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挑战x86!说说ARM低功耗服务器那些事儿

  【IT168 评论】进入2010年以来,关于手机芯片巨头ARM公司要进军服务器领域的消息多了起来,其中有捕风捉影、绘声绘色的传闻,也有正儿八经的新闻发布。一个在手机领域占了90%以上份额的芯片,为什么突然对服务器感兴趣?是不务正业,还是用意高远?ARM公司及其拥趸拿什么去从英特尔们、IBM们的嘴里夺食?是不自量力,还是另有高招?

  当我们把年初以来市场上关于ARM服务器的消息传闻串起来一看,其意图不难理解,一切都是云计算和移动互联网闹的!如果我们简单地把服务器看作云计算的代表设备,手机视作移动互联网的代表设备,这两者的架构融合与互连互通也是必然所在。这也就不然理解,占据了90%以上服务器市场份额的英特尔一定要往移动嵌入式领域拓展,同样,占据了90%以上手机市场份额的ARM也一定会往后台数据中心侵袭。只是,谁的架构会一统天下,还是融合共处,现在谁也说不清,因为角力还没真正开始。

ARM的起源与崛起
▲英特尔与ARM之间的“战争”不可避免

  ARM的起源与崛起

  ARM是一种32位的RISC指令集架构(ISA),由ARM控股公司(ARM Holdings)开发,其英文全称是Advanced RISC Machine,之前则称作Acorn RISC Machine。从生产数量来看,AMR是目前使用最为广泛的32位指令集架构(ISA)。

ARM的起源与崛起
▲今天,ARM卖的是设计授权,而非芯片产品

  起初,ARM是一种用于Acorn计算机公司生产的桌面PC里的处理器,1985年4月26日,第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn公司诞生,由美国加州SanJoseVLSI技术公司制造。但在随后的市场上,当x86架构一统PC江湖之后,ARM在这一市场就销声匿迹了。

  不过,ARM并没有消亡,相反,它在许多低功耗的应用领域找到了更合适的位置。多年来,凭借体积小、低成本、低功耗、高性能的优势,ARM几乎垄断了移动和嵌入式电子设备芯片市场。据统计,到2007年,全球每年售出的10多亿部移动电话中,大约有98%至少使用了一颗ARM处理器。到2009年,在所有嵌入式32位RISC处理器中,ARM也占据了大约90%的份额。目前,ARM在消费电子领域中已经使用得非常广泛,包括PDA、移动电话、数字媒体和音乐播放器、手持游戏机、计算器以及计算机外设,如硬盘和路由器。

ARM的起源与崛起
▲ARM几乎垄断了手机和嵌入式芯片市场

  这几年,ARM在智能手机芯片领域大行其道,其低功耗的Cortex-M、高性能的Cortex-A、均衡的ARMv7和ARMv9等不同产品线占据了通信、电源管理、存储控制等手机内的不同阵地。目前,95%的手机市场和85%的智能手机市场均属于ARM,比如iPhone 3GS、Palm Pre以及频率高达1GHz的东芝TG-01等最新顶级智能手机实际上都是基于Coretex-A8核心。但是,ARM并不满足于此。2009年,ARM宣布借其具有低功耗、低成本的芯片产品进军上网本、智能本等便携式智能设备市场。如今,ARM又开始将手伸向了服务器、Web2.0数据中心等企业级市场。

  我们再来看看服务器领域!据最新统计,英特尔的至强芯片在全球市场上拥有高达93.5%的惊人份额,第二位的AMD Opteron仅占6.5%,在统治了x86服务器及PC市场之后,英特尔近两年也开始向移动和嵌入式领域拓展,试图用IA架构来统一多种计算平台。这样一来,随着ARM开始进军上网本、服务器市场,智能手机芯片霸主和计算芯片巨头之间的冲突与竞争也开始显现,而且会越来越明显,毕竟未来云计算、移动互联网、物联网等全新模式背后都蕴藏着巨大的商机。

