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Intel V.S. ARM 64bit微服务器市场卡位战
功耗、效能追逐赛

【作者: 陳韋哲】2013年07月30日 星期二

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就像是原本两个不同国度的陌生人突然交会,迸发出许多不同的化学反应,这样的例子用来形容ARM与Intel或许再适合不过了。两家公司分别在PC及行动装置领域各自占领一片天,其中ARM不像Intel自行生产处理器,是以出售IP(硅智财)芯片技术的方式授权给其他厂商,如今两方却在服务器市场这个交会点狭路相逢,特别是在2012年ARM与AMD(超威)首度携手合作,共同开创服务器、微型服务器领域之路。正因此举,直接让Intel绷紧了神经,非得严正以待。



图一 : Intel与ARM的正面对决从服务器开始。
图一 : Intel与ARM的正面对决从服务器开始。

对于长期处于PC产业处理器二军的AMD来说,与ARM的结合或许能够提振PC处理器业绩持续萎靡不振的危机,另一方面,ARM同时也得以将自家高效能、低功耗的优势与AMD于服务器市场多年的研发技术及经验进行垂直整合。AMD除了在2012年底按照原订计划推出x86处理器,亦将着手设计搭载ARMv8技术的64位处理器,针对高密度、省电型服务器进行优化,初期将锁定云端与数据中心服务器。


另外,随着Windows 8操作系统的发布,也让Intel知道自己不再是独获宠幸的幸运儿,面对着行动装置领域这块香甜且多汁的广大市场,微软也按奈不住这股诱人的气息,决定从Windows 8操作系统「Start(开始)」全面支持ARM架构处理器。有了这项消息,更是促使ARM决战Intel的步伐加快,因为Intel要迎战的不只是ARM这家公司,背后的ARM阵营(TI、高通、三星、Nvidia)才是最严峻的考验。



图二 : Windows8全面支持ARM架构处理器。
图二 : Windows8全面支持ARM架构处理器。

是要选择默默承受还是反击,Intel理所当然选择后者,Intel向来给人的印象皆为高效能的领航者,现在手握Atom处理器这张王牌,当然更加提高Intel对于低功耗市场的重视。面对Intel的挑战, ARM也表示已经采用新的技术来提高效能并维持一贯自豪的低功耗优势。


Intel的低功耗高效能之路

Intel的Atom处理器为了让功耗降低,在第一代「Diamondvill」推出时就抛弃x86行之有年的乱序执行架构(OOOE,out-of-order excution),改采顺序执行架构(in-order excution),减少晶体管数量。其行动平台解决方案即选择从高度整合后的Atom处理器开始,进一步在Atom处理器上整合了图型核心、视讯译码核心、内存控制器、显示输出控制器、音频加速模块、摄影镜头控制器、储存控制器与多种输入输出模块核心。


虽然Intel较晚切入手机芯片市场,但对于服务器市场并非新手。凭借其拥有丰富的计算机芯片制作设计经验,在2012年圣诞节来临前趁势推出了Atom S1200系列(为64bit服务器级的SoC整合型芯片)功耗仅6w的处理器,强调该款处理器并非锁定消费级市场,而是用来提供给高密度的微型服务器使用。



图三 : Intel推出Atom S1200系列强调功耗仅有6w。
图三 : Intel推出Atom S1200系列强调功耗仅有6w。

随着COMPUTEX2013台北计算机展的开展日将近,Intel将在展会期间发布代号为Haswell微处理器,强调Haswell的功耗将会大幅降低,且可以应用在所有类型的PC、服务器,或是平板计算机。Haswell处理器不仅功耗低且能够提供搭载Haswell处理器的笔记本电脑更长的电池续力之外,也采用全新的AVX2指令集,并改善了高速暂存内存的存取方式,可同时改善新旧程序代码的运算效能。



图四 : Haswell微处理器功耗将大幅降低,且进一步提升显示效能。
图四 : Haswell微处理器功耗将大幅降低,且进一步提升显示效能。

另外,根据消息指出,Intel正在筹备具有八个核心的全新Atom(开发代号为「Avoton」),以应付ARM在服务器领域的挑战。预计将采用22nm制程技术,并改用不同于现今的全新架构,拥有两条管线,并且是以乱序执行,在同频率下效能比起现有产品提升20%~25%,专供云端运算以及低功耗服务器领域使用。估计2013年底就可问世,这也间接代表Intel开始把更多的注意力摆在功耗和效能的平衡之上。


