數(shù)據(jù)中心“芯片”競(jìng)爭(zhēng)格局

隨著人工智能及大數(shù)據(jù)崛起，數(shù)據(jù)中心日益龐大，儲(chǔ)存容量也因疫后數(shù)位轉(zhuǎn)型加速而大幅成長(zhǎng)。另一方面，智能型網(wǎng)路卡與資料處理器所代表的新興加速運(yùn)算裝置預(yù)料也將帶動(dòng)伺服器硬體加速成長(zhǎng)，掀起資料中心運(yùn)算架構(gòu)變革潮。CPU核心數(shù)增加以優(yōu)化記憶體應(yīng)用、提升高效運(yùn)算能力成為重要課題。

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CPU發(fā)展史堪稱Intel和AMD「雙雄爭(zhēng)霸」的發(fā)展史，可分為4位微處理器、8位微處理器、16位微處理器、32位微處理器及六64位微處理器等。Intel于1971年推出世上第一款微處理器4004，是包含2300個(gè)晶體管的4位CPU。

17年前，第一顆雙核心X86處理器問(wèn)世，AMD推出首款Opteron雙核處理器，Intel也推出雙核處理器，開啟CPU多核處理器（Multi-Core Processor）時(shí)代。在多核處理器的競(jìng)技上，Intel多半保持領(lǐng)先，但約6年前AMD重返伺服器市場(chǎng)，搶先對(duì)手推出32核心伺服器處理器EPYC，刷新Intel的24核心紀(jì)錄。迄今，雙雄爭(zhēng)霸互有勝出。

過(guò)去，單顆CPU核心數(shù)不夠多，處理能力相對(duì)較弱，只能以增加CPU顆數(shù)的方式搭配高效能應(yīng)用伺服器，組成更多CPU核心的運(yùn)算叢集以提高伺服器處理效能。當(dāng)CPU核心數(shù)達(dá)64核心，代表一臺(tái)64核單路伺服器就能協(xié)助企業(yè)執(zhí)行各種復(fù)雜運(yùn)算或高密集運(yùn)算工作。

X86處理器在隨后的發(fā)展中逐步推展大量平行運(yùn)算或浮點(diǎn)運(yùn)算可視化、AI、深度學(xué)習(xí)等應(yīng)用，之后，圖形處理器（GPU）出現(xiàn)，智能型網(wǎng)路卡（SmartNIC）與資料處理器（DPU）等新興加速運(yùn)算裝置陸續(xù)分食X86處理器的運(yùn)算工作，催化新一波伺服器硬體加速變革。

另一方面，為迎合DPU市場(chǎng)需求，業(yè)者必須快速提升伺服器的處理能力，增加伺服器CPU核心是最簡(jiǎn)單也最容易的方式。

此外，AI與特定運(yùn)算的需求越來(lái)越大，加上物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)路傳輸數(shù)據(jù)的安全性需求增高，處理器架構(gòu)也必須全面翻新才能因應(yīng)市場(chǎng)需求。市場(chǎng)上的CPU分為兩大陣營(yíng)，一是以Intel、AMD為首的復(fù)雜指令集CPU，二是以IBM、ARM為首的精簡(jiǎn)指令集CPU，除了品牌相異，產(chǎn)品架構(gòu)也不盡相同，Intel、AMD CPU為X86架構(gòu)，IBM CPU為PowerPC架構(gòu)，ARM則是ARM架構(gòu)。

由于AI加速芯片和資料處理芯片(DPU)加入運(yùn)算陣容，新一代異質(zhì)運(yùn)算架構(gòu)逐步成形。因應(yīng)全數(shù)據(jù)料中心高效能運(yùn)算、云端與AI運(yùn)算需求，帶動(dòng)運(yùn)算力更強(qiáng)大、更高效的伺服器需求。Intel稱霸半導(dǎo)體界十余載，如今，X86中央處理器統(tǒng)治資料中心運(yùn)算架構(gòu)的局面已然松動(dòng)。

