Arm芯片引领国产服务器逆袭？

作为云计算、大数据时代的核心装备，云服务器已成为服务器领域技术竞争的主战场。全球云计算市场总体持续增长。2016 年以 IaaS、PaaS 和 SaaS 为 代表的典型云服务市场规模达到 654.8 亿美元，增速 25.4%，预计 2020 年将达到 1435.3 亿美元，年复合增长率达 21.7%。我国云计算市场总体保持高速增长趋势。2016 年我国云计算整体市场规模达 514.9 亿元，整体增速 35.9%，高于全球平均水平。其中，私有云市场规模 344.8 亿元人民币，年增长率 25.1%，预计 2017 年增速仍将达到 23.4%，市场规模将达到 425 亿元人民币左右。（信通院《云计算关键行业研究报告》）

中央处理器（CPU），尤其是服务器的CPU是现代以云计算和大数据为主要驱动的信息行业硬件中的核心部件。根据Gartner的数据显示，2017年全球X86服务器市场厂商销售额为525亿美元，出货量为1139万台。中国X86服务器市场销量额约123亿美金，占全球的23%。这其中，Intel CPU服务器占有95％以上的市场份额，可以说，一台服务器1/3的钱都是给了Intel。全球X86服务器市场一年1000多万台的出货量，对应芯片就是近2000万片（目前市场服务器75%以上是双路服务器），而且据说英特尔服务器芯片的毛利率可达70%。

因为垄断，服务器芯片不受摩尔定律的影响，产品的定价基本就是一言堂，除了少数规模大的用户能有些许折扣，绝大部分用户的议价空间非常有限。中国每年要购买500万片以上的服务器芯片，花费超过40亿美金，占全球1/4的市场份额，采购金额却是全球的1/3，在服务器芯片市场，中国用户深受卡脖子之痛，有一种被一家独大所笼罩的窒息感和恐惧感。尤其是在蓬勃发展的云计算、大数据产业过程中，一旦出现如中兴禁售事件，如此庞大的市场和紧密关联的产业耦合，受影响的就不是中兴一家公司了，而是整个以服务器平台为基础设施的信息化产业，从电子终端、外卖服务到共享单车的众多行业将处于停滞，甚至消失。最根本的问题就是一家垄断，无他选择！

其实这不是单单中国的问题，而是全球除美国之外所有国家的问题。只是本次中兴禁售事件让人们更加关注中国服务器CPU的发展问题，毕竟中国在云计算和互联网产业的发展现今是如此兴旺，也是中国经济结构升级的重要一部分。中国在服务器CPU的发展上一直处于追赶的阶段，政府和社会也在服务器CPU的发展上投入了巨大的资源，期待能实现国产化安全可控的CPU替代产品，来打破英特尔在通用服务器CPU的垄断地位。

如今国内正在研制的处理器所采用的指令集架构包罗万象，最活跃的有MIPS架构的龙芯，Alpha 架构的申威，Arm 架构的飞腾，海思，华芯通。其中，龙芯与申威由于指令集产权的高度自主，一直在坚持完全自主研发核心技术，创建自己的生态系统；基于Arm架构的飞腾，海思和贵州华芯通则选择了产权授权更加商业化，灵活度和自主度更高的指令集架构授权，同时借助Arm由终端逆推进军服务器市场而越来越成熟的生态系统。

在党政军等对安全可控要求非常高的特定领域，目前完全自主研发的服务器处理器，如龙芯和申威经过长期的努力和技术积累已经从基本可用做到了基本好用，取得了非常喜人的进展，在这些领域的一些应用场景已基本可以满足需求，可以说在某些领域和应用场景已经摆脱了垄断威胁，实现了自主可控的产业圈。但是，我们不得不承认，在更广阔的并且与人们日常生活息息相关的商业市场，如云服务数据中心，大数据分析，人工智能计算平台，智慧城市基础设施，政务云，工业关键基础设施等等，我们自主研发的产品无论是在计算性能，稳定可靠性和生态兼容性等多方面依然存在相当大的差距，很难实现大规模的部署和替换，依然需要相当长时间的努力和发展，最终高度自主可控的产品能彻底改变如今垄断的格局，成为通用高性能服务器产业中的重要一只力量，这也是所有国人所期望的！

