数据中心CPU芯片，ARM可堪重负？

数据中心是算力的聚集地，绝大多数算力都聚焦在超算中心、数据中心并以服务器释放到千行百业。在行业数字化及国产化进程中，x86、ARM及RISC-V等各种架构派系处理器、服务器、加速器都以独特技术优势在数据中心散发着“光”和“热”。  

本文从数据中心芯片占比、应用生态兼容、性能、技术演进等维度着手，分析国内基于ARM芯片厂商的行业兼容性及应用生态现状。

一、超算中心现状及芯片占比

纵观超算中心，从第60届TOP500榜单数据显示，Intel仍然是超算系统中最大的处理器厂商，占有率达到75.80%，Xeon芯片超算系统中应用普遍，最新入榜的Leornardo采用的就是Xeon Platinum处理器。  

AMD处理器是受欢迎的HPC系统芯片，其占有率20.20%，且占有率持续增长（从18.60%上升至20.20%）。TOP500系统中有101个系统采用AMD处理器，例如排名第一的Frontier和排名第三的LUMI。  

从TOP500榜单数据来看，基于Intel和AMD的x86架构CPU占据超算中心96%系统份额。  

不难理解，超算中心重点考量指标就是算力（Benchmark）和系统性能（业务Workload），这正是以x86为代表的复杂指令集的强项。  

从算力角度讲，CPU乃至服务器架构设计决定算力，尤其是浮点及双精度运算能力，即64位浮点数字的计算（FP64）；排名第一的Frontier超算系统就基于HPE Cray EX架构，第三代AMD EPYC处理器保证极高性能。  

但系统性能方面，在如天气预报等精度要求极高仿真行业，不仅需要超高算力，还需兼容CPU架构的商业软件保证系统性能，行业及CPU架构高度优化过的商业软件才能保证系统性能、业务效率及准确度。

从《开放架构HPC技术与生态白皮书》可得知，超算及数据中心应用生态的行业，例如油气、制造CAE等行业以商业软件为主，涉及核心算法、实践经验积累，对结果精准的要求并非开源软件可替代，x86架构对商业软件支持的完备度最高。

二、ARM数据中心份额及生态

在超算中心，ARM处理器表现平平；虽然日本Fugaku系统 TOP500榜单排名第二，但该系统并非通常意义上的ARM架构，而是由富士通基于超算优化版的A64FX处理器。市场份额上，ARM属于Others阵营，与RISC-V等架构同属4%行列。  

在数据中心，x86市场份额依然坚挺，据IDC数据，Intel和AMD x86合计市占率91%；ARM在依然属于Others阵营；但在非X86领域，ARM以低能耗、高效率、发展时间长的优势占据移动终端市场的主导地位，使用最广泛、发展最成熟，市占率达到43.2%，远高于RISC-V 9%。在移动终端方面，ARM占据绝对优势。

回归到RAM生态，ARM在HPC行业应用系统兼容生态完备度较强，如教育、气象、生命等重要的科学计算领域中都有开源软件ARM 指令集版本，少量或无需开发即可完成软件移植。  

然而，在传统行业，如智慧城市、数据库、中间件等应用受限细分行业及场景差异性，兼容复杂性等诸多因素，兼容覆盖度略显不足，一般按需定制开发。

三、ARM芯片架构及玩家分析

ARM作为精简指令集，其优势在功耗比，结合其在移动终端领域市场优异表现，决定主要应用在移动和嵌入式市场。  

从功耗来讲，对于单CPU的手机采用arm来降低功耗效果是非常明显的；但在数据中心、超算中心，服务器结构复杂，如磁盘、加速卡等数量远高于CPU，这导致服务器的主要功耗不在CPU，因此，衡量数据中心能耗的方式也与移动终端不同。  

数据中心有专有冷却装置保证数据中心的整体能耗：PUE，如超算中心Green10排名第3的Adastra系统（319,072核，HPE Cray EX235a），相比Setonix- GPU系统（181,248核，HPE Cray EX235a），CPU核数更多，Green10排名反而更靠前。