  不过,跟服务器芯片领域的英特尔、AMD、IBM的做法不同,ARM公司本身并不制造和销售芯片,而是以数千万美元的价格,以IP核产品授权方式将设计方案提供给合作伙伴。当前以及过去拥有ARM授权许可证的厂商包括:阿尔卡特朗讯(Alcatel-Lucent), 苹果(Apple Inc.), Atmel, Broadcom, Cirrus Logic, Digital Equipment Corporation, Freescale, Intel (through DEC), LG, Marvell Technology Group(迈威尔科技), 微软(Microsoft), NEC, Nuvoton, NVIDIA, NXP (previously Philips), Oki, 高通(Qualcomm), 三星(Samsung), 夏普(Sharp), STMicroelectronics, Symbios Logic, 得州仪器(Texas Instruments), VLSI Technology, Yamaha and ZiiLABS。

  ARM处理器是由ARM公司和被ARM授权的公司共同开发的。其中,由ARM控股公司开发的重要产品包括ARM7, ARM9, ARM11和Cortex。由授权厂商开发的ARM处理器包括DEC StrongARM, Freescale i.MX, Marvell (formerly Intel) XScale, Nintendo, NVIDIA Tegra, ST-Ericsson Nomadik, Qualcomm Snapdragon以及Texas Instruments OMAP产品线等。

ARM的起源与崛起
▲从当前的A8、年底的A9到两年后的A15 ,性能将翻5倍

  2010年可以被视作ARM服务器的“元年”,自年初ARM公司CEO Warren East宣布将在未来12个月内推出基于ARM芯片的服务器以来,市场上相关的新闻和消息就多了起来,且大多与谷歌、Facebook、苹果等互联网企业相关,因为这些企业的大型数据中心对低功耗服务器的需求急为迫切。最近,AMR公司又发布了新一代的芯片设计Cortex-A15 MPCore(代号Eagle,即老鹰),目标直指包括家庭服务器、Web2.0等在内的低功耗服务器市场。

  ARM服务器的那些事儿

  ARM宣布下一代芯片A15主频达2.5GHz

  2010年9月9日,ARM公布了下一代芯片设计Cortex-A15 MPCore(代号Eagle,即老鹰),预计性能比当前高端智能手机高5倍。目前最快的ARM处理器是主频为1GHz的双核A8,主频为2GHz的四核A9预计要到今年底才出货。A15则将采用32纳米和28纳米工艺生产,可以制作双核、四核、8核、甚至16核的处理器,每一个内核的速度是2.5GHz。A15芯片支持的物理内存容量也将从目前的4GB提高到1TB。

ARM服务器的那些事儿:9月
▲A15的架构,承载着ARM在移动互联时代的新梦想

    除了高主频、多核、大内存之外,其他重要特性还包括:乱序超标量管道(out-of-order superscalar pipeline)、低延迟4MB L2大缓存、全硬件虚拟化技术、纠错(Error correction)和软容错(soft-fault recovery)能力、缓存一致性等,在浮点计算、NEON媒体性能等方面也有较大改进。如此高的性能和如此多的特性,目的是让ARM芯片能进军更广泛的云计算和移动互联网领域。ARM明确表示,Cortex-A15 MPCore主打市场包括高端智能手机和移动计算(1-1.5GHz单核或双核版本芯片)、高端数字家庭娱乐(1-2GHz双核或四核版本芯片)、家庭服务器和Web 2.0低功耗服务器(1.5-2.5GHz的四核版本芯片)以及无线网络基础设备(1.5-2.5GHz的四核、八核甚至更多核的芯片)。不过,A15芯片仍然是32位处理器设计,而非64位处理器设计。另外,A15芯片相关的智能手机及其他产品预计要等到2012年底才会问世。【Cortex-A15官网介绍

  分析师称苹果A4芯片应向低功耗服务器拓展

  2010年9月初,美国分析师们纷纷为苹果基于ARM架构的A4芯片支招,认为该芯片还可以向低功耗服务器、电视、通讯和娱乐设备等领域拓展市场。美国市场研究公司J. Gold Associates首席分析师杰克•戈尔德(Jack Gold)认为,A4可以用在小型服务器设备上,如一些不需要英特尔i3或i5那样强大性能的媒体服务器。Mercury Research公司首席分析师迪恩•麦卡伦(Dean McCarron)也表示,英特尔此前已经开始利用低功耗凌动(Atom)处理器开发服务器,而由于A4的价格低于x86芯片,因此将比凌动更有吸引力。他表示,媒体服务器不需要太高的处理性能,更多的是作为一种网络服务器,存储和提供多媒体内容。另一家市场研究公司In-Stat首席科技策略师吉姆•麦格雷戈(Jim McGregor)认为,A4还可以被用于电视或网络媒体中心的网关,用于为多款苹果设备存储并分发内容。分析师们认为,A4可以被当做一款协处理器(co-processor)来使用。苹果拒绝对A4处理器的计划发表评论。据了解,A4芯片最早于今年1月发布,并被用于苹果iPad平板电脑、苹果iPhone 4和Apple TV等产品中。这款片上系统(SoC)包含了主频为1GHz的ARM处理器和一个能支持720p视频的图形核心。苹果公司的芯片开发团队是2008年收购PA Semi时获得的,后者主要从事嵌入式低能耗芯片的开发。

