x86壟斷的服務(wù)器市場格局，是如何被打破的？

人工智能大模型時代，得算力者，得天下。

但在算力的源點(diǎn)——數(shù)據(jù)中心，并不是算力最強(qiáng)者才會贏到最后。

除了狂暴的計(jì)算能力之外，數(shù)據(jù)中心的供電、散熱、運(yùn)維等等成本開支，加在一起反而會成為數(shù)據(jù)中心開銷的大頭。說白了，數(shù)據(jù)中心更看重的，是「性能功耗比」。也就是說：消耗一度電，能提供多少算力。

過去十幾年，基于x86架構(gòu)的處理器在數(shù)據(jù)中心是絕對王者。今年2月，市場研究機(jī)構(gòu)Counterpoint發(fā)布了全球云服務(wù)器的相關(guān)調(diào)研，91%的市場份額仍由x86占據(jù)。

然而在近幾年，服務(wù)器市場的格局已經(jīng)發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變，越來越多新的處理器架構(gòu)開始涌入數(shù)據(jù)中心市場，并在不斷挑戰(zhàn)傳統(tǒng)架構(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)地位。

特別是說到低功耗，人們自然會想到在移動互聯(lián)網(wǎng)時代風(fēng)生水起的ARM架構(gòu)。ARM的RISC架構(gòu)有著天生的低功耗能力，智能手機(jī)和移動設(shè)備取得突破性成功后，自然也瞄準(zhǔn)了數(shù)據(jù)中心市場這個更大的蛋糕。全球知名技術(shù)市場分析與咨詢國際公司Canalys CEO史蒂夫·布雷熱（Steve Brazier）甚至大膽預(yù)測：

“2026年之前，云服務(wù)器架構(gòu)芯片的半壁江山將歸于ARM。”

隨著云服務(wù)工作負(fù)載的快速增長，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施亟需突破「性能功耗比」的瓶頸，這也帶來了寶貴的機(jī)會。例如，2017年才創(chuàng)辦的芯片設(shè)計(jì)初創(chuàng)企業(yè)Ampere Computing（安晟培半導(dǎo)體，下文簡稱Ampere），就利用自研的云原生處理器架構(gòu)在激烈的競爭中異軍突起。五月底，Ampere推出了最多集成192個內(nèi)核的AmpereOne系列處理器，內(nèi)核數(shù)量打破行業(yè)記錄。

我詳細(xì)梳理了這家初創(chuàng)公司的技術(shù)進(jìn)階之路，就是為了回答一個問題：這家成立僅5年多的芯片公司，到底做對了什么？

我的答案很簡單：把握正確的時機(jī)，用正確的技術(shù)，做正確的產(chǎn)品。

x86架構(gòu)，數(shù)據(jù)中心不可撼動的王？

為了更好的理解Ampere異軍突起的原因，首先應(yīng)該來看為何x86架構(gòu)統(tǒng)治了數(shù)據(jù)中心這么久。

在芯片行業(yè)，一旦推出成功的服務(wù)器芯片架構(gòu)，加之構(gòu)建完善的生態(tài)，等同于拿到一張長期飯票，這里說的就是x86架構(gòu)。

其中，最大的受益者非英特爾莫屬。在x86架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心的市場里，英特爾市場份額曾一度占90%以上。

早在1978年，英特爾就用x86架構(gòu)打響名堂，通過高效指令執(zhí)行、快速訪存、單核多線程能力等優(yōu)勢，狙擊RISC架構(gòu)處理器市場。隨之，從芯片、操作系統(tǒng)、開發(fā)工具、數(shù)據(jù)庫到各類服務(wù)器端的應(yīng)用軟件，x86架構(gòu)一一建立起完善的體系和生態(tài)。舉個例子，根據(jù)Linux基金會的數(shù)據(jù)，英特爾是Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼的最大貢獻(xiàn)者，超過了紅帽、IBM等軟件和系統(tǒng)公司。這是因?yàn)長inux作為數(shù)據(jù)中心的重要基石，承擔(dān)了軟硬件結(jié)合的關(guān)鍵功能。因此，英特爾對Linux內(nèi)核的貢獻(xiàn)，其實(shí)是幫助x86架構(gòu)更好的配合Linux，反過來也會讓更多開發(fā)者選擇x86作為底層架構(gòu)做開發(fā)。

因此，就算傳統(tǒng)x86架構(gòu)并非為云端業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)，但是依靠其客戶端在超過十幾、二十年間占據(jù)市場的積累，高度的用戶粘性也讓x86搶先預(yù)定了大量熟悉的數(shù)據(jù)中心端客戶。

