如果沒有英偉達，Arm在數據中心市場能混出頭嗎？

前不久的GTC 2021之上，老黃宣布英偉達很快將推出應用于HPC AI的中央處理器Grace——基于Arm架構。這在數據中心/服務器/基礎設施行業是個大新聞。

雖然去年到今年是Arm在各行各業大獲全勝的兩年，數據中心也頻繁出現Arm的身影——比如亞馬遜自研的Graviton2處理器基于Arm，富士通面向HPC的A64FX處理器基于Arm——這些在《Arm的十年PC征程，和微軟的“曖昧”》一文中就有所提及。

但英偉達在數據中心的分量，幾乎將Arm推到了最前線，多少有點兒很快就能把根植于該市場的x86拉下馬的意思。有關英偉達的Grace，很快我們會發表另一篇文章做單獨評論，即便個人認為Grace著力的市場具有相當強的針對性。本文嘗試呈現，拋開Grace不談，Arm如今在服務器市場，究竟已經發展到了何種程度。

Arm第一次認真對待服務器市場

Arm一直以來就有突破移動與嵌入式市場的野心，只不過就像Arm在PC之上的10年征程那樣，這個過程是需要不斷試錯的。英偉達探索高性能CPU/SoC也不是今天才開始的，在10多年前英偉達就曾宣布過一個叫做Project Denver的項目，旨在與Arm合作面向HPC（高性能計算）市場推CPU產品。

不止是英偉達，高通也曾推出基于Arm架構的Centriq處理器，面向企業和服務器市場；Cavium的ThunderX此前也算是知名的Arm服務器芯片；還有博通的Vulcan，AMD的Opteron A1100......雖然它們中的大部分都失敗了。感覺從這些項目初期展示的PPT來看，Intel早就應該縮在墻角顫抖了。但事實上，Arm在這一領域始終沒能真正走入主流視野（雖然Arm一直宣稱自己是“基礎設施（infrastructure）”設備中市場份額最高的，包含路由器、交換機、基站、服務器等）。

到近代鯤鵬920這類服務器芯片面世，以及如今相當活躍的Ampere Computing也在推基于Arm的服務器處理器，Arm才真正在這一領域逐漸像樣起來。今年的GTC主題演講上，黃仁勛也宣布，英偉達的GPU開始和Ampere Computing、亞馬遜、聯發科等合作伙伴的CPU/SoC搭配，從云到邊緣到消費終端。雖然在接受采訪時，黃仁勛說Grace并不會多大程度影響到現有客戶，但這明擺著就有拆AMD/Intel墻角的意思。

Arm在服務器、基礎設施，或者說數據中心產品的試錯歷史就不多做回顧了。事實上，Arm過去雖然也一直有試探服務器市場的意思，但他們始終都沒有面向這些數據中心的基礎設施，推過專門的IP——Arm在該市場的IP，基本與面向消費市場的IP共享。

這一點其實是無可厚非的，大部分芯片制造商的同代核心IP，面向不同市場都會做較大程度的共享。但這也表現出Arm此前針對基礎設施設備并沒有明晰、像樣的市場規劃，這對生態構建本來就是不利的。

轉機出現在2018年，這一年10月份的TechCon上，Arm正式宣布推出Neoverse系列IP，面向服務器市場，從云到邊緣。與此同時還公開了未來3年的產品路線圖，如上圖所示。Arm Neoverse可以理解為服務器版的Arm Cortex。

這張圖列出了一年一迭代的Neoverse版本，比如2019年代號為Ares的處理器核心IP，也就是Neoverse N1。Arm最早的時候宣布，未來每年迭代都將實現30%的性能提升——聽起來比旁邊的Cortex系列平均增速要快些，也比競爭對手更快。后來的發布會上，Arm又宣布N1性能提升，實際相比2018年的Cosmos高出了60%（不過Cosmos據說并不指代一個專門的架構），是原目標的2倍提升——基于SPEC2017整形測試（SPECspeed2017_int_base）。到今年發布的N2，提升速度似乎又超預期了，后文還將探討更具體的微架構變化。

2019年2月份，Arm正式宣布推出Neoverse N1與E1平臺——這應該是Arm對服務器市場改朝換代的開始。

當然光換個名字肯定是沒用的，此前多篇探討Arm發展史的文章中，我們都談到了近代Arm的核心IP，在保持低功耗特性的前提下，在高性能方面也有了突破。即便一般的芯片制造商無法做到蘋果M1那種程度，高通驍龍8cx也已經有了應用于PC的可行性。起碼如今這個時代，和10年前英偉達Project Denver時代（Cortex-A15時代）還是有根本差別的。

2018年這一年，Arm向市場推出Cortex A76核心IP，這應該是眾所周知的了——高通面向PC所推的驍龍8cx就應用了Cortex A76微架構。次年問世的Neoverse N1實際上就屬于Cortex A76微架構的變體，或者說基于Cortex A76。

