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人工智能大模型時代，得算力者，得天下。
但在算力的源點——數(shù)據(jù)中心，并不是算力最強者才會贏到最后。
除了狂暴的計算能力之外，數(shù)據(jù)中心的供電、散熱、運維等等成本開支，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，市場研究機構(gòu)Counterpoint發(fā)布了全球云服務器的相關調(diào)研，91%的市場份額仍由x86占據(jù)。
然而在近幾年，服務器市場的格局已經(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)的領導地位。
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，智能手機和移動設備取得突破性成功后，自然也瞄準了數(shù)據(jù)中心市場這個更大的蛋糕。全球知名技術市場分析與咨詢國際公司Canalys CEO史蒂夫·布雷熱（Steve Brazier）甚至大膽預測：
“2026年之前，云服務器架構(gòu)芯片的半壁江山將歸于ARM。”
隨著云服務工作負載的快速增長，數(shù)據(jù)中心基礎設施亟需突破「性能功耗比」的瓶頸，這也帶來了寶貴的機會。例如，2017年才創(chuàng)辦的芯片設計初創(chuàng)企業(yè)Ampere Computing（安晟培半導體，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。
我詳細梳理了這家初創(chuàng)公司的技術進階之路，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，用正確的技術，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)庫到各類服務器端的應用軟件，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)核代碼的最大貢獻者，超過了紅帽、IBM等軟件和系統(tǒng)公司。這是因為Linux作為數(shù)據(jù)中心的重要基石，承擔了軟硬件結(jié)合的關鍵功能。因此，英特爾對Linux內(nèi)核的貢獻，其實是幫助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)務設計，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。
機遇來臨：算力不再是唯一標準
當算力需求不大時，基于x86的CPU已經(jīng)能夠很好的滿足應用的需求。外加成熟的生態(tài)和基礎設施，x86的帝國似乎無可撼動。
從技術角度來看，CPU屬于通用芯片，它最大的優(yōu)點就是能做很多很多事情，但缺點就是雖然什么都能干、但什么都做不到最好。比如在人工智能領域，CPU的處理性能就遠遠落后于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設計制造一種芯片、來專門為它服務呢？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化，背后其實有著很強的客觀規(guī)律。1987年，在日立半導體和索尼擔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)界稱作半導體行業(yè)之擺。
這個和中國古人說過的「分久必合，合久必分」其實有著異曲同工之妙。當通用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，如果針對某個應用領域做定制優(yōu)化，就能拋掉那些不必要的負擔，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，算力固然是重要標準，但能源需求、土地制約、ESG法規(guī)要求、擴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)中心成為人們關注的重點。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？
事實上，ARM幾乎壟斷智能手機芯片架構(gòu)，卻在云服務器市場上難以復制奇跡，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)服務器芯片的嘗試，但均未能走遠。唯獨蘋果在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」：高能效比、性能穩(wěn)定、高可擴展。我們一個一個來看。
首先，云計算應用往往有著大量用戶和大量應用，這對單核可預測性能、功耗，以及內(nèi)核密度都提出了更高的要求。因此，當過去很多廠商使用雙路服務器和超線程內(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雜程度和能耗，實現(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)可以進行線性擴展，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展能力。特別是在當前，云計算軟件走向以微服務為代表的橫向擴展架構(gòu)，即從scale-up到scale-out。因此，CPU硬件架構(gòu)也需要做相應的改變，從硬件層面更好的支撐橫向擴展，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做出了三個技術選擇：
選擇1：提供更多線性擴展的單線程內(nèi)核，而不是利用超線程等技術彌補物理核數(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：利用最大化單機架性能來實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心級別的可擴展性，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，來源：Ampere官網(wǎng)）
采用云原生的自研核來設計CPU，可以適配不斷擴展的云端工作負載，并可根據(jù)不同用戶的需求進行擴展、收縮以及遷移，能夠在不建設更多的數(shù)據(jù)中心和更多設備的情況下，最大限度地提供算力，并且也對安全性做出增強。
根據(jù)正確的技術路線，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)量的紀錄，大大超過英特爾、 AMD 服務器的核心數(shù)。內(nèi)核數(shù)量的提升，意味著AmpereOne 能為云工作負載提供更高的性能、更高的可擴展性以及更高的密度，為大型數(shù)據(jù)中心的規(guī)模化發(fā)展打下基礎。
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用需求，幫助實現(xiàn)單機架性能最大化。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，以適應生成式 AI 算力爆發(fā)的需求。
（Ampere處理器性能指標總覽，來源：Ampere官網(wǎng)）
通過云原生處理器，AmpereOne進行 AI 推理，不僅能打破效率瓶頸，實現(xiàn)性能最大化，也可以解決云服務提供商的行業(yè)痛點，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、可擴展性以及效率。與x86服務器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)運營的當務之急。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和應用。Ampere首席產(chǎn)品官Jeff Wittich強調(diào)，除性能、功耗領先x86芯片外，Ampere的產(chǎn)品還可在云環(huán)境下運行所有應用，涵蓋Web服務、數(shù)據(jù)庫和視頻編碼，AI推理等場景。
對于眾多云服務器客戶來講，不容忽視的一點是Ampere的“高性價比”。根據(jù)國外測評專業(yè)網(wǎng)站Phoronix的報道，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處理器則達到8099美元。
基于性能、能效、可擴展性、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、百度云等云計算廠商也推出了Ampere芯片的云端實例。
Ampere走強不設限
云服務器市場有多大，Ampere云端業(yè)務的潛力就有多強。
面臨巨大的算力需求、嚴格的環(huán)保要求、高昂的運營成本壓力，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器，這給Ampere帶來廣闊的空間。
“英特爾和AMD正在密切關注著Ampere，”數(shù)據(jù)中心市場情報先驅(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、開源固件進行合作，確保所有產(chǎn)品的適配性和優(yōu)質(zhì)體驗。隨著市場和客戶需求不斷增加，Ampere也在堅定做自研核，通過更好的性能、功耗以及可擴展性，幫助Ampere的產(chǎn)品在業(yè)內(nèi)持續(xù)領先。
從數(shù)據(jù)中心市場情報先驅(qū)Liftr Insights的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在公共云領域，Ampere已經(jīng)從三年前的默默無聞發(fā)展到當今將近2%的市占率。其中，微軟Azure貢獻最大，超過了69%，而阿里巴巴、谷歌、甲骨文、騰訊等客戶也在不斷擴大各自的Ampere云端實例。
數(shù)據(jù)中心的可持續(xù)源于內(nèi)核。對于堅定做云原生自研核的Ampere而言，它在云端業(yè)務“開路”的好戲才剛剛開始。
審核編輯：劉清
工商網(wǎng)監(jiān)
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