探寻ARM架构带来的能效问题

就像普通人买手机、笔记本时除了关心性能，也同样关注续航一样；数据中心、边缘等企业用户也同样关注PUE、每瓦特性能等一系列指标。因为，“算力的能效表现”是个用户始终无法回避的问题。

高能效的计算不仅意味着用户能用更少的电费完成更多计算、更多业务，更可能成为基础架构能否合规落地、业务是否可以部署、体验能否令客户满意等“有无、是否”问题的核心指标。

更重要的是，在国家“双碳”战略背景下，提升算力能效表现也是ICT产业落实绿色发展观、践行可持续发展理念的关键。因此，在探讨计算之时，能效概念不可或缺。

计算背后的能效之争

风电、光电、电动车、制造业节能减排……众多行业的崛起与变革都表明，发展和能效之间已不再是“舍一保一”的选择题，而是必须找到方法平衡兼顾的必答题。而在日新月异的IT基础架构领域，对能效的追求更成为行业发展的主旋律之一；无论在数据中心还是边缘场景，趋势皆如此。

数据中心里，锂电UPS、直流供电、快速更新的中央空调热交换技术、设计更先进的机柜冷热通道，乃至冷板式液冷和浸没式液冷等新技术轮番上阵，目的就是降低PUE，获得更高能效。

边缘场景中，行业也在通过芯片设计、封装、板卡方案等多维度的技术革新降低设备能耗，以期改善设备与场景的兼容性，摆脱电池、散热、线缆、功率对边缘设备的多重限制。

场景变化万千，但技术变革所要解决的问题却始终未变：用更少能耗获得更多算力！既然需求如此明确，底层驱动力如此强劲；那么为何仍要在原有计算架构上缝缝补补，而不是另辟蹊径寻找更高效的计算架构呢？事实上，变革早已开始！

ARM的绿色源于架构

ARM处理器在能效上的优势众所周知，追根溯源，是架构层面的多重特性使然。

首先，作为精简指令集，ARM架构指令集简单、长度一致且固定，而这就使处理器的指令解码单元操作更简便，能够以更简单的结构、更小的晶体管规模来完成指令的解码和发射。同时，因为指令集简单，处理器的流水线设计、分支预测、乱序执行等单元也能变得更简单。多重因素加持，ARM架构核心的规模更小，能效自然也更高。

其次，ARM架构处理器通常更关注整数性能，而非浮点性能；因此，处理器内核也无需增加面向浮点计算的SSE、AVX等指令集处理单元。而更小的规模、更简化的结构也能进一步降低处理器功耗。

第三，ARM架构诞生之初便充分考虑了移动和嵌入式设备对能效的高要求，因此在处理器电压管理、核心调度、低功耗策略等方面，ARM架构也通常有更优秀的表现。

有以上三大基础特性为支撑，各类ARM处理器自然能在不同场景中实现更高能效。

构建绿色数据中心

数据中心是绝对的计算密集场景，在海量数据和应用高度汇聚，且整体规模越来越大的数据中心里，处理器能效的任何区别最终都会积累成巨大的电力、散热和成本差异。更何况ARM架构在能效方面的优势并非“一点点”。

有前述三重特性为支撑，以鲲鹏、Ampere为代表的ARM架构处理器产品便能在有限的晶体管数量和散热能力之下集成更多核心及缓存，支持的虚拟机和容器数量更多，数据中心的整体能效表现自然更好。

在绿色计算产业联盟日前公布的绿色计算最具价值解决方案遴选入围名单中，不少基于鲲鹏处理器的解决方案成功入围，而这从侧面证明了ARM架构处理器在绿色计算赛道上的先天优势。而在广阔的云计算市场，包括阿里云、华为云、腾讯云、百度智能云、AWS、GoogleCloud、Azure等在内的所有主流CSP也都推出了对应的ARM云主机产品和相关服务。

纵观中外数据中心对ARM架构处理器的大量用例，我们不难发现，ARM架构产品在业务层面具备4大切入点：

高密业务：鲲鹏、Ampere或其他CSP的自研处理器产品通常能在单个socket中集成更多核心，而这就意味着机架中每U所能承载的虚拟机或容器数量更多。而对于数据中心用户来说，这就代表更多的可售资源和更高的生产率。

