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服务器芯片的三个战场,谁能笑傲江湖?

2020/10/22
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近期,有两大收购事件备受瞩目,一件是 NVIDIA 收购 Arm,另一件是传闻 AMD 收购 Xilinx。在这两起收购的背后,不仅仅折射出的是巨头们技术的整合与生态链的布局,也折射出两家企业对服务器芯片的重视。

随着物联网人工智能等产业的发展,数据中心作为其基础设施的作用越来越举足轻重。各方力量也在不遗余力的持续推动自身在数据中心的发展,X86 架构与 Arm 架构的较量,AMD、NVIDIA 和 Intel 之间的较量,美欧日中之间的较量都在持续上演。

IP 之战

服务器芯片市场产品繁多,功能和性能定位不一,但按照指令集架构来区分的话,目前市场上主要有两个阵营在竞争,一个是 CISC 架构,另一个是 RISC 架构。

前者的主要代表是 Intel 和 AMD 两大厂商使用的 X86 架构,后者的代表架构有 Arm、MIPS、Power PC,其中 Arm 近年来发展的风生水起,旗下汇集了华为高通、Marvell 等一众生态链厂商。

最强王者—X86

长期以来,服务器市场一直被 X86 所把持,根据 DRAMeXchange 调查显示,服务器用 CPU 中,X86 架构 CPU 占整体服务器市场约 96%。尤其是老大 Intel,截止去年年底,以一己之力占据了全球服务器 CPU 95.5%的市场份额,其余的 4.5%被 AMD 以及其他芯片厂商所分食。

Source:拍信网

由于 X86 指令集和 PC 软件以及服务器软件高度耦合,所以为了拿到大部分利润,Intel 不愿意对其他进行授权,目前拿到 X86 指令集授权的除了 AMD 和 VIA 两位股东之外,就只剩下通过和 AMD 合作拿到授权的海光,以及与 VIA 合资成立的兆芯,但这两者并不具普及性质。

Arm 的坎坷进击路

Arm 阵营虽然门徒众多,但在服务器芯片领域却一直走的十分坎坷。2008 年,Arm 开始酝酿服务器芯片计划,随后乘着 Arm 64 的东风,高通、Cavium、华为、飞腾等都陆续开发了各自的 Arm 服务器 CPU,依然无法撼动 X86 的市场。

后来又经历了 AMD 来了,然后 AMD 又走了,高通高调进入却又折戟沉沙,三星暗暗研发 Arm 服务器芯片落得个无疾而终的窘境。十年的发展,Arm 服务器芯片依然无法对 X86 造成有力冲击,市占率没有突破 10%。

Source:Arm 官网截图

不过,近两年 Arm 阵营开始慢慢热闹起来了。

2017 年,英特尔前高管离职创办了从事 Arm 服务器芯片研发的 Ampere 公司;2018 年,富士通公开介绍了业界首款支持基于 Arm V8 指令集扩展 SVE 的 A64FX 芯片,据称性能强悍到无需与 GPU 组合;2019 年亚马逊推出的 Graviton 2 堪称惊艳;此外,Mavell 收购 Cavium 后发布的 Thunder X2 同样惊艳四座;2019 年华为先后发布两款高性能的 7nm 级芯片处理器鲲鹏 920 和昇腾 910,标志自研芯片算力步入 Arm 架构体系前列水平。

一方面 Arm 阵营开始壮大,另一方面,随着 AMD 的再度崛起,英伟达的强势紧追,美系三大服务器芯片企业正进入一场异常激烈的三国杀。

巨头之战

Intel:武林盟主

毫无疑问,Intel 是当之无愧的服务器芯片界武林盟主。

2018 年底,英特尔对外宣布将由从以往“PC 为中心”转向“以数据为中心”,这意味着“数据中心”业务将成为 Intel 的主力,转型期间的 Intel 数据中心一度占据 Intel 总营收的一半以上,由于今年疫情带动在线办公的需求旺盛,Intel 的数据中心营收在上半年同比增长了 42%。

Source:英特尔官网截图

但是即使辉煌的 Intel 也有自己难言的落寞。过去一段时间,虽然 Intel 还是当之无愧的服务器霸主,但也受到了 AMD 与 NVIDIA 这样的强劲对手的挑战,又因为先进制程迟迟没有进展,而受到外界质疑,甚至将基带业务 10 亿美元卖给了苹果,这些困境让 Intel 难免有些失意。

AMD:高歌猛进

与 Intel 不同的是,AMD 近两年来可谓春风得意马蹄疾。长期以来,作为桌面处理器的第二大厂商,AMD 一直被 Intel 所压制,但是随着 Zen2 架构处理器的全面发布,以及台积先进制程的加持,AMD 已经对 Intel 造成了不小的冲击,目前其在 PC 处理器的市场份额已经接近 40%,是过去 14 年来的最好水平。

Source:AMD 官网截图

过去在服务器芯片领域,每 100 台卖出的服务器中,只有不到 1 台搭载了 AMD 的处理器,但是近两年,AMD 从架构到工艺的强势,带动 CPU 性能的逆袭,在服务器市场中借助 X86 架构的整体优势,抢下更多的市场份额,市占率已经从不足 1%飙升至 8%。

在 AMD 突围的过程中,作为盟友的 Xilinx 也从中获益良多。近期,传出 AMD 要收购 Xilinx 的消息,从技术方面来看,这事并非不可能。

如今高并行、高密集计算能力成为主流的情况下,传统的通用处理器已然无法满足需求,此趋势下需要的整合设计能力,要有 CPU+异构单元和生态协作能力,这也是 AMD 与 Xilinx 达成合作的基础。

