20%，能效比提升50%以上。
由于x86架構(gòu)已經(jīng)形成了完善的產(chǎn)業(yè)和生態(tài)環(huán)境，是整個產(chǎn)業(yè)中最龐大、最完善、應(yīng)用最廣泛的處理器架構(gòu)之一，生態(tài)壁壘極高。因此，Arm架構(gòu)若想在服務(wù)器市場中，與x86架構(gòu)分庭抗禮，還有一定的難度。
但是，眾多巨頭加入Arm陣營，預(yù)示著Arm的生態(tài)將會越來越完善，Arm架構(gòu)在服務(wù)器市場份額也會不斷增長。
對于整個行業(yè)來說，云廠商“卷”到服務(wù)器芯片市場，也會影響原有的市場格局。云廠商的自研芯片根據(jù)自己的技術(shù)路徑按部就班的發(fā)展，加之云廠商的服務(wù)器芯片在未來也將不斷的應(yīng)用在自己的服務(wù)器中，英特爾和AMD的新一代服務(wù)器CPU將與云服務(wù)提供商的CPU更新速度不一致。
但是對于云廠商來說，自研服務(wù)器芯片是他們能充分掌握自主權(quán)邁出的一大步。
