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【IC设计】服务器芯片的三个战场,谁能笑傲江湖?

来源:全球半导体观察    原作者:青隐    

近期,有两大收购事件备受瞩目,一件是NVIDIA收购Arm,另一件是传闻AMD收购Xilinx。在这两起收购的背后,不仅仅折射出的是巨头们技术的整合与生态链的布局,也折射出两家企业对服务器芯片的重视。

随着物联网、人工智能等产业的发展,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,X86架构与Arm架构的较量,AMD、NVIDIA和Intel之间的较量,美欧日中之间的较量都在持续上演。

IP之战

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架构,另一个是RISC架构。

前者的主要代表是Intel和AMD两大厂商使用的X86 架构,后者的代表架构有Arm、MIPS、Power PC,其中Arm近年来发展的风生水起,旗下汇集了华为、高通、Marvell等一众生态链厂商。

最强王者—X86

长期以来,服务器市场一直被X86所把持,根据 DRAMeXchange 调查显示,服务器用CPU中,X86架构CPU占整体服务器市场约96%。尤其是老大Intel,截止去年年底,以一己之力占据了全球服务器CPU 95.5%的市场份额,其余的4.5%被AMD以及其他芯片厂商所分食。

由于X86指令集和PC软件以及服务器软件高度耦合,所以为了拿到大部分利润,Intel不愿意对其他进行授权,目前拿到X86指令集授权的除了AMD和VIA两位股东之外,就只剩下通过和AMD合作拿到授权的海光,以及与VIA合资成立的兆芯,但这两者并不具普及性质。

Arm的坎坷进击路

Arm阵营虽然门徒众多,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、华为、飞腾等都陆续开发了各自的Arm服务器CPU,依然无法撼动X86的市场。

后来又经历了AMD来了,然后AMD又走了,高通高调进入却又折戟沉沙,三星暗暗研发Arm服务器芯片落得个无疾而终的窘境。十年的发展,Arm服务器芯片依然无法对X86造成有力冲击,市占率没有突破10%。

不过,近两年Arm阵营开始慢慢热闹起来了。

2017年,英特尔前高管离职创办了从事Arm服务器芯片研发的Ampere公司;2018年,富士通公开介绍了业界首款支持基于Arm V8指令集扩展SVE的A64FX芯片,据称性能强悍到无需与GPU组合;2019年亚马逊推出的Graviton 2堪称惊艳;此外,Mavell收购Cavium后发布的Thunder X2同样惊艳四座;2019年华为先后发布两款高性能的7nm级芯片处理器鲲鹏920和昇腾910,标志自研芯片算力步入Arm架构体系前列水平。

一方面Arm阵营开始壮大,另一方面,随着AMD的再度崛起,英伟达的强势紧追,美系三大服务器芯片企业正进入一场异常激烈的三国杀。

巨头之战

Intel:武林盟主

毫无疑问,Intel是当之无愧的服务器芯片界武林盟主。

2018年底,英特尔对外宣布将由从以往“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Intel的主力,转型期间的Intel数据中心一度占据Intel总营收的一半以上,由于今年疫情带动在线办公的需求旺盛,Intel的数据中心营收在上半年同比增长了42%。

但是即使辉煌的Intel也有自己难言的落寞。过去一段时间,虽然Intel还是当之无愧的服务器霸主,但也受到了AMD与NVIDIA这样的强劲对手的挑战,又因为先进制程迟迟没有进展,而受到外界质疑,甚至将基带业务10亿美元卖给了苹果,这些困境让Intel难免有些失意。

AMD:高歌猛进

与Intel不同的是,AMD近两年来可谓春风得意马蹄疾。长期以来,作为桌面处理器的第二大厂商,AMD一直被Intel所压制,但是随着Zen2架构处理器的全面发布,以及台积先进制程的加持,AMD已经对Intel造成了不小的冲击,目前其在PC处理器的市场份额已经接近40%,是过去14年来的最好水平。

过去在服务器芯片领域,每100台卖出的服务器中,只有不到1台搭载了AMD的处理器,但是近两年,AMD从架构到工艺的强势,带动CPU性能的逆袭,在服务器市场中借助X86架构的整体优势,抢下更多的市场份额,市占率已经从不足1%飙升至8%。

在AMD突围的过程中,作为盟友的Xilinx也从中获益良多。近期,传出AMD要收购Xilinx的消息,从技术方面来看,这事并非不可能。

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。

NVIDIA:结盟Arm

与AMD一样,看重数据中心市场的还有NVIDIA。去年,它以70亿美元收购服务器端到端解决方案厂商Mellanox,今年400亿美元宣布收购Arm,无疑都是为了在未来的数据中心市场抢占先机。

