服務器是一種為客戶機提供服務的高性能計算機。關于服務器最全分析材料請參考文章“終極版：服務器基礎知識全解(182頁PPT）”。
CPU作為服務器的運算和控制核心，其指令集架構有CISC和RISC兩種。從性能角度來說，CISC與RISC并無絕對的孰優孰劣之分。目前看來，CISC與RISC已逐步走向融合，兩方處理器互相借鑒互相優化。目前X86架構CPU占整體服務器市場約 96%，處于絕對領先的地位。以ARM為代表的國產架構服務器有望異軍突起。ARM早期專注低功耗領域，在移動端處于領先位置，生態體系十分完善，但在服務器等計算市場，多年來推進緩慢。隨著多核異構計算時代和場景多樣化計算時代到來，帶來對計算架構多樣性的需求，考慮中國市場政府、金融、能源等行業端生態逐步完善以及華為鯤鵬的入局，以ARM為代表的國產架構服務器有望獲得一席之地。而ARM公司本身也推出了Neoverse新架構，以期大幅提升性能，增強在服務器領域的競爭力。國產架構服務器群雄逐鹿。目前，國產CPU包括鯤鵬、飛騰、海光、龍芯、兆芯、宏芯、申威等。在黨政軍領域，龍芯、飛騰、兆芯等目前占據主流，華為鯤鵬未來有望在商用市場占據主導，海光憑借其出色的單核性能和X86完善生態也有望獲得一定市場份額。
一、服務器行業發展簡史
1.1 服務器：一種為客戶機提供服務的高性能計算機
服務器是指網絡環境中的高性能計算機，包括應用程序服務器、文檔服務器、郵件服務器、Web服務器及代理服務器等。整個互聯網的結構幾乎都基于客戶機-服務器模型。客戶機-服務器模型的本質是客戶機請求、服務器響應，即服務器的功能是為客戶機提供數據服務。服務器由處理器（CPU）、內存、磁盤、網卡、監視器、電源、機箱等組成，和通用的計算機架構類似，但是由于需要提供高可靠的服務，因此在處理能力、穩定性、可靠性、安全性、可擴展性、可管理性等方面的要求比普通的個人電腦高。服務器的最大特點就是其強大的運算能力，即使是一部簡單的服務器系統，通常也至少要有兩顆處理器以構成對稱多處理架構，使其能在短時間內完成大量工作，并為大量用戶提供服務。服務器常見的外型有四種：塔式服務器(Tower Server)、機架服務器(Rack Server)、刀片服務器（Blade Server）、機柜式服務器。其中機柜是指為服務器正常工作提供相適應的環境和安全防護的安裝箱，通過機柜可以保證服務器設備穩定可靠地工作。
服務器行業已經發展了近60年。服務器的發展最早可以追溯到1964年，IBM引入System/360。System/360是由5種功能越來越強大的計算機所組成的系列，這些計算機運行同一操作系統并能夠使用相同的44個外圍設備。
1.2 CPU：服務器的運算和控制核心
中央處理器(Central Processing Unit，簡稱CPU)是服務器的核心構成之一，其功能主要是解釋計算機指令以及處理服務器中的數據。CPU的主要運作原理是執行儲存“程序”里的一系列指令。程序以一系列數字的形式存儲在存儲器中。指令集架構（Instruction Set Architecture），又稱指令集或指令集體系，是計算機體系結構中與程序設計有關的部分，包含了基本數據類型，指令集，寄存器，尋址模式，存儲體系，中斷，異常處理以及外部I/O。指令集架構包含一系列的opcode即操作碼（機器語言），以及由特定處理器執行的基本命令。簡單地來說，指令集一般被整合在操作系統內核最底層的硬件抽象層中，屬于計算機中硬件與軟件的接口，它向操作系統定義了CPU的基本功能。CPU按指令集的架構區分，分為CISC（Complex Instruction Set Computing，復雜指令集）型和RISC（Reduced Instruction Set Computing，精簡指令集）型兩類。