根據(jù)Counterpoint在今年2月底發(fā)布的全球云服務(wù)器數(shù)據(jù)，x86占據(jù)著91%的市場份額，其中AMD的市占率提升至20%，英特爾跌至71%。從數(shù)據(jù)來看，相比其他處理器架構(gòu)，x86似乎仍然有著近乎統(tǒng)治級的優(yōu)勢。

但事情已經(jīng)悄悄起了變化。

機(jī)遇來臨：算力不再是唯一標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)算力需求不大時，基于x86的CPU已經(jīng)能夠很好的滿足應(yīng)用的需求。外加成熟的生態(tài)和基礎(chǔ)設(shè)施，x86的帝國似乎無可撼動。

從技術(shù)角度來看，CPU屬于通用芯片，它最大的優(yōu)點(diǎn)就是能做很多很多事情，但缺點(diǎn)就是雖然什么都能干、但什么都做不到最好。比如在人工智能領(lǐng)域，CPU的處理性能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于GPU。此外很多人意識到，既然人工智能這么重要，為什么不直接為它單獨(dú)設(shè)計(jì)制造一種芯片、來專門為它服務(wù)呢？結(jié)果發(fā)現(xiàn)這么想的人還不止一個，于是幾乎在同一時間，世界上出現(xiàn)了很多AI芯片公司，就連谷歌和百度這些互聯(lián)網(wǎng)公司，也紛紛下場做AI芯片了。

這些看似自然而然的進(jìn)化，背后其實(shí)有著很強(qiáng)的客觀規(guī)律。1987年，在日立半導(dǎo)體和索尼擔(dān)任高級職位的牧本次生提出，芯片的類型有規(guī)律地在“定制化”和“通用化”之間不斷交替，變化一次的周期大約為10年，這個發(fā)現(xiàn)也被稱作牧本周期。由于這個變化的過程特別像一個鐘擺，因此牧本周期也被業(yè)界稱作半導(dǎo)體行業(yè)之?dāng)[。

這個和中國古人說過的「分久必合，合久必分」其實(shí)有著異曲同工之妙。當(dāng)通用CPU架構(gòu)發(fā)展到一定階段，它必然為了通用性而承載了太多「冗余」的功能，而這些不必要的部分，會極大影響它的性能上限和功耗下限。

相比之下，如果針對某個應(yīng)用領(lǐng)域做定制優(yōu)化，就能拋掉那些不必要的負(fù)擔(dān)，輕裝上陣，出奇制勝。

人工智能芯片如此，云原生處理器也如此。

當(dāng)前，數(shù)據(jù)中心發(fā)展演變出新的需求，算力固然是重要標(biāo)準(zhǔn)，但能源需求、土地制約、ESG法規(guī)要求、擴(kuò)展性要求等也成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心都需要考慮的重要因素。近幾年，綠色數(shù)據(jù)中心成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。而背了太多通用性包袱的x86架構(gòu)，就逐漸無法滿足云數(shù)據(jù)中心的發(fā)展需求了。

Ampere究竟“高”在哪里？

事實(shí)上，ARM幾乎壟斷智能手機(jī)芯片架構(gòu)，卻在云服務(wù)器市場上難以復(fù)制奇跡，這主要在于X86成熟的產(chǎn)品和健全的生態(tài)。即便ARM早在2008年布局更廣闊的PC和筆記本電腦市場、數(shù)據(jù)中心，AMD、博通、高通、惠普等企業(yè)也做過基于ARM架構(gòu)服務(wù)器芯片的嘗試，但均未能走遠(yuǎn)。唯獨(dú)蘋果在ARM架構(gòu)上取得的突破，給眾多芯片的新貴帶來了豐富的想象空間，尤其在近幾年突飛猛進(jìn)的數(shù)據(jù)中心。

前英特爾總裁Renee James另開蹊徑，在2018年創(chuàng)立Ampere，推出業(yè)界第一個基于ARM指令集的云原生服務(wù)器微處理器架構(gòu)，走出了不一樣的“云原生”道路。

