【转帖】处理器史话 | 服务器CPU市场的战役, AMD、Intel和ARM的厮杀

时间:2021-10-10 22:15:57

处理器史话 | 服务器CPU市场的战役, AMD、Intel和ARM的厮杀

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说完了个性鲜明的消费类电子,接下来聊一聊通用的“巨无霸”型 CPU——服务器 CPU。
服务器 CPU,顾名思义,就是在服务器上使用的 CPU。

众所周知,服务器是网络中的重要设备,要接受少至几人、几十人,或者多至成千上万人的访问,因此,对服务器具有大数据量的快速吞吐、超强的稳定性、长时间运行等严格要求。作为计算机“大脑”的 CPU,是衡量服务器性能的首要指标。

关于服务器的 CPU 类型的区分,早期延续了指令系统的方法,通常分为 CISC 型 CPU 和 RISC 型 CPU 两类,后来又出现了一种 64 位的 VLIW(Very Long Instruction Word 超长指令集架构)指令系统的 CPU。

目前,在中高档服务器中采用 RISC 指令的 CPU 主要有以下几类:
(1)PowerPC 处理器;
(2)SPARC 处理器;
(3)PA-RISC 处理器;
(4)MIPS 处理器;
(5)Alpha 处理器;

关于 CISC 和 RISC 的定义及区分,详见前文,这里只对 CISC 和 VLIW,做一下对比,见下表。

CISC

VLIW

定义

基于 PC 机体系结构,一般都是 32 位的结构

IA-32(IA: Intel Architecture,Intel 架构)

超长指令集架构,采用了先进的 EPIC(清晰并行指令)设计,称为

IA-64 架构(包括 Intel 研发的安腾处理器)

主要厂商

Intel 的服务器 CPU

AMD 的服务器 CPU

Intel 的 IA-64

AMD 的 x86-64

优点

  • 以“小、巧、稳”"为特点,凭借可靠的性能、低廉的价格,得到了更为广泛的应用。
  • 在互联网和局域网领域,用于文件服务、打印服务、通讯服务、Web 服务、电子邮件服务、数据库服务、应用服务等用途。

缺点

  • 缺乏与 x86 的兼容。

关于 IA-64 的兼容问题,Intel 也是煞费苦心。初期 Intel 为了 IA-64 处理器能够更好地运行两个朝代的软件,它在 IA-64 处理器上(Itanium、Itanium2 ……)引入了 x86-to-IA-64 的解码器,这样就能够把 x86 指令翻译为 IA-64 指令。这个解码器并不是最有效率的解码器,也不是运行 x86 代码的最好途径(最好的途径是直接在 x86 处理器上运行 x86 代码),因此 Itanium 和 Itanium2 在运行 x86 应用程序时候的性能非常糟糕。这也成为 X86-64 产生的根本原因。

最后值得注意的一点,虽然 CPU 是决定服务器性能最重要的因素之一,但是如果没有其他配件的支持和配合,CPU 也不能发挥出它应有的性能。

那么问题来了,同为 CPU,服务的 CPU 和普通的 CPU 有哪些不同呢?

1. 服务器 CPU 与普通 CPU 的 PK
没有对比就没有伤害,请看下面的实例:
一台普通的 P4 3.0 和一台 DELL 服务器的 3.0 内存都是 2G,主频相同、内存相同,它们的差异在哪里?

答案是整体性能的表现不同,因为服务器 CPU 设计要求与前者不同,相关要求及参数如下表:

服务器 CPU 与普通 CPU 的设计要求对比表

参数

服务器CPU

普通CPU

运行时间

  • 可连续运行时间长,基本都是设计为能常年连续工作。
  • 稳定性更好,当然价格更贵
  • 按 72 个小时连续工作而设计的

多路级联

  • 支持多路互联,简单的说就是 1 台机器可装很多 CPU
  • 不支持

RAID 功能

服务器具有 RAID 功能,支持盘阵

其他

运用大量的先进技术,价格贵

上表只是设计的理念上的不同,那么二者在现实中的差异如何呢?