安卓云原生：ARM架构与安卓应用是天生一对，因此在基于安卓的开发、测试和云游戏领域，用户都需要ARM架构硬件环境来获得原生安卓体验。

分布式存储：分布式存储是云计算的基石，但常见存储功能对控制器（CPU）的性能开销却不高，对频率也不敏感。因此，使用能效更高、整体功耗更低的ARM处理器能够在满足需求的前提下，有效降低系统成本和TCO。

开放的基础架构：相对于其他处理器的“黑盒”技术体系，ARM处理器生态更开放，可选的品牌和供应商也更多；而这也可以帮助用户避免在基础架构和应用生态层面被“卡脖子”。

一边是显而易见的业务需求，另一边则是更好的能效；ARM架构在数据中心市场的攻城略地也就顺理成章。

打造绿色边缘场景

相对于数据中心，边缘场景很小、单点突破所能获得的效果也有限。但实际的生产生活之中，数据中心之外的场景皆为边缘。而当N种终端乘以N种场景，绿色计算同样能带来庞然效果。

为推动边缘计算技术产品的应用创新、促进边缘计算高价值可复制创新解决方案的快速孵化、加速边缘计算技术产品以及边缘计算标准件在各应用领域的示范推广，边缘计算产业联盟（ECC）&工业互联网产业联盟（AII）连续5年举办“边缘计算优秀解决方案”遴选活动。2023年最新入围解决方案更是涵盖了工业制造、智慧城市、交通、电力、能源、市政、零售等不同行业。

更重要的是，在边缘设备的深度参与下，数据中心的数据处理、数据传输压力都能大幅降低，真正做到节能省时两不误。因此，同步推进边缘与中心的能效革新至关重要。

如果说数据中心市场是ARM架构的客场，那么边缘市场便是ARM架构的主场。

得益于优秀的能效和更低的总体功耗，ARM架构处理器通常能为终端设备带来更低的功耗和发热，而这对于满足散热、电池、三防等场景需求来说至关重要。因此，在售的手机、平板、电视、可穿戴设备、车机、路由、AP、智能监控等设备几乎清一色的使用了ARM架构处理器；而在更广阔的MCU市场，情况也类似。

此外，伴随媒体编解码、图形渲染、固定形式的数据处理、AI等应用在边缘侧的需求持续增长，易于和各类IP、DSP集成的ARMSOC方案数量也快速增加。而这也进一步巩固了ARM在边缘市场的统治力。

如果说海量终端、感知、控制、管理类设备是构建数字时代的基石，那么这块基石的核心就是ARM。甚至在基础架构“边缘包围中心”的总体趋势之下，为了实现更广泛的同构，在边缘侧拥有强势地位的ARM架构还有机会进一步推高其在数据中心市场的占有率。

绿色计算是用出来的

算力是通向数字时代的高速公路，而绿色计算则是对“百公里油耗”的极致追求，是数字时代的“多快好省”。

截止2023年初，我国已相继发布“1+N”的“双碳”政策体系文件中的《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》、《2030年前碳达峰行动方案》和各行业绿色低碳相关文件五十余个；可以说，以绿色低碳为基调的高质量、可持续发展观已融入算力产业和千行百业。

正如ARM架构在数据中心及边缘市场的多线并进和百花齐放，ARM所代表的绿色、高效、开放等理念正在获得越来越多用户的认可，其也将在数字化进程中扮演越来越重要的角色。

但从ARM生态的发展历程中我们也能发现，绿色计算的实现既与架构有关，更与产业链上下游的通力协作和经验积累有关。通过不断地创新和实践，好的设计、好的方案才能被市场和用户发现，“绿色高效”和“好用易用”才能实现双向奔赴。

那么，在即将过去的2023年，计算产业到底有哪些值得关注的新技术、新方案？中心和边缘如何在绿色主题下协同发展？百花齐放的ARM生态还将迎来哪些变化？在信息过载、技术爆炸的当下，这些问题显然很难全面回答。

别担心，即将在2023年12月13-14日举办的2023计算产业生态大会（CIEC2023）正是窥探这些答案的绝佳窗口。大会由绿色计算产业联盟和边缘计算产业联盟联合主办，汇集了5大院士和千余名政策、产业、应用侧专家，是一场由商业、技术、观点相互交织而成的产业盛宴。

审核编辑：黄飞