  传Facebook将用ARM服务器代替x86

  2010年8月23日,传言拥有超过5亿用户的全球社交网络大鳄Facebook准备在美国俄勒冈州兴建新数据中心时,使用ARM架构服务器,替代传统的x86产品。消息称来自美国得克萨斯州奥斯丁的芯片设计公司Smooth-Stone将为Facebook定制ARM服务器芯片,而SuperMicro则会提供服务器主板。但该传言第二天被Facebook技术运营副总裁Jonathan Heiliger否认。

  ARM新一代芯片将支持虚拟化技术

  2010年8月23日,在斯坦福大学举办的HotChips高性能芯片大会上,ARM架构组成员David Brash透露,虚拟化能力将被引入到下一版ARM Cortex A型处理器开发中,代码名称为鹰。业界认为支持hypervisor等虚拟化软件运行,将有助于ARM开拓服务器市场。

  Smooth-Stone募集4800万美元开发ARM服务器

  2010年8月16日消息,美国德州创业公司Smooth-Stone募集4800万美元资金,用于开发基于ARM的低功耗服务器芯片,其投资公司包括ARM、德州仪器、阿布扎比政府投资公司ATIC,以及风险投资公司Battery Ventures、Flybridge Capital Partners和Highland Capital Partners等。Smooth-Stone成立于2008年1月,旨在通过开发ARM架构服务器芯片,为数据中心带来手机那样的电源效率。

  ARM服务器面市还要两三年市场

  2010年7月,ARM公司亚太区移动计算市场经理杨宇欣在中英信息产业研讨会上接受媒体采访时表示,服务器对于ARM而言是个全新的领域,目前仍在初期的研讨和概念验证阶段,采用ARM架构的服务器面市还要两三年的时间。

ARM服务器的那些事儿:8月
▲A9针对广泛的目标市场

  英特尔CEO称ARM不构成威胁

  2010年5月,英特尔全球CEO欧德宁在投资者日上接受分析师提问时回应称,Intel并不惧怕来自ARM这家英国无工厂企业的竞争,ARM对于Intel来说根本算不上威胁。因为ARM光靠技术专利授权,很难赚到大钱,相比之下英特尔则是身体力行地设计、制造并推广自己的平台。

  戴尔宣布测试ARM低功耗服务器

  2010年5月,戴尔宣称将对Marvell公司制造的多核心ARM芯片(基于多核心ARM Cortex A9架构的SoC片上系统处理器)进行测试,又称其在大概一年半之前已经在ARM A8架构上测试了LAMP(Linux、Apache、MySQL、Python)应用。戴尔对使用低功耗芯片来构建服务器的做法非常热衷,在2009年,Dell就推出了基于威盛Nano芯片(1.3GHz或1.6GHz)的低功耗XS11-VX8服务器,其体积相当于一块3.5英寸的硬盘,在一个标准2U机箱内可以放置12台这样的服务器,单服务器的满载功耗在30瓦以内,并在近两年内出货5000多台类似产品。

ARM服务器的那些事儿:5月
▲A9与Atom的性能对比

  IBM高管认可ARM服务器开源架构

  2010年5月,IBM创新副总裁Bernie Meyerson表示,IBM支持ARM这样新的应用于服务器的低功耗架构,并认同ARM服务器运行Linux的开放趋势,但没有透露详细产品计划。