根据应用的不同,两者的差别很大,关于这一点,有一个形象的比喻:PC 就相当于什么都会的门诊医生,但是医术不是那么精湛,而服务器就应该是某个方面的专家了,处理能力越出众,它“专”的就越厉害。

关于这个“专”字的理解,可以从硬件和软件两方面来看。

首先从硬件上看,详细的数据如下:

服务器 CPU 与普通 CPU 的硬件参数对比表

普通 PC

服务器

CPU 指令集

  • 通常为 CISC 复杂指令集,追求指令集的大而全,尽量把各种常用的功能集成到一块
  • 调用速度和命中率相比服务器 CPU 较低一些
  • 一般是采用的 RISC,针对性更强,可以根据不同的需求进行专门的优化,能效更高

内存

满足要求即可

服务器上的原则也上越快越大越好,不过它对纠错和稳定提出了更高的要求

缓存

近几年才用上了缓存技术。

  • 往往应用了最先进的工艺和技术,并且配备了一二三级缓存,运行能力更强
  • 服务器 CPU 很早就用上了 3 级缓存

硬盘

满足要求即可

  • 一般都是企业单位,里面都是保存了大量珍贵数据,这对硬盘就提出了安全稳定的要求
  • 必须能做到 24*7 不间断工作的要求

显卡

用户根据要求,自己选择,如:游戏机需要高配置的显卡。

通常没有显卡卡槽,自带的核心显卡即可满足需求

总线

带宽低

带宽高

其他接口

通常为 Socket 775

大多为 Socket 771、Socket 775、LGA 2011、LGA 1150

CPU 价格

通常几百元到几千元,主流产品价格基本在千元左右

一般服务器 CPU 价格都在千元以上,高端服务器 CPU 都是在万元以上,甚至几十万

接下来说说软件,软件就主要指操作系统,比如熟悉的 NT,2000 SERVER,2003 SERVER,LINUX,SOLRAIS 和 UNIX 等等,都是专门针对服务器设计的。

不过,CPU 的性能主要靠主板和内存才能完全发挥出来,因此服务器 CPU 与普通 CPU 不要混用,这是由于先天性的设计特点,很多家用电脑的主板是不适合服务器 CPU 使用的,即使可以用,很多时候也无法保证发挥出其性能优势。毕竟尺有所短寸有所长,两者定位与设计不同。

2. AMD、Intel 和 ARM 在微服务器市场的厮杀
目前,全球领先的微服务器 CPU 生产厂商有三大巨头,分别是 AMD、Intel 和 ARM,它们各自在服务器处理器领域的突出贡献,那么到底谁称得上是这个行业的第一呢?

看到这里,读者也许会提出疑问:关于服务器的 CPU,为什么不提 IBM 呢?

这里不回答,看看前文就知道了。

(1)三大巨头的技术 PK 之路
下面,摆事实,列数据,请看上述三大巨头在服务器方面的发展简历:

芯片厂商在服务器 CPU 方面的技术发展历程

时间

技术

厂商

2006 年

  • CPU 超线程技术
  • 利用特殊的硬件指令,把多线程处理器内部的两个逻辑内核模拟成两个物理芯片,从而使单个处理器就能“享用”线程级的并行计算的处理器技术。多线程技术可以在支持多线程的操作系统和软件上,有效的增强处理器在多任务、多线程处理上的处理能力。

Intel

2007 年

  • 65 纳米制造工艺应用于 AM2 系列产品,Athlon 64X2(3800+、4200+、4600+)。
  • 相对于英特尔产品已抢占 65 纳米的先机,再加上陆续推出的新一代 Core 微架构处理器,AMD 只能凭借降低制造成本,展开价格战,予以回击。

AMD

  • 45 纳米 CPU 突破硅处理器瓶颈

Intel

2009 年

  • 推土机 12 核 CPU
  • 将采用 Multi-Chip Package 技术,把两颗六核心封装在同一颗处理器上,同时将改良内存技术减低内存延迟的出现

AMD

2010 年

  • 多核 CPU 单线程性能技术
  • 开发了一项名为"Anaphase"的技术这个硬件与软件的混合体采用了多个内核来提高单线程性能,依赖不同的猜测技巧来自动分区单线程应用,这样就可以在多个内核上处理这些应用。

Intel

2010 年

  • Sandy Bridge GPU CPU 融为一体
  • 将 GPU 和 CPU 融合成为了一颗芯片,这是显示核心的全新实现方式,同时也标志着 CPU 进入了 32 纳米的时代。CPU 与 GPU 的融合也是的他们之间的界限不再明显。

Intel

2011 年

  • APU 迎战新酷睿
  • AMD 第一款融核加速器代号“Ontario”面向便携领域,功耗只有 9W。基于 Bocat 架构的 X86 CPU 有单核心、双核心、两种。低功耗和小体积是这款 APU 的优势和特点。

AMD

2012 年

  • ARM 乱入,CPU 市场打破格局
  • ARM 服务器处理器相比于英特尔处理器的最大优势在于低能耗,将 EnergyCore ECX-1000 与英特尔服务器处理器 E3-1240 对比测试,其节能性的特点较为突出。每瓦特性能上,EnergyCore ECX-1000 是英特尔 E3-1240 的 15 倍。