那么在这之前呢？我们不能消极等待更不能急功近利，需要多条腿走路，需要长、中、短不同时间路程的解决途径，多种路线经过市场锤炼和筛选，最终在服务器产业中形成至少2-3种架构，3-4个重要厂商，各有千秋各有专攻，做到在全球信息技术中做到你中有我，我中有你的局面，如此才能解决被卡脖子的“恐惧感”。那么从目前市场趋势、技术发展和生态环境观察，Arm架构的服务器CPU是最有希望在短期内实现x86替代的选择，成为打破一家垄断的最强劲的力量。

众所周知，现今在以云架构为主的信息技术体系中，通用服务器CPU处理器的市场成功最终取决于指令集的统一性不碎片化、芯片产品高性能和高稳定性，软硬件生态环境的开放和培育，开放的商业模式和产业合作。当前最活跃也是最成功的两个指令集是在PC和服务器端成功的x86和在终端嵌入式成功的Arm。从好几年前开始投入巨资试图进入市场到最终以失败结束，英特尔的x86架构在移动终端的尝试其实也是目前Arm架构旗下几个重要玩家正在进行的一场拼杀，只是现在刚刚开始不久，结果未定！

先看看英特尔这个巨人为什么会在移动终端失败。难道是x86指令集架构过时了存在移动市场先天缺陷吗，还是因为 Arm 架构的性能太好x86无法实现，或者是Arm的低功耗英特尔根本在技术上就做不到呢？这些都不是，在处理器集成晶体管数量已达数十亿级甚至上百亿的今天，单单从指令集的架构就能完胜的神话根本没有任何说服力，更何况英特尔这样的半导体芯片顶级厂商，其技术绝对不会成为英特尔的问题。x86架构“闭关锁国”的封禁态度和Wintel的双头垄断模式才是其在移动市场失败的根本原因。这种垄断和绑定的模式令英特尔享受着高额的利润和能把控除了CPU芯片还包括其他生态体系的优越感，但对于下游的客户及合作伙伴来说却意味着被动和压榨。所以在移动市场，Arm开放的商业模式一出现便显现出了众人拾柴火焰高的快速发展，最终在终端和嵌入式领域取得巨大的成功。

于是Arm携这种开放的商业模式开始进军服务器市场。

Arm架构的授权方式有三种：架构层级授权、内核层级授权(也就是所说的IP核授权，又分为软核与硬核两种) 、使用层级授权。

• 使用层级授权，要想使用一款处理器，得到使用层级的授权是最基本的，这就意味着你只能拿别人提供的定义好的ip来嵌入在你的设计中，不能更改人家的ip，也不能借助人家的ip创造自己的基于该ip的封装产品。

• 内核授权则是指企业在利用所获得的Arm核心加上自行设计的外设功能最终形成SoC（片上系统），如果是软核授权企业同时能获得设计的RTL源代码，根据企业做选择的工艺可以进行设计和修改，而硬核则只是Arm交付的固化的图形文件GDS，企业直接使用但是在生产的工艺环节受到限制。

• 架构授权是指令集的授权，获得授权的企业可以基于Arm架构的框架进行大幅度设计和改造根据自身产品的功能需求和市场定位，自行设计出自己的CPU核心以及SoC芯片。所以，如果企业所购买获得是Arm架构指令集的授权，则意味着会有相当大的主动性，只要遵照了指令集规范，在芯片的设计整个过程中将完全可控，芯片的结构和功能是可知而透明的。

当然获得Arm架构级的授权后进行自主的设计并不能说是完全的自主可控，发展Arm架构的服务器芯片是否可控存在两个问题，即指令集升级的话语权和授权许可是否存在被卡。

作为一家商业公司，Arm对中国的市场规模和地位也是不容忽视的。相反，为了进一步扩大用户群，吸引和鼓励更过IC厂商的合作，Arm在2017年取消了Cortex-M0和Cortex-M3两款芯片原型设计的授权费用。虽然这两款芯片是低功耗嵌入式的产品，主要市场为更广阔的物联网，但这也表明了Arm公司长期的商业模式即开放，Arm本身开放的特点与移动互联网的高速发展成就了现在Arm的巨大成功， 也正是Arm所具备的“开源精神”给Arm带来更高的回报。