Austin家族微架構（選讀）

這兩者都來自Arm奧斯汀設計中心，都屬于Austin家族微架構，基于ARMv8指令集。事實上Cortex與Neoverse后續更新版本，包括Cortex A78、Neoverse V1應當都屬于Austin家族，今年預計要推向市場的新一代Neoverse Poseidon才會采用全新的微架構。

Neoverse V1和Cortex A76一樣都采用4-wide取指/解碼，11級管線深度，可在需要時縮減至9級。前端、后端的區別都不大。

兩者區別比較大的部分主要在存儲、連接方面——作為服務器處理器，這也是必然的。L1-I cache做到硬件級別的完全一致性（coherency），這屬于面向虛擬環境性能的改進。L2新增1MB可選大小（A76是512KB），針對存儲敏感型應用。

存儲層級結構發生了比較大的變化。N1 CPU是連接到mesh網絡之上的，即CMN-600（CMN-600是Arm最早于2016年發布的SoC互聯IP，全稱叫coherent mesh network；如上圖所示，連接中間經過了CAL以及mesh網絡的XP交叉點；每個CAL層至多連接2個N1——即兩核為一簇）。在Arm的參考設計中，后續再連接到系統級緩存——SLC（system level cache）slice，每簇2MB，參考設計64核N1總共64MB SLC。

這張圖來自Wikichip，結構描繪上更為清晰

N1去掉了L3和DSU（DynamIQ Shared Unit）的監聽過濾（snoop-filter）邏輯，CPU核心直接連接到CMN的CHI接口。這樣一來內存控制器和CPU核心之間的通訊，只需要經過mesh網絡。這好像也屬于服務器CPU的標配。

7nm工藝也是與上述設計內容配套的，核心面積整體上還是很小。另外，Neoverse N1一個比較大的變化是最高頻率往上提了，發布時是說達到3.1GHz，電壓也需相應提高，提供更高的單線程性能——頻率提高19%，實際上需要44%的功耗為代價，這也很能表現Arm在頻率與功耗的關系上，并沒有什么魔法。亞馬遜Graviton2就是基于Neoverse N1的芯片，CPU核心頻率只選擇了2.5GHz。

基于消費級產品提升頻率，和Intel、AMD這種傳統服務器CPU供應商的思路就不同了：x86市場的這兩名玩家，其服務器CPU微架構也與消費CPU共享，但服務器CPU卻是拉低核心頻率的。這與雙方在消費市場的定位還是有很大關系的。

不過即便是這樣，功耗還是有優勢，Arm此前宣稱64核的N1參考設計總功耗大約為105W；Arm公開其64核參考設計SPECint_rate2006吞吐測試得分1310分，整數延遲得分（SPECint2006）37分，還是能夠表現Arm能效方面的優勢的。

對于networking和存儲服務器，Arm推薦8-32核N1設計，TDP 25-65W；類似5G基站邊緣端側設備，16-64核目標設計，TDP 35-105W；對于超大規模數據中心而言，N1目標設計64-128核，TDP >150W。

Arm的Neoverse N1平臺參考設計64核心，外加前面提到的CMN-600 mesh網絡和64MB SLC緩存。臺積電7nm工藝制造64核N1參考設計的die size已經快要接近400mm²了，Arm也因此推薦chiplet那樣的設計，chiplet die之間通過CCIX互聯來通訊。

另外Neoverse N1平臺設計中，可集成SmartNIC——加速網絡連接還是如今實現數據中心高吞吐的重要因素（看看英偉達現在都在宣傳些啥）。CMN-600可連一些固定功能加速IP。通過CCIX連接第三方IP，可實現存儲一致性。更多特性不再列舉，屬于服務器RAS、安全等相關的。 

Arm服務器CPU的效率現在怎么樣？

早前的Arm服務器處理器IP核心不夠主流，很大程度上在于性能和效率都不怎么樣。硬件層面的性能和功耗表現，是爭奪這塊市場的基本要求。

能了解服務器CPU性能的渠道不多，像亞馬遜Graviton2這種芯片都還是亞馬遜自用的。不過隨Arm這兩年在服務器市場的活躍，像AnandTech這樣的外媒也開始把性能測試觸及到了服務器、基礎設施處理器產品之上。

事實上，2018年Cavium的ThunderX2被AnandTech認為是這一領域，Arm平臺首次可與Intel、AMD相提并論的處理器產品。此后亞馬遜Graviton處理器的出現也表明，Arm處理器是可以成為服務器領域的主流的。

除了亞馬遜Graviton2，在Neoverse N1實施方案中，比較具有代表性的應該是Ampere Computing最新的 Altra產品線。去年的Altra Q80-33就是用來對標Intel、AMD在服務器市場的高端產品的。

Altra Q80-33主頻最高3.3GHz，80核心；CMN-600 mesh互聯，每核心L2選配1MB，以及32MB SLC——每核心分配到的SLC可能少了點。I/O以及更高的系統層面就不做介紹了，Ampere打造的Mount Jade，2-socket 2U機架服務器，有興趣的可以去查一查外圍的配置。