圖一: Arm推出新Armv9 架構(gòu)CPU（source：Arm）

AI時(shí)代處理深度學(xué)習(xí)需要運(yùn)用復(fù)雜運(yùn)算，「效能」與「能耗」成為企業(yè)亟需解決的兩大問(wèn)題，因此衍生出GPU、FPGA及ASIC 等異質(zhì)運(yùn)算架構(gòu)。異質(zhì)運(yùn)算是指系統(tǒng)使用不同的計(jì)算單元，如CPU、GPU、DPU、VPU、FPGA、ASIC等，不同運(yùn)算工作需要交由符合需求的專用處理器執(zhí)行才能大幅提升運(yùn)算效能或改善能源使用效率。

近年來(lái)，異質(zhì)運(yùn)算的定義越來(lái)越多元，也包含使用不同架構(gòu)的處理器及使用不同處理器架構(gòu)的伺服器解決方案，主要目的是在最短時(shí)間內(nèi)快速解決特殊工作負(fù)載，比方Arm架構(gòu)處理器不只具有運(yùn)算核心數(shù)量較多、功耗較低等優(yōu)勢(shì)，也更容易與Arm架構(gòu)行動(dòng)裝置互通有無(wú)，順暢溝通。

采用不同處理器架構(gòu)相當(dāng)于進(jìn)階版的異質(zhì)運(yùn)算，除了X86架構(gòu)，還有Arm架構(gòu)處理器等替代方案可以搭配各類新運(yùn)算產(chǎn)品。隨著晶圓代工商業(yè)模式成主流，AMD與蘋果(Apple)似已威脅到Intel的霸主地位，過(guò)去2年，幾大龍頭業(yè)者也陸續(xù)推出新的CPU產(chǎn)品及異質(zhì)運(yùn)算架構(gòu)解決方案。

從數(shù)據(jù)面觀察，不難看出數(shù)據(jù)中心運(yùn)算架構(gòu)商機(jī)可期，幾大龍頭業(yè)者也為加速搶灘而動(dòng)作頻頻。IDC《全球邊緣運(yùn)算支出報(bào)告》指出，2022年全球邊緣運(yùn)算支出預(yù)計(jì)達(dá)1760億美元，較2021年成長(zhǎng)14.8%，至于企業(yè)和服務(wù)供應(yīng)商在邊緣解決方案的軟硬體及服務(wù)支出預(yù)計(jì)在2025年達(dá)到2740億美元的水準(zhǔn)。由于邊緣部署具有多樣化需求，為技術(shù)供應(yīng)商創(chuàng)造極大商機(jī)，預(yù)料市場(chǎng)將出現(xiàn)更多新的解決方案。

以企業(yè)端來(lái)說(shuō)，2022年邊緣投資大宗包含制造營(yíng)運(yùn)、生產(chǎn)資產(chǎn)管理、智能電網(wǎng)、全通路營(yíng)運(yùn)、公共安全與緊急應(yīng)變、貨運(yùn)監(jiān)控和智能交通系統(tǒng)。預(yù)估2020-2025年，公共基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)、網(wǎng)路維護(hù)、解剖診斷和AR 輔助手術(shù)等領(lǐng)域支出成長(zhǎng)較快。IDC進(jìn)一步指出，美國(guó)將成邊緣解決方案的最大投資者，預(yù)計(jì)2022年支出達(dá)765億美元，西歐和中國(guó)則是第二大地區(qū)，支出總額分別為306億美元和208億美元。

DIGITIMES Research則預(yù)期，2022年下半年IC短缺可望緩解，由于北美云端業(yè)者、大型資料中心(如字節(jié)跳動(dòng)、BAT)對(duì)伺服器需求強(qiáng)勁，加上Intel、AMD新一代CPU 2021下半年起小量出貨帶動(dòng)換機(jī)潮，全球伺服器出貨量呈現(xiàn)強(qiáng)勁成長(zhǎng)力道。