  Marvel计划年内推四核ARM服务器芯片

  2010年5月,Marvel宣布计划年内推出40nm的多核ARM服务器处理器——基于ARM Cortex-A9架构和台积电40nm制程的四核SMP企业级SoC产品,主频为2GHz。Marvel企业集团副总裁Simon Milner表示,目前Marvel在与多家厂商进行合作,其中有一家在将Microsoft Windows服务器版本向ARM平台上迁移,另外几家则在做x86虚拟化软件的迁移。据称,新芯片的功耗只有X86处理器的五分之一,而在价格方面,多核ARM芯片售价在35美元左右,远低于需要数百美元的英特尔至强芯片。而Marvell在今年初已经推出了1GHz的Armada 310芯片,功耗只有700毫瓦,并且可以扩展到主频2GHz,而功耗也不到1W。作为ARM授权的主要合作伙伴之一,Marvell自从收购Intel的XScale ARM项目之后,已经在ARM架构方面投入重金,而且拥有数千名相关的工程师。

  ARM CEO宣称未来12个月内发布ARM服务器

  2010年4月底,ARM首席执行官Warren East在EETimes网站公开表示采用ARM芯片的服务器将会在未来12个月内发布,消息震动全球业界。

  传微软Bing数据中心可能使用ARM服务器

  2010年4月,微软在一则招聘Bing数据中心高级软件开发工程师的广告中透露,Bing Autopilot团队将设计并创建支持超过10万台服务器的软件基础架构,并为一系列在线应用提供核心平台服务。Bing Autopilot硬件团队的工作内容包括数据中心规划、SSD固态硬盘和ARM的硬件实验以及联系供应商。ARM处理器通常被用作磁盘控制器,但这则招聘广告似乎暗示,也可以将ARM处理器用作主服务器中,以节省能耗。实际上,为了打造绿色数据中心,微软在2009年2月就采用英特尔Atom低功耗芯片进行了试验。

  传苹果有意80亿美元收购ARM

  2010年4月,据London Evening Standard称,伦敦金融界盛传苹果有兴趣收购ARM。ARM向苹果的iPhone、iPod Touch 和 iPad提供芯片技术许可,同时也向包括Android和Palm在内的手机产品提供芯片架构。分析人士认为,苹果收购ARM的意义重大,可以阻止其他公司使用ARM的技术,也将冲击整个行业格局。传闻收购价或高达80亿美元,这一数字几乎占到苹果417亿美元现金流量的20%。此前有报道称苹果全部或部分收购了芯片公司Intrinsity,或与设计Pad的A4芯片有关。2008年苹果斥资2.78亿美元收购了设计公司PA Semi。对此,ARM控股公司的首席执行官沃伦•伊斯特表示,最适合ARM发展的道路就是让其作为一个独立的企业存在,任何企图收购ARM的买家都无疑是在浪费钞票,无异于“往火炕里扔钱”。沃伦•伊斯特表示使用ARM的芯片设计生产技术只需要支付数千万美元的专利费,而收购ARM的话则至少需要50亿美元。

  传谷歌收购Agnilux生产ARM服务器

  2010年4月,有消息称谷歌秘密收购了创业公司Agnilux,以生产ARM架构服务器芯片。据称,谷歌拥有超过100万台服务器,而且每年以25%的速度在增长,因此对低功耗服务器有着极其强烈的需求。

ARM服务器的那些事儿:4月
▲谷歌鲸吞Agnilux,意欲何为?

  传Agnilux正在研制ARM服务器

  2010年2月,传言称美国加州的初创公司Agnilux可能正在研制基于ARM处理器的服务器。纽约时报消息称这家公司在悄悄地从PA半导体公司“挖”设计师,PA公司于2008年被苹果以2.78亿美元收入旗下,专门设计用于iPad的A4处理器。PA半导体的创始人是DEC StrongARM芯片的一位设计工程师Dan Dobberpuhl,StrongARM类似于iPhone和iPod Touch中使用的ARM架构处理器。Agnilux的一位联合创始人是PA的首席运营官Mark Hayter。据纽约时报报道,Agnilux正在为思科公司定制服务器芯片。

  ARM宣布新一代A9芯片设计

  2009年9月,ARM宣布了双核、四核与八核Cortex-A9处理器的设计方案,这些设计分别针对高性能和低功耗进行优化,目标对准被英特尔x86芯片以及IBM PowerPC芯片所占据的服务器市场。ARM宣称Cortex-A9从Cortex-A8普遍使用的65nm工艺升级到40nm工艺,新处理器主频可高达2GHz,与英特尔Atom芯片相比,其高性能模块可以在相同功耗下速度快5倍,低功耗模块则可以在仅使用四分之一功耗的情况下,将性能提高2倍。