云原生處理器至少需要集成三個「正確的技術(shù)」：高能效比、性能穩(wěn)定、高可擴(kuò)展。我們一個一個來看。

首先，云計(jì)算應(yīng)用往往有著大量用戶和大量應(yīng)用，這對單核可預(yù)測性能、功耗，以及內(nèi)核密度都提出了更高的要求。因此，當(dāng)過去很多廠商使用雙路服務(wù)器和超線程內(nèi)核的處理器來提供足夠的算力時，Ampere可以在單路服務(wù)器和單線程內(nèi)核的處理器上通過堆核的方式，持續(xù)提升更高的算力、更多的IO、更高的內(nèi)存，同時降低了雙路平臺的復(fù)雜程度和能耗，實(shí)現(xiàn)更好的解決方案。

第二，云原生處理器需要保證穩(wěn)定一致、可線性擴(kuò)展的性能。比如，單線程內(nèi)核無干擾（相對x86的超線程），恒定的最大主頻不降頻（相對x86的睿頻跳頻機(jī)制），從而保證性能的穩(wěn)定、而不是動態(tài)跳變。此外，處理器性能的線性增長可以帶來更高的CPU利用率。通常來說，傳統(tǒng)架構(gòu)中CPU使用率的安全水位線是50%、甚至30%，根源就是跑更多核時性能并不能明顯提升，到達(dá)安全水位時無法利用CPU剩下的內(nèi)核。相比之下，針對云原生而優(yōu)化的處理器架構(gòu)可以進(jìn)行線性擴(kuò)展，使得CPU可以將安全水位提高到70%，甚至更高。

第三，云原生處理器需要具備橫向擴(kuò)展能力。特別是在當(dāng)前，云計(jì)算軟件走向以微服務(wù)為代表的橫向擴(kuò)展架構(gòu)，即從scale-up到scale-out。因此，CPU硬件架構(gòu)也需要做相應(yīng)的改變，從硬件層面更好的支撐橫向擴(kuò)展，這也是云原生處理器相比于通用處理器最大的區(qū)別。

為此，Ampere做出了三個技術(shù)選擇：

選擇1：提供更多線性擴(kuò)展的單線程內(nèi)核，而不是利用超線程等技術(shù)彌補(bǔ)物理核數(shù)少，平行吞吐性能低的問題。

選擇2：提供高性能的通用計(jì)算內(nèi)核，而不是利用額外的專用加速單元提升性能。

選擇3：利用最大化單機(jī)架性能來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心級別的可擴(kuò)展性，而不是依賴單核或者單CPU的scale-up。

（Ampere云原生自研內(nèi)核性能指標(biāo)，來源：Ampere官網(wǎng)）

采用云原生的自研核來設(shè)計(jì)CPU，可以適配不斷擴(kuò)展的云端工作負(fù)載，并可根據(jù)不同用戶的需求進(jìn)行擴(kuò)展、收縮以及遷移，能夠在不建設(shè)更多的數(shù)據(jù)中心和更多設(shè)備的情況下，最大限度地提供算力，并且也對安全性做出增強(qiáng)。

根據(jù)正確的技術(shù)路線，得到正確的產(chǎn)品就是水到渠成的事情：5月19日，Ampere官宣新一代AmpereOne系列處理器，由臺積電5nm 工藝制造，擁有192 個單線程內(nèi)核，創(chuàng)下業(yè)界最多內(nèi)核數(shù)量的紀(jì)錄，大大超過英特爾、 AMD 服務(wù)器的核心數(shù)。內(nèi)核數(shù)量的提升，意味著AmpereOne 能為云工作負(fù)載提供更高的性能、更高的可擴(kuò)展性以及更高的密度，為大型數(shù)據(jù)中心的規(guī)?；l(fā)展打下基礎(chǔ)。

此外，AmpereOne還集成了大型云優(yōu)化私有緩存，比上一代增加了8通道的 DDR5 內(nèi)存和128 通道的 PCIe Gen5接口，滿足AI、超算等高增長的云應(yīng)用需求，幫助實(shí)現(xiàn)單機(jī)架性能最大化。在AI大模型浪潮之下，AmpereOne還針對AI推理做了架構(gòu)優(yōu)化，較其他 CPU 有 2 倍以上的性能優(yōu)勢，以適應(yīng)生成式 AI 算力爆發(fā)的需求。

（Ampere處理器性能指標(biāo)總覽，來源：Ampere官網(wǎng)）

通過云原生處理器，AmpereOne進(jìn)行 AI 推理，不僅能打破效率瓶頸，實(shí)現(xiàn)性能最大化，也可以解決云服務(wù)提供商的行業(yè)痛點(diǎn)，大大壓縮AI 推理所產(chǎn)生的高能耗。

