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。
简述云计算与区块链在配网的应用技术
一文看懂万用表二极管档与通断档的区别
磁栅尺、光栅尺和球栅尺的不同之处
家用呼吸机emc辐射发射超标整改方法
变频电机与普通电机的区别_变频电机比普通电机省电多少
数据中心CPU芯片，ARM可堪重负？
台积电：将汽车芯片供应作为首要任务，以支持全球汽车工业
如何精准区分MOSFET与BJT
物联网怎样来进行保护
拧紧设备运维管理平台有何功能
RS485通讯调试记录
为什么IBIS建模对设计成功至关重要
VOC检测仪与气体分析仪有何差别，在哪些方面
NAND Flash需求旺盛，美光扭亏为盈
变频器中的器件选取
Digi-Key Electronics 推出《供应链大转型》视频系列
为什么三元锂电池更适合家用电动汽车?
中国电信成为中国移动的核心竞争者
关于eMMC 分区管理技术分析
构建西藏智慧安防新发展 将成为未来市场竞争的重要部分
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。
简述云计算与区块链在配网的应用技术
一文看懂万用表二极管档与通断档的区别
磁栅尺、光栅尺和球栅尺的不同之处
家用呼吸机emc辐射发射超标整改方法
变频电机与普通电机的区别_变频电机比普通电机省电多少
数据中心CPU芯片，ARM可堪重负？
台积电：将汽车芯片供应作为首要任务，以支持全球汽车工业
如何精准区分MOSFET与BJT
物联网怎样来进行保护
拧紧设备运维管理平台有何功能
RS485通讯调试记录
为什么IBIS建模对设计成功至关重要
VOC检测仪与气体分析仪有何差别，在哪些方面
NAND Flash需求旺盛，美光扭亏为盈
变频器中的器件选取
Digi-Key Electronics 推出《供应链大转型》视频系列
为什么三元锂电池更适合家用电动汽车?
中国电信成为中国移动的核心竞争者
关于eMMC 分区管理技术分析
构建西藏智慧安防新发展 将成为未来市场竞争的重要部分