ARM

 
从以上的服务器 CPU 发展历程,可以清晰的看到,长期以来,服务器处理器领域都是 Intel 和 AMD 二分天下,从普通的 PC 机到服务器,他们一直是“最佳”竞争对手。但随着服务器的不断发展,低功耗,高性能的微服务器逐渐成为新的发展方向,作为后起之秀的 ARM 服务器处理器,大有后来者居上的趋势。ARM 架构相比 Intel 的 X86 架构也有其优势,那就是功耗相比后者要低的多,而能耗正成为数据中心的一大成本,低功耗的特点让 ARM 架构在数据中心中具有很强的竞争优势。

不过 Intel 和 AMD 都在向微处理器领域发展。

早在 2012 年底,Intel 发布了最新的 Atom S 系列的服务器芯片,此次发布的 Atom S1200 处理器中,功耗最低只有 6W。Intel 表示,采用该芯片,设备制造商可设计出高密度、低功耗的微型服务器产品,应用在网站代管、内容服务,或是网站前端服务器上,或是应用在需要大量部署服务器,需要高密度服务器节点、降低耗电量的数据中心。

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Atom S1200 系列处理器

2013 年 9 月,Intel 推出低功耗 Atom 服务器芯片——代号“Avoton”,作为 Atom C2000 产品家族中的一员,Avoton 芯片将主要应用于高密度服务器。而作为第一代 Atom S1200 代号“Centerton”服务器芯片的后续产品,相比此前的架构有了重大的改进。
此后,各大厂商纷纷应对,向 Intel 的低功耗服务器 CPU 发起挑战,最“激动”的莫过于老对手 AMD。2016 年 1 月,AMD 新的 Seattle 服务器芯片开始出货,它是该公司的第一款 ARM 架构处理器, AMD 希望用 ARM 架构服务器处理器挑战 Intel 的统治地位。

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AMD 的第一款 ARM 架构服务器 CPU

(2)三大 CPU 厂商的优势对比
如今在处理器市场,三家可谓都如坐针毡,一个是想进入企业级领域的新兴 ARM,另两个是一直的统治者,三者之间的关系错综复杂,但是他们的竞争是不可避免的,但有竞争就有失败,下面分三个方面来看一下各自的优缺点。

硬件支持
硬件支持是一个处理器成功非常重要的条件,英特尔和 AMD 在企业级处理器方面有很多合作伙伴,而 ARM 虽然发展势头正猛,但是其在企业级领域方面并没有经验,其缺少与 OEM 厂商或 ODM 厂商,但其在去年拉拢了 AMD 也许对 ARM 会有所帮助。

软件支持
软件对处理器同样非常重要,这方面跟硬件方面的情况差不多,ARM 在软件方面支持缺少相应的厂商,其支持者主要是开源方面的一些厂商,但是英特尔和 AMD 在这方面已经非常完善。

经验
ARM 在处理器市场也有着非常多的经验,而且其特殊的商业模式让其在市场上的合作伙伴非常多,但是在面对市场竞争方面,显然英特尔更有经验,而且英特尔可以说屡战屡胜。AMD 则要稍逊。

3. 国产 CPU 当自强
在低功耗 CPU 处理器方面,中国也不甘示弱,取得了令世界瞩目的成绩。

2016 年 6 月,华为采用自主架构的 ARM 架构服务器芯片已经研发成功,被命名为 TAISHAN ARM 服务器芯片,这意味着其在服务器芯片市场终于要大干一场。

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华为 TAISHAN ARM 服务器芯片

2016 年 8 月 23 日,由中国天津飞腾信息技术有限公司设计的一款代号为 FT-2000/64 的 64 核*处理器及其服务器样机,在硅谷举行的一场国际研讨会上首次公开亮相,连续 3 天的展示吸引了国际同行关注。

FT-2000/64 处理器采用“进阶精简指令集机器”(ARM)架构,兼容 64 位指令集,集成 64 个飞腾公司自主设计的处理器核心,核心频率 2.0 千兆赫兹,浮点运算的峰值速度为每秒 5120 亿次。

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FT-2000/64 服务器 CPU

FT2000,它最早亮相于 2015 年的 HotChips 大会,代号“火星”,定位于高性能服务器、行业业务主机等。火星处理器采用 28 纳米生产工艺,主频为 1.5GHz~2.0GHz,功耗 100W~120W。

FT2000 之所以引人注目还因为在性能方面,其公布的 Spec 2006 测试中,成绩为整数 672,浮点 585,足以和 Xeon E5-2699v3 相媲美,这也是国产服务器芯片第一次在性能上追平 Intel。

又是一场关于 CPU 的混战,那么服务器类 CPU 将来的发展如何?谁将成为服务器 CPU 的霸主?一切交给时间吧。