A50系列全面朝向64bit服务器市场

至于在ARM阵营,ARM虽授权AMD和NVIDIA 64位处理器的设计,自然也不会疏漏了自身拓展的机会,近期发布了ARMv8家族新品Cortex-A50系列芯片(这两款处理器分别是Cortex-A53和Cortex-A57),产品全面使用了64位架构设计,是目前效能最高以及功耗最低的ARM处理器,ARMv8最大的改变就是开始支持64位,内存容量限制一举突破4GB。



图五 : ARM推出Cortex-A50系列芯片抢攻64bit市场。
图五 : ARM推出Cortex-A50系列芯片抢攻64bit市场。

A57和A53同时支持32与64位指令,换言之,如果系统是支持64位,就代表可以同时执行64、32混合指令。加上,ARM宣布与台积公司首个采用FinFET制程技术生产的ARM Cortex-A57处理器已成功试生产(Tape Out),如果测试通过,就可以开始大规模生产。


ARM营销执行副总裁Mike-Inglis表示,「从32位向64位的转变中,在服务器、网络这些领域转变的速度会快一些,在行动市场的转变可能稍微慢一些。」此次ARMv8架构处理器的发布将填补其在微型服务器和数据中心领域的空白,进一步扩大ARM处理器在高效能领域的市场占有率。


ARM市场开发与营销执行副总裁Ian Drew于日前ARM在台举办的年度技术研讨会中也提到,未来5年电子科技产业将会朝向以云端运算以及Big Data为发展重点,势必引爆庞大的电信基础建设商机。对于网络服务商、数据中心及电信商服务业者而言,为了降低成本就必须严格限制设备的功耗高低与体积大小,以便让服务器的设计方向能与行动装置设备看齐。



图六 : ARM市场开发与营销执行副总裁Ian Drew(左一)认为,云端运算以及Big Data为未来发展重点。
图六 : ARM市场开发与营销执行副总裁Ian Drew(左一)认为,云端运算以及Big Data为未来发展重点。

Ian Drew同时强调ARM最新的Cortex-A50系列64位处理器核心,因应制程技术将朝向20、16nm迈进,进而在具备超高效能的同时仍能维持与前一代32位产品相同的功耗水平。可以看出ARM对于拓展服务器市场有着相当大的野心,即便采用ARM Cortex-A50的处理器,预计在2014年初才有机会问世,但与以往从发表到产品真正问世需要2年的时间相比,也算是快了许多。


低功耗高效能革命未果 软件配套仍须努力

此外,由于云端、社群网站都会使用到服务器,再加上服务器非常耗电,以致于能耗及制冷成本越来越高,必须采用更低功耗的解决方案来控制成本。目前看来,ARM处理器在低功耗方面可说是领先一步,尤其ARM的芯片面积越做越小,以及ARM的低功耗技术几乎可以达到无需使用风扇协助降温,让数据中心大幅降低冷却成本,这对目前已打入服务器市场的Intel芯片或许将形成不小的威胁。



图七 : 功耗以及效能、服务器配套软件都是影响用户选择的重要原因。
图七 : 功耗以及效能、服务器配套软件都是影响用户选择的重要原因。

不过,由于Intel已长期在市场上打下稳固基础,不少用户也已经习惯且大量使用与Intel处理器高度兼容的服务器软件,相形之下,ARM的软件生态系统较为不足,以致于服务器软件价格较高。倘若一般用户将Intel全新替换为ARM架构,大量服务器软件的更新问题将势必造成阻碍。再加上,ARM与Intel X86两者并不兼容,企业用户如果要同时维护两个不同的服务器软件系统,必然大幅提高系统维护成本。现阶段对于企业用户及一般用户来说,Intel所提供的商用方案较为完善。


制程技术是功耗致胜关键

目前对于ARM与Intel来说能有效改善处理器功耗的救命仙丹,还是以提升制程技术最为实际,加上Intel已经掌握22nm制程技术且拥有自己的晶圆厂,不仅能够有效避免产生不足的问题,更有助于加快研发处理器的时程。预估2013年第四季~2014年将正式引爆Intel与ARM 64位处理器的竞争战火,而ARM 64位芯片的致胜点将取决于台积电、三星与Intel三者之间制程技术的差距。


结论

至于未来会不会由一向是人生胜利组的ARM阵营带着在行动装置领域所获得的成功经验,复制到PC领域并改写科技历史,抑或是Intel拿下双料冠军(行动装置及PC领域),目前仍混沌不明,然而随着云端运算以及微型服务器市场逐渐热络,可预见未来低功耗市场的竞赛绝不冷场。


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