霸主英特尔2020年能否守住HPC市场

在利润丰厚的服务器和HPC（高性能计算）处理器市场，英特尔的市场份额在很长一段时间都超过九成，但市场不总是一成不变。随着AMD Epyc处理器的推出，以及Arm架构处理器进入这一市场，2020年英特尔难以避免他们带来的竞争。

但是，市场份额并不会迅速变化，英特尔x86处理器在未来五年甚至更长时间仍将主导这一市场，面对强有力的竞争者，能否守住这一市场，新产品变得更加重要。

高性能计算（HPC）市场已经连续多年增长。目前至少有三种架构的CPU可用于HPC任务，包括X86、Arm和Power，有超过六家可靠的供应商，还有两种（即将成为三种）GPU架构。不过，目前该领域的绝大多数HPC系统还是由英特尔 CPU（有时是Nvidia GPU）提供算力。从今年开始，情况将开始改变。

近期内的变化可能会来自x86领域，AMDEpyc的势头将使英特尔面临自Opteron（皓龙，AMD 2003年推出的64位处理器）时代以来最激烈的竞争。特别是，几乎可以确定第二代Epyc芯片（又名“罗马”）将抢占英特尔在服务器领域（包括HPC）的市场份额。

罗马令人印象深刻的性价比无疑是促使美国、英国、德国和芬兰等超级计算机系统选择它的关键，大多数系统将于今年上线。现在的关键问题是，更新的至强处理器（14纳米“ Cooper Lake”至强可扩展处理器），尤其是未来的10纳米“ Ice Lake”至强可扩展处理器，能在多大程度减少市场份额的流失。

Arm也在缓慢地进入HPC市场，我们认为，缓慢的主要原因是，从技术角度看，与x86或任何其它通用处理器相比，该架构没有任何特殊的优势。Arm的优势在于其IP是可授权的，因此该架构可以满足不同市场定制处理器的需求，这和全球软件生态系统捆绑在一起。

需要说明，这种可延展性是长期的优势，而不是短期的优势。富士通花了至少五年的时间设计和开发了A64FX，这是第一个基于Arm架构的HPC专用处理器。它即将在RIKEN Lab的“ Fugaku” 400 petaflops超级计算机中首次亮相，将测试Arm架构在高端HPC中的可行性以及相应的生态系统。巧的是，它也将展示没有加速器或外部存储器系统的优缺点。

Cavium凯为半导体2017年已经被Marvell收购）的ThunderX2 SoC是一种更普通的芯片，其目标是在低级别的HPC领域，这款处理器于2018年推出，很快就获得了Marvell的订单，并成为了英国和其它地区为数不多的第一批基于Arm处理器构建HPC集群的基础。尽管ThunderX2不是超高性能，但由其较好的集成内存控制器分配，在受内存带宽限制的应用中表现出色。Marvell希望在ThunderX2成功的基础上再推出ThunderX3，该产品有望在今年年初发布。

Marvell预测，第三代产品将基于7纳米制程，将与AMD的“罗马” Epyc 7002和英特尔的Ice Lake至强可扩展处理器竞争，性能将比ThunderX2高出两倍以上，时钟频率也更快，能源效率更高。

今年，基于Arm的高性能计算将有另一个重要选择——基于A64FX的商用系统。例如，由于与富士通达成了合作协议，客户现在可以从Cray / HPE选择支持A64FX的CS500集群。对于日本或者欧洲市场，富士通还将提供基于A64FX的FX700和FX1000系统。

如果这些系统在各自的地区能够吸引足够的客户，其他OEM也可能与富士通达成类似的协议。

基于A64FX的商业系统的前景也可以预测。Isambard 2是布里斯托大学最初由ThunderX2驱动的Isambard集群的迭代版本，将采用A64FX Cray CS500。尽管还没有宣布任何消息，但是如果欧洲三台E级超级计算机（每秒可进行百亿亿次数学运算）中的一台（或更多台）也都采用A64FX芯片，这也不会令人感到惊讶。

我们认为，用户和供应商当前对基于Arm的群集的热情是基于以下事实，即变化似乎已达到拐点。Hyperion Research一直在跟踪HPC中Arm的销售情况，他们预计在未来五年中，该领域Arm处理器收入的复合年增长率为64.7％。

尽管在2019年仅有50,000颗Arm芯片被用于HPC，但Hyperion预计该数字到2020年将超过233,000，到2024年将超过610,000。其中许多系统将在美国以外，这一事实反映出所有最初的基于Arm的亿兆级系统都将在欧洲、中国和日本构建和部署。这些地区占高性能计算一半以上的市场。也就是说，尽管Arm在这一领域可以维持较高的增长率，但x86处理器在未来五年甚至更长时间内仍将主导这一市场。

Power架构方面，尽管有OpenPower计划，IBM仍然是游戏的唯一玩家。Power10处理器原定于今年推出，但现在看来它将在2021年问世，该公司并没有依靠HPC来增加出货。尽管Power10可以成为高性能计算领域令人印象深刻的芯片，但尚无大型系统由该芯片提供算力（能源部通过了IBM和Power10的CORAL-2合同）。

一个潜在的增长点是，欧洲开放计算机体系结构实验室（LOCA）计划选择OpenPower作为开发开源HPC处理器的三种架构之一。

在可预见的未来，Power架构似乎注定在高性能计算中扮演次要角色。

GPU和更广泛的加速器肯定会增长，特别是如果考虑到中国（中科曙光的DCU和Matrix-3000 DSP），欧洲（RISC-V和其他特定领域的加速器）追求定制设计（欧洲处理器计划）的产品，以及无数的AI加速器进入市场，例如英特尔最近推出的神经网络处理器：NNP-T和NNP-I。当然，还有Xilinx和英特尔的各种FPGA迭代产品，可用于在芯片中实现硬件半定制化的HPC应用。

但是，对于主流HPC使用者，GPU仍将是首选的加速器平台。英伟达主导了这个领域，但AMD及其Radeon Instinct准备抢占该市场的部分市场份额。顶级的MI60通过Infinity Fabric提供7.4 teraflops的64位性能，32 GB的HBM2内存以及与GPU之间的200 GB /秒的连接性能。在将来的迭代中，连接性能将扩展到AMD的Epyc CPU，以便GPU和CPU可以在同一结构上进行通信。这个功能将在Oak Ridge National Lab的“ Frontier”百亿级超级计算机中进行大规模测试，将通过Infinity Fabric在每个节点中连接四个Radeon Instinct GPU和一个Epyc CPU，Frontier计划于2021年启动。

同年，“ Aurora”E级超算有望在Argonne国家实验室上线。该系统将配备英特尔的Xe GPU，这是一个协处理器，旨在加速HPC和神经网络训练，就像Nvidia的V100和T4一样。因此，Aurora将是针对此处理器进行HPC和AI负载的第一个大型测试。由于现在没有Xe处理器（定于今年晚些时候发布），因此它们的性能以及可编程性未知。

在这方面，英伟达具有优势，因为该公司十多年来一直在围绕其CUDA硬件有条不紊地扩展其CUDA软件，并已拥有数量庞大的开发人员和用户。事实证明，该公司的GPU也有些难以捉摸，而且随着可能在今年晚些时候推出的新一代（“安培”）架构的出现，英伟达可能再次体现出优势。

但现在，至少是一场三雄争霸的比赛。随着新十年的开始，这将使加速器市场变得更加有趣。