值得一提的是，這顆處理器的TDP標250W，實際上它并不是指常規負載的平均功耗，而是峰值狀態下的平均功耗。其實際功耗大部分情況下低于250W，AnandTech認為按照Intel、AMD的標法，Altra Q80-33的TDP應該在200W左右。

與之對應，Intel前不久剛剛發布的Ice Lake-SP至強處理器，高配型號的TDP 270W（最高配8380為40核心，十代酷睿的Sunny Cove架構）；AMD上個月推代號Milan的EPYC處理器，TDP 280W（最高配64核心，Zen 3架構）。如果光從高配版處理器的售價來看，Ampere Altra的性價比還是高出了一大截的。

AnandTech最近剛剛測試了Ice Lake-SP，參測的還包括AMD Milan、Ampere Altra，以及亞馬遜Graviton2。測試項分成多線程性能（SPECint2017/SPECfp2017 Base Rate-N）、單線程性能（SPEC2017 Rate-1）、每核心性能（針對per core licensing）、JAVA性能（SPECjbb MultiJVM）、LLVM編譯、NAMD性能。有興趣的可前往了解，這里就不列出具體的成績了（因為篇幅原因，上圖只列出了整數多線程性能/單線程性能）。

單看x86平臺，自從AMD Zen 2問世以來，Intel至強處理器在性能上表現出了全方位的乏力。上一代AMD EPYC和Intel至強，在性能上拉開了比較大的差距。這一代Intel稍稍趕上了一些，但在旗艦產品上，整體仍然存在差距。Intel現在愈發強調系統性能，從自身包括存儲、軟件優化等方面的優勢，彌補CPU本身的弱勢，所以AnandTech的測試可能仍然是比較片面的。而且今年下半年規劃中的Sapphire Rapids會很快上線。這是題外話了。

基于Arm Neoverse N1的Ampere Altra是能夠和AMD上一代Rome架構64核的EPYC打得有來有回的。Neoverse在每核性能上還是與x86平臺有差距；此外Altra在存儲敏感型測試中的表現并不怎么樣，與其cache配置相關（以及可能與mesh互聯有關）；另外Ampere在整體系統方案上，雙socket擴展還是不能和Intel/AMD比。不過偏算力的負載場景下，Altra更多的核心則有優勢；能效方面，如前所述相比x86平臺有功耗方面的顯著優勢。 

特別值得一提的是，Arm平臺的服務器處理器還存在價格上的顯著優勢。與此同時，Ampere今年還計劃推一款Altra-Max，采用128個Neoverse-N1核心，屬于Arm設計目標頂配。

雖說以Ampere Altra為代表的Arm處理器仍在性能表現的某些方面不及x86（主要是AMD），但已經真正意義上對x86的服務器市場構成相當嚴肅的威脅了。

需要指出的是，加強生態構建是Arm的當務之急，不管是與軟硬件合作伙伴加強合作，還是制定規范。在前兩年發布Neoverse之時，Arm還發布了ServerReady合規認證計劃，幫助用戶做Arm服務器系統的安全、合規部署。

Neoverse N2與V1的發布

GTC大會上，英偉達表示Grace CPU會采用新一代的Neoverse架構，但沒說具體是什么架構。按照計劃表，去年9月份，Arm發布了新一代的Neoverse架構。除了N1迭代N2，這次新加了一個V系列：代號Zeus的Neoverse V1。

Neoverse V1是基于Cortex X1的性能向微架構。和Cortex X1一樣，在PPA三者的指針上，Neoverse V1也更偏向性能，部分犧牲了功耗和面積。所以其設計方向和N系列是存在差別的。因此V1有著更大的cache、核心結構。Arm的數據提到，V1相比N1有著50%的IPC提升，在這個時代下還是相當巨量的，實際產品提頻過后要在每核性能上擊敗x86應該已經不是問題了。

另外V1會成為首個支持SVE（ScalableVectorExtension）的Arm核心。此前富士通的A64FX已經率先做出這方面的支持，V1的SIMD單元寬度是A64FX的一半。除此之外，V1也引入了Bfloat16格式支持。

而N1迭代款的N2則持續專注于PPA均衡發展，與Neoverse N2對應的Cortex家族微架構還未發布，N2代號為Perseus。據說去年年底Arm就開始做N2架構的授權了。N2的目標設計最高核心數已經達到了192個，且TDP增至350W。這應該是也是堆料的突破，英偉達的Grace CPU是極有可能應用N2這個方案的。

AnandTech猜測，Neoverse N2可能會應用ARMv9指令集+SVE2支持。另外，原本規劃中今年要推出的代號為Poseidon的5nm芯片預計會延后至明年。如今Neoverse的規劃已經在有序推進了。即便沒有英偉達，Arm玩轉數據中心市場似乎也是早有預謀的，而英偉達顯然會成為這一行動的助推器。

責編：Luffy Liu