NVIDIA:结盟 Arm

与 AMD 一样,看重数据中心市场的还有 NVIDIA。去年,它以 70 亿美元收购服务器端到端解决方案厂商 Mellanox,今年 400 亿美元宣布收购 Arm,无疑都是为了在未来的数据中心市场抢占先机。

Source:Arm 官网截图

NVIDIA 的 GPU 在 AI 领域有着先发优势,全球大多用户都使用 NVIDIA 的 GPU 训练神经网络,依靠着这种优势,再借助 Arm 架构所拥有的低功耗、低成本优势,NVIDIA 在努力挑战英特尔在服务器芯片市场的垄断地位。

从最新的财报来看,NVIDIA 的数据中心营收业务已经相当于 Intel 的四分之一,短短 5 年时间,NVIDIA 的数据中心业务从年收入 3 亿美元增长到近 30 亿美元,相比 2014 年增长 14 倍。虽然与 Intel 有实力上的差距,但这种差距在不断的缩小。

NVIDIA 收购 Arm 虽然是为了强化自身地位,但是由于 Arm 的特殊性,使得这次收购遭到广泛反对,包括 Intel、特斯拉、高通等都提出反对意见,甚至英国政府出面进行干预,毕竟没人喜欢让 NVIDIA 既做裁判还当选手。

区域之战

美国一直以来都是半导体强国,服务器芯片自然也是首屈一指,除了 Intel、NVIDIA、AMD 这三家上文已经谈过的巨头之外,依靠 Arm 构架正在崛起的新贵自然也不能忽视。

2018 年,Marvell 收购 Cavium 之后,推出了基于 Arm 架构设计的服务器芯片 Thunder X2,采用 16nm 工艺打造,每个芯片拥有四个线程,这个全新的处理器无论是内存带宽、吞吐量,还是延迟与在面对网络和存储应用的可靠性,乃至整个 SoC 的性能,都领跑行业,是目前最强大的 Arm 超算,并且成功的被应用于美国能源部旗下桑迪亚国家实验室的超级计算机“STRA”。

2018 年,亚马逊基于此前收购的一家以色列芯片公司的技术,开发了一款 Arm 架构的服务器芯片,推出这款处理器不仅让亚马逊成为第一个拥有自研处理器的云服务商,而且可以为亚马逊的云服务特别是虚拟服务器租赁降低 45%的成本。

去年年底,亚马逊又在第一代的基础上,继续研发了第二代服务器芯片 Graviton2,这款芯片的计算核心数量是第一代的 4 倍,缓存是第一代的两倍,内存则是第一代的 5 倍,性能是第一代的 7 倍,是 Intel 的 Xeon 服务器芯片的有力竞争者。

在全球服务器市场,中国则是最大的卖方,基本上全球前 6 大服务器厂商,有 4 席被中国所把持。从数据上来看,去年全年,中国的 X86 服务器出货量达到了 318 万台,市场规模为 176.84 亿美元。

Source:天津飞腾官网

目前国内的服务器芯片除了华为的鲲鹏之外,还有 2014 年成立的天津飞腾,其拿到的是 Arm 的指令集架构永久授权,在过去的五年时间里相继推出了 FT-1500A/4、FT-1500A/16、FT-2000A/2、FT-2000+/64 和 FT-2000/4 等多款产品。今年 7 月份,飞腾又推出了其新一代多路服务器芯片腾云 S2500,该产品也是飞腾补齐高端芯片最后一块版图的重要布局。
 

为了自身的数据安全与摆脱对美国的依赖的需要,欧盟也希望拥有属于自己的服务器芯片,在指令集上很可能采用 Arm 构架,毕竟 X86 的授权并不容易拿到,即使拿到授权也要为此要缴纳一笔不菲的使用费,Arm 还没有卖给 NVIDIA 之前,还算是自己人,所以用着也更放心。

目前法国的一家创业公司 Silicon Pearl 正在承担欧盟的服务器芯片开发工作,其拿到了 670 万美元的启动资金,并从 Arm Holdings 手中获得了“ Zeus” Neoverse N2 内核和相关技术的许可,从而开始了其第一代 Arm 服务器处理器芯片“Rhea”的设计。

最后一家有志于服务器芯片开发的国家则是日本,为了在超算上有自己的一席之地,几年前,日本的富士通将超算处理器架构由原来的 SPARC64 全面转向了 Arm。

在最新一期的超算排行榜中,富士通的基于 Arm 构架的超算“富岳”以每秒 41.5 万万亿次的运算速度,超过美国“顶峰”排名世界第一,同时在模拟计算方法、人工智能学习性能、大数据处理性能项目也拿到了第一名。这也是日本时隔 8 年之后,重登超算第一。

总 结

移动时代 PC 需求量早已见顶,虽然有疫情这只黑天鹅带动 PC 需求上涨,但总体来看 PC 的需求未来并不会出现大逆转,随着智能手机市场的成熟,Arm 在移动手机市场的增量也变得开始迟缓,所以开辟新的市场空间就变得尤为重要。

随着大数据、物联网、人工智能、5G 通信等技术快速发展,对于云端的计算力提出了更高的要求,从而推动了全球服务器及服务器芯片市场的持续增长,这也是各个企业甚至各国不遗余力发展服务器芯片的根本原因所在。

未来的服务器市场将会竞争异常激烈,Arm 能否挑战 X86 成功,中国能否借助 Arm 构架在服务器芯片领域与美国分庭抗礼,都还有待观察。

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