CISC的設計者希望通過直接在硬件中構建復雜的指令從而使編程更方便、程序運行速度更快，其架構中每個指令可執行若干低端操作，諸如從存儲器讀取、存儲、和計算操作，全部集于單一指令之中；與之相反，RISC架構中只包含使用頻率高的少量簡單指令，并提供一些必要的指令以支持操作系統和高級語言。CISC陣營以Intel、AMD的X86架構為代表，而RISC陣營則包括ARM、MIPS、Power PC等架構；從硬件角度來講，CISC處理的是不等長指令集，而RISC執行的是等長精簡指令集，在并行處理方面RISC明顯優于CISC。由于RISC執行的是精簡指令集，相比CISC在硬件層面需要更少的晶體管，所以它的硬件制造工藝更簡單且成本更低廉。RISC型CPU與CISC的CPU在軟件和硬件上都不兼容，這是由指令集的特性而決定的。從性能角度來說，CISC與RISC并無絕對的孰優孰劣之分。但在發展過程中，CISC陣營的Intel和AMD在提升芯片性能上做出了持續的努力，芯片的功耗被放在了性能后的第二位；而RISC本身出現時間較CISC晚十年左右（ARM誕生于1985年，X86誕生于1978年），ARM、MIPS在創始初期缺乏與Intel產品對抗的實力，專注于以低功耗為前提的高性能芯片。RISC陣營的Power PC架構最初是為個人計算機產品而設計，但其出現時已是1992年，此時Intel旗下的80386和80486占據了大部分PC市場。
次年，Intel赫赫有名的奔騰系列發布并助力Intel占領了絕大部分PC市場，這是第五代基于CISC的X86架構微處理器，Intel將其命名為“Pentium”。在整個1990年代中期，PowerPC處理器均達到或超過了最快的x86 CPU的基準測試成績。但由于PowerPC面向Windows、OS / 2和Sun的客戶都存在應用軟件極度缺乏的問題，所以最終并未在PC市場濺起水花。但其后Apple因為PowerPC處理器的更高性能，在Macintosh個人電腦系列使用了PowerPC處理器。2005年，出于發熱量和能源消耗有關的考慮，Apple宣布不再在其Apple Macintosh計算機中使用PowerPC處理器，轉而支持Intel生產的處理器。此后PowerPC開始往超高性能服務器方向發展。
CISC與RISC已逐步走向融合，兩方處理器互相借鑒互相優化。例如，Intel公司的Pentium Pro種內含三個能夠把x86指令轉換成118位定長的RISC風格微操作的譯碼器。
1.3 X86一統天下數十年
X86泛指一系列英特爾公司用于開發處理器的指令集架構。該系列較早期的處理器名稱是以數字來表示80X86，包括Intel 8086、80186、80286、80386以及80486。由于以“86”作為結尾，因此其架構被稱為“X86”。
Intel與AMD競爭不斷，造就高性能X86。Intel具有很強的研發實力，芯片性能一直處于行業領先。在20世紀70年代至21世紀初,廠商最看重的因素之一即為處理器的性能，而RISC本身出現時間較CISC晚十年左右，ARM、MIPS在創始初期缺乏與Intel產品對抗的實力，改以專注于以低功耗為前提的高性能芯片。同時Intel X86也很早開始借鑒RISC架構優勢，不斷技術革新，比如“Pentium”奔騰處理器就采用了超標量架構，即有一個處理簡單和通用指令的管線。Intel最新產品十代酷睿桌面版Comet Lake-S系列處理器及400系芯片組中，最低配置的酷睿i3-10100四核處理器已經達到3.6GHz基礎頻率，4.3GHz睿頻，全核4.1GHz。從單機性能上來講，Intel目前依舊處于強勢地位。Wintel聯盟建立四十余年，X86軟件生態完善。1981年，由于個人計算機市場不受IBM看重，IBM選取8088做個人計算機業務的CPU，并將操作系統外包給微軟，Wintel聯盟就此開始征程。
在Wintel建立之初，微軟并沒有打算唯一地只支持Intel，早期，微軟操作系統有兩條業務線，一條專用支持X86架構，另一條則支持考慮了操作系統的可移植性，可支持RISC架構的計算機。但由于RISC處理器在PC端的份額遠不及X86，微軟又取消了對部分RISC架構的支持。后來，X86成為了個人電腦的標準平臺，也成為了歷來市場上最成功的CPU架構。專注芯片架構研發，不碰設備生態。就Intel來講，不與設備生產商、軟件開發者或者系統開發者成為利益競爭關系是一個十分重要的致勝因素。IBM和SUM大包大攬生產多種服務器設備，但其它設備生產商可能會基于不支持競爭對手的角度不愿意選擇PowerPC和SPARC架構，而選擇X86架構。