幾大龍頭廠近2-3年動(dòng)作頻頻，較勁意味濃厚。Arm于2021年發(fā)表全新Armv9架構(gòu)的全面運(yùn)算解決方案，帶來(lái)次世代沉浸式與互動(dòng)式體驗(yàn)，提供更高的運(yùn)算效能、安全性與擴(kuò)充性。Arm推出Cortex-X2、Cortex-A710及Cortex-A510三款CPU產(chǎn)品，提升筆電效能及智能電視用戶體驗(yàn)，也為手游提供高效率的電池續(xù)航力。

圖二: 英特爾首度在PC X86架構(gòu)處理器上推出具有大小核心的異質(zhì)架構(gòu)處理器（source：Intel)

Arm資深副總裁暨終端產(chǎn)品事業(yè)群總經(jīng)理Paul Williamson 表示，Cortex-X2 是第一顆Armv9旗艦CPU，與Cortex-X1相較，效能提升16%，機(jī)器學(xué)習(xí)效能則提升二倍，預(yù)計(jì)帶來(lái)逾30%的峰值效能，可以同步滿足高階智能手機(jī)、筆電需求；Cortex-A710則是第一顆基于Armv9 的大核CPU，與Cortex-A78相比，能源效率提升30%、效能提高10%；Cortex-A510是首次推出的高效率小核核心，效能增加35%，機(jī)器學(xué)習(xí)效能更提升逾三倍，適合運(yùn)用于智能手機(jī)、家用及穿戴裝置。

Arm也推出四款GPU新品：Mali-G710、Mali-G610、Mali-G510及Mali-G310。與Mali-G78相較，Mali-G710的效能提升20%、機(jī)器學(xué)習(xí)效能提高35%、能源效率提高20%，主攻高階智能手機(jī)與Chromebook市場(chǎng)；Mali-G610承襲Mali-G710功能但價(jià)格更親民；Mali-G510不僅效能提升，耗電量也節(jié)省22%，鎖定中階智能手機(jī)、高階智能電視與機(jī)上盒市場(chǎng)；Mali-G310則是將Valhall架構(gòu)與高品質(zhì)繪圖技術(shù)導(dǎo)入成本較低的入門智能手機(jī)、擴(kuò)增實(shí)境裝置與穿戴裝置。

2021年底，Intel發(fā)表Alder Lake第12代Intel Core桌上型6款處理器，在伺服器虛擬化及軟體定義化架構(gòu)下陸續(xù)加入X86指令集，讓X86處理器可以承擔(dān)資料中心多數(shù)的運(yùn)算負(fù)載。這款首度使用Intel 7納米制程的混合架構(gòu)CPU產(chǎn)品命名第12代Intel Core i9-12900K，堪稱「地表最強(qiáng)游戲處理器」，16核心包含效能核心（P-core）及效率核心（E-core），也是X86架構(gòu)個(gè)人電腦處理器首度使用大小核心設(shè)計(jì)。市場(chǎng)評(píng)估，Intel此舉將掀起新一輪競(jìng)賽，尤其大小核心的混合架構(gòu)設(shè)計(jì)，直接挑戰(zhàn)2020年蘋果發(fā)表的自研芯片M1，向其他龍頭大廠示威的意圖也很明顯。

在此不得不提CPU兩大陣營(yíng)外的第三方新勢(shì)力：蘋果(Apple)，以及蘋果掀起的異質(zhì)核心(大小核心)概念。蘋果于2020年發(fā)表采用Arm架構(gòu)設(shè)計(jì)的自研芯片M1后，異質(zhì)核心（大小核心）概念引起全球關(guān)注。M1系列處理器具有兩大特點(diǎn)，一是異質(zhì)核心概念讓電腦可以視工作吃重度不同，將適合的工作內(nèi)容分派給大核心或小核心處理，這般「適才適性」的處理方式大大降低機(jī)器耗能，提高運(yùn)算最佳化效能；二是統(tǒng)一記憶體架構(gòu)，透過(guò)M1 MAX，CPU跟GPU（顯示芯片）可以同步共享64GB記憶體，達(dá)資料存取頻寬最大化效能。