近日，软银孙正义关于Arm规划的出炉，其中也谈到了Arm中国合资公司的战略和发展。其中最重磅的是Arm决定放弃Arm mini China的控股权，中资持股51%、Arm持股49%，这是中国芯在Arm架构体系下迎来突破的机会。紧接着，安谋中国与四川天府新区成都管委会签约，Arm集成电路设计服务平台、Arm中国西部研发中心、教育研发总部和Arm智慧小镇等项目将陆续在天府新区投建。Arm在中国的长期布局和更加开放的态度从中可见一斑，这些新的举动进一步佐证了Arm开放的态度，与中国包括数千个软件、硬件、中间件、操作系统，以及各种各样的方案厂商、设计工具厂商共同组成和推进庞大的高科技生态系统的决心。而开放的授权是所有这些战略发展根本。按照Arm最新的规划，Arm计划在四年（2017 + 2018 + 2019 + 2020）实现1000亿的芯片发货量（上一个1000亿花了26年），然后冲着1万亿放量努力。其定位的五大方向除了ARM架构已经占据优势的移动计算，汽车电子，嵌入式芯片，消费电子等，还包括了互联网和服务器基础设施。所以在商业全球化，市场开放化不断加大的的整体环境下去担心Arm服务器厂商的授权被限制的情况大可不必。

获得Arm指令集授权的厂家不单是在计算核与SoC芯片设计上拥有最大的自由度，而且可以根据市场需求对Arm指令集的升级换代提出修改或添加意见，Arm指令集的发展是开放的。这一点从国内Arm服务器重要厂家之一的天津飞腾公司也获得证实，据悉飞腾已经在Arm指令集的发展中做出了贡献。随着飞腾、华为、展迅，华芯通等国内厂家市场占有率不断提高，对Arm指令集发展的话语权将逐步增大，通过市场的成功来实现对上层IP的影响力。

Arm架构一直致力于高能效、低功耗的体系架构创新。从指令集、CPU架构、IP设计、SOC（系统芯片）设计，都以满足用户和市场对绿色计算的需求为目标，不断提升运算能力、优化能耗设计。通过多年的技术沉淀和探索，Arm64服务器以其多核、多线程，持续提升的单核性能，并通过开放架构、开放接口支持CPU和各类加速器的异构计算，被越来越多的客户和厂商认为是构建绿色计算系统最有前途的方式之一。

作为通用的系统架构，Arm64服务器在多种数据中心应用场景都具有独特优势，如存储，大数据分析，高性能计算，物联网的边缘计算，Android应用，容器微服务等等。Arm64服务器基于开放的芯片架构，不断创新，逐步构筑能效、成本、生态环境等方面的优势。基于开放的Arm芯片IP授权，众多厂商共同参与了Arm服务器架构规范标准的制定。2016年4月，在中国市场，Arm在工信部的牵头下，与戴尔、华为、阿里巴巴等成立了绿色计算产业联盟，正在推动基于Arm架构的服务器。华为、Arm、戴尔、联想、华芯通、电子标准院、新华三、天津飞腾、中国软件、SK海力士、北大、清华、上海交大、中科院计算所、神州数码、沈阳东软、紫光国芯、中国电子、Mellanox、天津麒麟、中国长城、NVIDIA、南京百敖等都是其会员单位。

在硬件架构上， Arm公司牵头云供应商如Google，Microsoft等，软件公司如Canonical、Linaro、Microsoft、Red Hat、SUSE等，和服务器厂商包括DELL、Fujitsu、HPE等，BIOS厂商如AMI、百敖，Insyde 等，还有芯片厂商（MACOM/APM、Hisilicon、Cavium、Qualcomm、飞腾， Socionext等） 制定了Arm64服务器硬件架构规范SBSA (Server Base System Architecture)。Arm已将该标准翻译为中文。