從成本、性能、生態三方面來講，X86都是早期數據中心的最優選。從成本和性能角度來講，X86相比大型機與小型機，在RAS(Reliability, Availability, Serviceability)有所欠缺，但具有生態系統開放、兼容性高、價格便宜的優勢。且由于分布式系統成熟，X86服務器集群的性能并無較大差距。大型機和小型機價格昂貴、體系封閉，一般只在部分要求零宕機的領域使用（如銀行業、電信業等）。從生態的角度來講，由于X86在市場上占有率高，相比其它架構而言，X86有著獨一無二的軟件和硬件生態優勢，故目前全球的數據中心大部分都是采用Intel的X86架構服務器芯片，X86生態系統也愈發強大。根據DRAMeXchange調查顯示，服務器用CPU中，X86架構CPU占整體服務器市場約 96%。
二、以ARM為代表的CISC架構服務器有望異軍突起
2.1 ARM公司：全球領先的半導體設計與軟件公司
ARM架構，從1983年開始由艾康電腦公司設計開發，最早為其命名為Acorn精簡指令集機器(Acorn RISC Machine)。1980年代晚期，蘋果電腦開始與艾康電腦合作開發新版的ARM核心，為了更好地支持這一重要項目，艾康電腦將設計團隊組成了一間名為安謀國際科技(Advanced RISC Machines Ltd.)的新公司，基于此原因人們也常常將ARM稱作高級精簡指令集機器(Advanced RISC Machine)。但在2016年，安謀國際科技被日本軟銀集團以3.3萬億日元（約合311億美元）收購，此后，ARM公司退出股市。
不同于Intel自主完成架構、芯片設計和芯片制造，也不同于無工廠模式(Fabless)的AMD、NVIDIA自己完成架構和芯片設計而將芯片制造工作交給代工廠完成，ARM公司本身并不靠自有的設計來制造或出售CPU，而是通過提供各種授權條款來獲得收益。
ARM公司一般有三種授權方式：指令集授權、內核授權和使用權授權。指令集授權是ARM公司提供的最大限度的授權，其產品形式為ARM v系列（即ARM架構）。被授權方可以對ARM公司的指令集進行擴展或縮減，從而得到其自己的指令集架構。蘋果公司就取得了這種授權。例如，iphone 11/ 11 pro/ 11 pro Max等機型上搭載的Apple A13芯片，其微架構就是基于ARMv8.3-A指令集架構自主研發。此外，華為、長城、高通、三星等公司也取得了ARM的指令集授權。內核授權的產品主要是指ARM公司提供的一系列微架構，目前主要是ARM cortex系列。被授權方可以在內核基礎上對緩存、I/O等設計進行修改。這是ARM公司提供的最廣泛的授權方式。ARM是廣為人知最昂貴的CPU內核之一。取得這種授權的公司包括高通、三星、華為、德州儀器(TI)、博通、飛思卡爾、富士通以及Calxeda等等。使用權授權的產品則是指ARM已經設計好的CPU/GPU。被授權人可以使用ARM設計好的CPU/GPU。在這一種授權中，被授權人可自由發揮的空間非常小。
2.2 ARM架構已被廣泛應用到各個領域
ARM公司的商業發展極其迅速，主要有以下幾點原因：發展早期避開Intel鋒芒，專注低功耗領域。ARM公司發展之初也在個人計算機領域做出了努力，但后來發現其產品與Intel的新品無法競爭之后，迅速轉換路徑投入了以低功耗為前提的高性能芯片的研發。早期清晰的發展路線也為ARM之后抓住智能手機爆發機遇做好了鋪墊。授權策略正確，內核授權價格低，廠商間競爭激烈。1991年ARM公司就開始了授權模式。MIPS的定價策略是內核授權很貴，而架構授權很便宜，且對指令集擴展不受限制；而ARM的定價策略是架構授權非常昂貴而內核授權很便宜，且廠商需要修改設計需要繼續付大量的費用。從實踐結果來看，ARM的授權策略優于MIPS。MIPS便宜的架構授權吸引了一批有能力通過指令集開發CPU的廠商，但由于允許廠商自行修改指令集，導致生態碎片化且互相不兼容，也極大影響了開發者和使用者的熱情；而ARM的授權模式對無能力通過指令集開發CPU的廠商十分友好，這些廠商能通過購買內核授權來快速推出CPU產品，甚至有研發能力的公司也愿意使用現成的ARM內核來集成CPU，從而大幅度降低產品開發成本和縮短開發周期。ARM的商業模式也使得進入廠商多，激烈的競爭使得ARM產品價格不斷下降，生態日趨完善。