NVIDIA的GPU在AI领域有着先发优势,全球大多用户都使用NVIDIA的GPU训练神经网络,依靠着这种优势,再借助Arm架构所拥有的低功耗、低成本优势,NVIDIA在努力挑战英特尔在服务器芯片市场的垄断地位。

从最新的财报来看,NVIDIA的数据中心营收业务已经相当于Intel的四分之一,短短5年时间,NVIDIA的数据中心业务从年收入3亿美元增长到近30亿美元,相比2014年增长14倍。虽然与Intel有实力上的差距,但这种差距在不断的缩小。

NVIDIA收购Arm虽然是为了强化自身地位,但是由于Arm的特殊性,使得这次收购遭到广泛反对,包括Intel、特斯拉、高通等都提出反对意见,甚至英国政府出面进行干预,毕竟没人喜欢让NVIDIA既做裁判还当选手。

区域之战

美国一直以来都是半导体强国,服务器芯片自然也是首屈一指,除了Intel、NVIDIA、AMD这三家上文已经谈过的巨头之外,依靠Arm构架正在崛起的新贵自然也不能忽视。

2018年,Marvell收购Cavium之后,推出了基于Arm架构设计的服务器芯片Thunder X2,采用16nm工艺打造,每个芯片拥有四个线程,这个全新的处理器无论是内存带宽、吞吐量,还是延迟与在面对网络和存储应用的可靠性,乃至整个SoC的性能,都领跑行业,是目前最强大的Arm超算,并且成功的被应用于美国能源部旗下桑迪亚国家实验室的超级计算机“STRA”。

2018年,亚马逊基于此前收购的一家以色列芯片公司的技术,开发了一款Arm架构的服务器芯片,推出这款处理器不仅让亚马逊成为第一个拥有自研处理器的云服务商,而且可以为亚马逊的云服务特别是虚拟服务器租赁降低45%的成本。

去年年底,亚马逊又在第一代的基础上,继续研发了第二代服务器芯片Graviton2,这款芯片的计算核心数量是第一代的4倍,缓存是第一代的两倍,内存则是第一代的5倍,性能是第一代的7倍,是Intel的 Xeon 服务器芯片的有力竞争者。

在全球服务器市场,中国则是最大的卖方,基本上全球前6大服务器厂商,有4席被中国所把持。从数据上来看,去年全年,中国的X86服务器出货量达到了318万台,市场规模为176.84亿美元。

目前国内的服务器芯片除了华为的鲲鹏之外,还有2014年成立的天津飞腾,其拿到的是Arm的指令集架构永久授权,在过去的五年时间里相继推出了FT-1500A/4、FT-1500A/16、FT-2000A/2、FT-2000+/64和FT-2000/4等多款产品。今年7月份,飞腾又推出了其新一代多路服务器芯片腾云S2500,该产品也是飞腾补齐高端芯片最后一块版图的重要布局。

为了自身的数据安全与摆脱对美国的依赖的需要,欧盟也希望拥有属于自己的服务器芯片,在指令集上很可能采用Arm构架,毕竟X86的授权并不容易拿到,即使拿到授权也要为此要缴纳一笔不菲的使用费,Arm还没有卖给NVIDIA之前,还算是自己人,所以用着也更放心。

目前法国的一家创业公司Silicon Pearl正在承担欧盟的服务器芯片开发工作,其拿到了670万美元的启动资金,并从Arm Holdings手中获得了“ Zeus” Neoverse N2内核和相关技术的许可,从而开始了其第一代Arm服务器处理器芯片“Rhea”的设计。

最后一家有志于服务器芯片开发的国家则是日本,为了在超算上有自己的一席之地,几年前,日本的富士通将超算处理器架构由原来的SPARC64全面转向了Arm。

在最新一期的超算排行榜中,富士通的基于Arm构架的超算“富岳”以每秒41.5万万亿次的运算速度,超过美国“顶峰”排名世界第一,同时在模拟计算方法、人工智能学习性能、大数据处理性能项目也拿到了第一名。这也是日本时隔8年之后,重登超算第一。

结语

移动时代PC需求量早已见顶,虽然有疫情这只黑天鹅带动PC需求上涨,但总体来看PC的需求未来并不会出现大逆转,随着智能手机市场的成熟,Arm在移动手机市场的增量也变得开始迟缓,所以开辟新的市场空间就变得尤为重要。

随着大数据、物联网、人工智能、5G通信等技术快速发展,对于云端的计算力提出了更高的要求,从而推动了全球服务器及服务器芯片市场的持续增长,这也是各个企业甚至各国不遗余力发展服务器芯片的根本原因所在。

未来的服务器市场将会竞争异常激烈,Arm能否挑战X86成功,中国能否借助Arm构架在服务器芯片领域与美国分庭抗礼,都还有待观察。

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封面图片来源:拍信网