在性能上，ARM芯片依靠多核心堆砌，单核性能相对薄弱（单CPU堆至64核），尤其在双精度浮点运算总体比不上x86架构芯片性能。由于新型XPU加速卡算法、算子库都基于x86开发，难以通过加速卡在ARM架构上进行性能加速。  

制于ARM芯片性能、生态原因，桌面PC发展也受到一些限制。国产ARM芯片在PC电脑的应用更为惨淡，目前主要为飞腾PKS体系内。  

在人工智能背景下，ARM除了性能、生态的本身问题外，V9架构迭代的延续性问题导致在数据中心领域发展空间受限。  

目前国产Arm架构CPU服务器玩家大体分为华为的鲲鹏系和中电子的飞腾系。飞腾、华为等公司已掌握 Arm64 处理器核、微架构及芯片设计相关技术。  

华为发布了一系列基于 Arm 架构的服务器产品，如2019发布的鲲鹏920，作为7nm数据中心ARM处理器，专为大数据处理以及分布式存储等应用而设计。而飞腾则建立了PKS体系，主要也用于服务器产品，分为高性能服务器芯片、高效能桌面芯片和高端嵌入式芯片，现在移动终端市场占据统治地位。

四、ARM、RISC-V困境及国产发展之道

当前国内六家主流CPU厂商鲲鹏、飞腾、兆芯、龙芯、海光、申威纷纷发力，从国外引进各种不同技术架构如ARM、X86、MIPS等；八仙过海各显神通。  

国产CPU产业产生了三种不同的路线，海光和兆芯基于x86指令集在商业应用领域更具优势，龙芯和申威依靠自主研发的优势在特种应用场景上受到青睐，鲲鹏、飞腾基于ARM架构，在具有优势的特定赛道寻找超车的机会。  

相比占据垄断地位的x86指令集，ARM指令集本身作为弯道超车思维的产物。ARM指令集的优点在于功耗小，能效比优秀，打开了移动端设备和消费类电子的市场，这也跟ARM在移动终端的市场优异表现一致。  

鲲鹏系主要是以华为自家TaiShan系列服务器为核心，向服务器合作厂商（如神州数码、宝德等）出售鲲鹏主板。近两年在鲲鹏和飞腾的大力推动下，国内ARM生态发展迅速，但目前国内市占仅有7%。  

飞腾则基于PKS体系，在信创领域有较好的市场表现。飞腾CPU(Phytium)和麒麟操作系统(Kylin) 和S-Security”的立体防护安全链，在安全性上有更明显的优势，从而在对信息安全要求更高的领域，获得了一席之地。

相比RISC-V，ARM经过二三十年时间的积累，已经形成了比较完善的生态，尤其是在基础软件方面，包括操作系统、基础库、编程语言与编译器、开发环境和运行环境等等，对CPU架构有个支撑。  

无论鲲鹏依托华为生态还是飞腾PKS体系强调的安全性，本质上还都是ARM处理器在特定领域发展自身生态，以切入一个特定市场。

五、总结

从生态长远来看，一方面，ARM服务器跟数据中心主流x86生态相互不兼容，如果用户需要从x86平台切换到ARM平台，迁移工作量大；并且因为各行各业部署环境不相同，软件问题很难从服务器厂商获得帮助。另一方面，开源为产业入局开启一扇窗，但同时，对企业创新及差异化优势又筑起了一道墙，ARM版本的开源软件在商用之前往往需进行功能完善、性能调优，工作量及难度大。  

在应用场景上，鲲鹏系和飞腾系都是基于既有生态和行业在服务器领域优势，逐渐向数据中心、存量x86市场迈进，但ARM在应用性能、生态、技术演进等方面的不足需要时间逐步完善。  

在技术上，鲲鹏和飞腾均获得ARM v8指令集授权研发设计CPU产品，但ARM指令集演进问题一直被诟病。对于国内信创产业，ARM架构在延续性和自主性的问题亟待解决。

审核编辑：刘清