完善的生態體系。ARM完善的硬軟件生態使得設備廠商、開發者和使用者都充滿信心。ARM架構的應用領域已十分廣泛。據2011年ARM的客戶報告統計，79億ARM處理器出貨量，占有95%的智能手機、90%的硬盤驅動器、40%的數字電視和機上盒、15%的微控制器、和20%的移動電腦。十年來，ARM市場格局變化不大。截止到2017年，已經生產的ARM架構的處理器超過1000億個，是應用最廣泛的指令集架構，也是產量最大的指令集架構。由于ARM在成本、功耗和散熱上的優勢，它對于便攜式電池供電的設備（包括智能手機、便攜式計算機和平板電腦以及其他嵌入式系統）來說十分理想。同時對于消耗大量電力的超級計算機與云計算數據中心，ARM也是一種節能的優秀解決方案。目前，ARM處理器可以在很多消費性電子產品上看到，從便攜式設備（PDA、移動電話、多媒體播放器、掌上型電子游戲和計算機）到電腦外設（硬盤、桌面型路由器），甚至在導彈的彈載計算機等軍用設施中都有它的存在。在此之外，還有一些基于ARM設計的衍生產品，包括Marvell的XScale架構和德州儀器的OMAP系列。
2016年，日本富士通宣布了研發接替“京”的“Post-K”超級計算機。“Post-K”超級計算機采用富士通與ARM公司共同開發的ARM處理器A64FX。富士通稱，他們目標是“創造出世界上最高性能的超級計算機”，“其應用執行性能是京超級計算機的100倍”。如果此應用執行速度實現，那么Post-K超算將進入百億億次級別（exascale），1 exaflops表示每秒10^18次浮點運算。
2.3 ARM在服務器領域的嘗試
從2008年開始，ARM公司開始醞釀進軍ARM服務器芯片市場的計劃。此后，AMD、三星、AWS、高通、Calxeda以及Marvell等多個公司相繼開發了ARM架構服務器芯片。但除AWS以外，其余公司的ARM服務器芯片均未在市場上有持續表現。AWS推出基于ARM架構的云計算服務。AWS在2018年正式對外發布了基于ARM架構的云服務器芯片Graviton及基于該芯片提供的EC2 A1虛擬服務器和云服務，并表示此芯片對部分工作負載能耗可降低45%。在2019年12月的AWS re:Invent 會議上，亞馬遜公布了新一代的ARM 服務器芯片 Graviton2。據介紹，AWS Graviton 2 處理器的速度比較前一代芯片提升了7倍，浮點性能提升了2倍，性能表現強悍。AMD、三星、高通、Calxeda以及Marvell等公司在ARM服務器芯片上的嘗試均未獲得成功。
從AWS和Marvell的實踐觀察，在云計算領域ARM架構芯片低功耗低成本的優勢不可小覷。但AMD、三星、高通、Calxeda以及Marvell五個公司在ARM服務器芯片領域均未獲得成功，我們認為主要有以下兩方面原因：ARM在服務器領域的生態并不成熟，Wintel聯盟牢牢壟斷計算產業生態，各類廠商更傾向于X86架構，故ARM服務器在市場推廣方面存在較大阻力。ARM服務器芯片是一個需要持續投入的產業。如高通、三星可能出于對當時情況的判斷，認為ARM服務器暫時不具備良好的市場前景，故放棄了此業務。X86服務器相較于ARM服務器而言，具有性能強的優勢，但同時也具有功耗大、成本高的劣勢。因此，ARM已經明確了其針對數據中心的Neoverse架構迭代升級策略，每一代性能提升都在30%以上，遠超X86 CPU每一代性能提升的幅度，ARM與X86之間性能上的差距將不斷縮小。
近幾年，ARM性能提升的同時，其生態也得到了較大的擴展：2018年11月開始，Windows已經開始支持64位ARM應用開發和提交，這將十分有利于ARM生態的構建。2019年6月在德國法蘭克福國際超算大會上，NVIDIA宣布支持Arm CPU，以構建具有極高能效水平的百萬兆級AI超級計算機。NVIDIA創始人兼首席執行官黃仁勛表示：NVIDIA CUDA加速的計算和Arm的高能效CPU架構的相結合，將助力HPC社區實現大幅提升，以達到百萬兆級。Arm架構服務器的開源應用
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