根據(jù)Ampere給出的數(shù)據(jù)，Ampere 云原生處理器可助力性能提升3倍，同時能耗降低2.8倍。其獨(dú)特的云內(nèi)核與架構(gòu)特性能夠提供無可比擬的云性能、可擴(kuò)展性以及效率。與x86服務(wù)器CPU相比，Ampere Altra系列可用50%的能耗，提供200%的性能。

（AmpereOne的AI性能提升，來源：Ampere官網(wǎng)）

隨著各地對數(shù)據(jù)中心的擴(kuò)張以及背后飆升的電力需求，Ampere充分發(fā)揮了ARM架構(gòu)的低功耗優(yōu)勢，可以解決數(shù)據(jù)中心可持續(xù)運(yùn)營的當(dāng)務(wù)之急。不僅如此，ARM的生態(tài)也在不斷提升，更好的適配越來越多的服務(wù)和應(yīng)用。Ampere首席產(chǎn)品官Jeff Wittich強(qiáng)調(diào)，除性能、功耗領(lǐng)先x86芯片外，Ampere的產(chǎn)品還可在云環(huán)境下運(yùn)行所有應(yīng)用，涵蓋Web服務(wù)、數(shù)據(jù)庫和視頻編碼，AI推理等場景。

對于眾多云服務(wù)器客戶來講，不容忽視的一點(diǎn)是Ampere的“高性價比”。根據(jù)國外測評專業(yè)網(wǎng)站Phoronix的報(bào)道，Ampere的另一個主力產(chǎn)品Altra Max只需5800美元，而AMD的EPYC 7763 需要7890美元，英特爾的Xeon Platinum 8380處理器則達(dá)到8099美元。

基于性能、能效、可擴(kuò)展性、高性價比的優(yōu)勢，Ampere幫助數(shù)據(jù)中心以更少的資源滿足更多的算力需求，借助「綠色數(shù)據(jù)中心」這個新的趨勢起飛，成立5年左右就迅速收獲市場認(rèn)可。

目前，全球已經(jīng)有七家超大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心使用Ampere產(chǎn)品，騰訊云、阿里云、京東云、微軟Azure、百度云等云計(jì)算廠商也推出了Ampere芯片的云端實(shí)例。

Ampere走強(qiáng)不設(shè)限

云服務(wù)器市場有多大，Ampere云端業(yè)務(wù)的潛力就有多強(qiáng)。

面臨巨大的算力需求、嚴(yán)格的環(huán)保要求、高昂的運(yùn)營成本壓力，數(shù)據(jù)中心越來越需要能夠幫助降本增效、提供更高能效和性能的服務(wù)器，這給Ampere帶來廣闊的空間。

“英特爾和AMD正在密切關(guān)注著Ampere，”數(shù)據(jù)中心市場情報(bào)先驅(qū)Liftr Insights的首席執(zhí)行官泰博·沙特（Tab Schadt）表示，“他們清楚，Ampere正在一步步占領(lǐng)他們在整個市場的份額。”

2021年，Ampere首次躋身世界前六的云供應(yīng)商，隨后在云市場上的勢頭一發(fā)不可收拾，在2022年11月甚至達(dá)到了同比443%的增長。

除了有節(jié)奏地上線刷爆業(yè)界內(nèi)核數(shù)量的云原生處理器，Ampere也馬不停蹄地壯大自己的生態(tài)，積極與GCC、LLVM等行業(yè)組織、操作系統(tǒng)內(nèi)核、編譯器、開源固件進(jìn)行合作，確保所有產(chǎn)品的適配性和優(yōu)質(zhì)體驗(yàn)。隨著市場和客戶需求不斷增加，Ampere也在堅(jiān)定做自研核，通過更好的性能、功耗以及可擴(kuò)展性，幫助Ampere的產(chǎn)品在業(yè)內(nèi)持續(xù)領(lǐng)先。

從數(shù)據(jù)中心市場情報(bào)先驅(qū)Liftr Insights的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在公共云領(lǐng)域，Ampere已經(jīng)從三年前的默默無聞發(fā)展到當(dāng)今將近2%的市占率。其中，微軟Azure貢獻(xiàn)最大，超過了69%，而阿里巴巴、谷歌、甲骨文、騰訊等客戶也在不斷擴(kuò)大各自的Ampere云端實(shí)例。

數(shù)據(jù)中心的可持續(xù)源于內(nèi)核。對于堅(jiān)定做云原生自研核的Ampere而言，它在云端業(yè)務(wù)“開路”的好戲才剛剛開始。

（注：本文不代表老石任職單位的觀點(diǎn)。）