圖三: 全系列新款A(yù)MD Ryzen 6000系列處理器（Source：AMD）

緊跟在Intel之后，AMD在2022年初發(fā)表全系列新款A(yù)MD Ryzen 6000系列處理器，全新Zen 3+核心架構(gòu)內(nèi)建全新AMD RDNA? 2架構(gòu)的顯示核心。AMD Ryzen 6000系列處理器采用臺(tái)積電6納米制程技術(shù)，帶來(lái)1080p 3A級(jí)游戲體驗(yàn)以及超長(zhǎng)的電池續(xù)航力。此外，AMD也發(fā)表新款Ryzen 7 5800X3D桌上型處理器，采用AMD 3D V-Cache技術(shù)，并率先采用Zen 4架構(gòu)與全新AMD Socket AM5插槽的新款Ryzen 7000系列CPU。Ryzen 6000系列處理器的時(shí)脈速度高達(dá)5 GHz，堪稱目前速度最快的AMD Ryzen處理器，與Ryzen 5000系列相比，處理速度提高1.3倍，顯示效能提高2.1倍。

AMD在GPU和CPU運(yùn)算核心部分都能提出效能更好的架構(gòu)，如Zen和RDNA架構(gòu)。繪圖處理器GPU可以負(fù)責(zé)處理電腦顯示繪圖相關(guān)項(xiàng)目，Zen架構(gòu)可協(xié)助電腦在執(zhí)行網(wǎng)頁(yè)瀏覽、多工作業(yè)及串流視訊應(yīng)用時(shí)更快速處理顯示速度，RDNA架構(gòu)有助CPU更快速處理數(shù)據(jù)運(yùn)算與執(zhí)行指令。

英偉達(dá)(NVIDIA)則在2021年推出首款基于Arm架構(gòu)打造的NVIDIA Grace CPU，針對(duì)AI及高效能運(yùn)算工作負(fù)載所設(shè)計(jì)，也是目前唯一支援NVLlink傳輸介面的CPU，可以和GPU搭配運(yùn)作。NVIDIA創(chuàng)辦人暨執(zhí)行長(zhǎng)黃仁勛表示，要將Arm架構(gòu)芯片拓展至云端運(yùn)算、超級(jí)運(yùn)算、個(gè)人電腦及自動(dòng)化系統(tǒng)等領(lǐng)域，資料中心產(chǎn)品線將由CPU、GPU、DPU等三種芯片組成，NVIDIA架構(gòu)平臺(tái)將同時(shí)支援X86跟Arm。

預(yù)計(jì)2023年初上市的NVIDIA Grace CPU運(yùn)算效能優(yōu)于目前效能最快的超級(jí)伺服器約10倍的速度，可滿足自然語(yǔ)言運(yùn)算、推薦系統(tǒng)及AI超級(jí)運(yùn)算等先進(jìn)運(yùn)算需求，同時(shí)可以整合Arm CPU 核心架構(gòu)和低功率記憶體次系統(tǒng)，兼具高效與節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

雖然幾大龍頭業(yè)者競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)明顯，但各自著眼的產(chǎn)品發(fā)展策略不同，比方AMD走小芯片(Chiplets)路線，蘋果選擇M1 Max單一芯片，前者走小眾化路線，后者強(qiáng)調(diào)「數(shù)大便是美」，在432平方公厘面積的M1芯片內(nèi)布建高達(dá)570億電晶體，功耗僅約90W。

數(shù)據(jù)顯示，M1 Max GPU足以匹媲美AMD與Nvidia的高階GPU。在Intel發(fā)表異質(zhì)核心X86處理器后，X86架構(gòu)往前推進(jìn)一大步，未來(lái)CPU效能還有拓展空間，至于AMD等強(qiáng)敵未來(lái)是否跟進(jìn)異質(zhì)架構(gòu)，對(duì)于市場(chǎng)及相關(guān)技術(shù)發(fā)展帶來(lái)何種變數(shù)，值得觀察。

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