在软件方面，Arm公司与合作伙伴一起制定了SBBR(服务器基本启动需求) 及其测试工具, 即针对符合SBSA规范的Arm64服务器的固件规范。SBBR的正式版本1.0 [4] 发布于2016年3月。该标准已有中文版。 基础软件主要包括OS，工具链（编程语言和开发工具）和云基础软件（虚拟化和容器）等，在Linaro等开源生态社区及各Arm服务器厂商的努力下达到了对Arm服务器的完全支持。主流的OS软件发行版（CentOS，OpenSuse，Ubuntu等）都依赖统一、开放的硬件架构标准（参见2.2节）。随着Arm64服务器对SBSA规范的不断支持和完善，这些主流的商用开源OS都宣布了对Arm64服务器的支持。

开源的应用软件及中间件阵容庞大，覆盖目前几乎所有的主流数据中心业务场景，例如云计算服务（OpenStack，Ceph，Kubernetes等），大数据业务（Hadoop，Spark等），高性能计算业务（OpenHPC），数据库（MySQL等）等。以Linaro为首的Arm64开源社区通过构建ERP（Enterprise Reference Platform）平台（B.2.2），建立了与这些开源应用软件和中间件的协同。通过持续迭代和演进，使得Arm64服务器完全支持这些开源软件的运行，基本使能开源软件生态。以目前使用最广泛的云服务软件OpenStack为例，OpenStack社区在16年10月正式宣布了对Arm64服务器的支持，至此，OpenStack官方宣称支持两种芯片架构。

在商用软件领域，Arm64服务器厂商一直积极和各个商用软件厂商展开合作，并获得了相关领域商用软件的支持。例如微软在今年3月正式宣布了用Arm64服务器支持内部使用的Azure云服务[5]，Windows也早已宣布提供对ARM架构的支持。随着合作的不断开展和深入，相信会有更多的商用软件支持ARM64服务器。

随着Arm64软件生态的不断完善以及硬件能力的不断提升，越来越多的开源软件社区及商用软件厂商会对Arm64服务器提供支持，为用户带来无差别的应用体验。

在整机方面，随着Arm64服务器软硬件平台的日臻完善，已经在高性能计算机系统、数据中心、企业级服务器等多个领域获得应用。Arm64服务器需要遵循硬件架构SBSA规范、固件SBBR规范，使能单一操作系统内核镜像即可支持满足所有服务器硬件，避免Arm服务器生态碎片化。另一方面，为满足特定应用领域对计算效能、实时性、可靠性上的诉求，Arm64服务器整机还应相应提供异构计算、可扩展性、RAS、安全性等方面的支持。

在中国服务器市场，已经有了全套基于Arm服务器芯片的产业链合作伙伴，包括KMI、博傲等内核虚拟机固件厂商，中科方德、中标麒麟、普华等操作系统厂商，阿里云、华为云、百度云等云系统合作伙伴，达梦、人大金仓、瑞中数据、神舟通用、南大通用等数据库厂商，东方通、山东中创、金蝶等中间件厂商以及浪潮、联想、曙光、中兴、长城等整机系统厂商，构成了完整的产业生态链，可以实现软件全面国产化。

在国产服务器芯片领域，现在有飞腾， 海思， 华芯通三家芯片公司设计基于Arm核的服务器芯片。可以预计，国产服务器芯片在Arm的助力下，可以实现安全可控，为我国的信息安全提供有力保障。

“聚四海之气、借八方之力”，习近平主席在中国两院院士大会上明确指出“自主创新是开放环境下的创新”， 并提出两条具体思路：一是深化国际科技交流合作，主动布局和积极利用国际创新资源，努力构建合作共赢的伙伴关系，共同发展；二是积极主动融入全球科技创新网络。Arm开放、合作、共赢的发展策略，在终端和嵌入式领域已积累的技术环境，在服务器端日渐成熟的生态系统，以及各服务器芯片厂商产品的性能稳定性也已追平英特尔最主流产品，多个层面的共同努力和众多生态伙伴的参与，有理由相信Arm架构的服务器平台是完全有机会也有能力打破服务器市场一家独大的垄断局面，为客户及各云服务厂商提供第二选择，消除被控制、被卡脖子的压迫感，助力中国服务器产业的多样化进程，实现健康的经济环境。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第1604期内容，欢迎关注。