ARM服务器的那些事儿:4月
▲A9的架构

  ARM服务器有优势与不足

  没有金刚钻,别揽瓷器活。ARM芯片在手机和嵌入式市场取得成功,是否意味着在用户需求和生态系统都更加复杂的服务器领域也能获得一席之地呢?总结来看,ARM芯片主要凭借的是两大优势:低价+低功耗,不足则也有很多:芯片架构需要重新设计去实现更多企业特性需求如缓存一致性、容错与高可用等,软件生态环境需要重新梳理和打造,不支持64位应用等。

  两大优势:

  相对于英特尔主导的X86架构,ARM架构的最大优势在于两点:低功耗与低成本。

  由于数据中心里有1/3的支出都用于电费开支,企业对低功耗服务器的需求比较迫切,这也使得近年来英特尔和AMD开始关注低功耗服务器芯片的研发,甚至与一些企业用户联合研制基于移动芯片如Atom的服务器。ARM在这方面的优势极为明显,一般是x86芯片的五分之一。

ARM服务器有优势与不足
休眠状态Cortex-A8处理器的功耗是Atom的百分之一,正常工作状态 Atom功耗比A8大18倍。以1400mAh电池为例,基于Cortex-A8处理器的上网本休眠状态下可以运行数周,Atom只能运行0.8天,如果正常使用Atom可以运行0.4天,A8却可以运行6.9天。

  而在成本上,ARM芯片也只有几十美元,是英特尔至强处理器的十分之一。因此,对于像Google、eBay、Facebook等动辄需要成千上万台服务器的数据中心用户来说,仅凭这两点,就能够省下许多真金白银,非常有“杀伤力”,这也是为什么今年以来ARM传闻不断的根源。

  三大不足:

  1)支持软件数量少

  由于ARM属于RISC架构,但目前服务器应用最普遍的是x86架构。虽然当前实验证明在ARM平台能够运行Linux系统,但支持的应用软件数量有限,跟成熟的x86架构相比还有很大的差距,而且目前也无法支持中小企业常用的Windows Server,对虚拟化的支持也还在研究当中。因此,在操作系统和应用软件层次上,可能需要对多核ARM架构进行一些特殊的修改,而且后续的软件移植、兼容性测试与认证、产品化以及说服用户迁移等都是一个很长的艰苦过程。目前,ARM的软件生态圈主要包括Android, Adobe Flash Player, Java Platform Standard Edition (Java SE), JavaFX, Linux, Microsoft Windows Embedded, Symbian和Ubuntu, 以及超过700家ARM社区成员,提供应用软件、硬件和软件开发工具、中间件和SoC设计服务。

  2)不支持64位应用

  作为一种32位指令集架构,ARM可以用在亚马逊、Facebook等企业的32位应用中,但Google、雅虎等大型数据中心客户希望能够使用64位ARM处理器,以应付MapReduce、Hadoop等内存密集型算法。毕竟,现在大多数服务器应用已经转向64位。实际上,现有的ARM架构对大容量内存支持很有限,一般很难看到能支持2G以上内存的ARM芯片,更别说服务器方面常见的4G以上内存。

  3)ARM架构设计缺陷与性能不足

  著名云计算专家、Amazon Web Services团队成员James Hamilton认为,虽然ARM架构支持Atom尚不支持的ECC内存,但是在芯片层不支持一致性缓存(Cache Conherent),并缺少优秀的内存控制器,使的ARM芯片无法像最新的Nehalem芯片那样应对主流服务器应用。比如,由于没有缓存一致性的功能,早期的多核ARM设计芯片如Marvel MV78200,还难以支持同一个应用去利用两个核心。

  另外,虽然ARM芯片功耗极低、也更便宜,并且Cortex A9芯片已经具有四核心,主频已经达到2GHz,但性能上还不能与主流的至强、皓龙等x86服务器芯片相比,性能还需要进一步提高。

  适用范围与实例

  为了验证ARM服务器的可行性,ARM也已经搭了个linux-arm网站(点这里查看),该网站正是运行在由7台ARM服务器组成的小集群上面。据介绍,每台服务器的配置是:1颗1.2Ghz ARM处理器(Marvell MV78100,双核SOC,没有缓存一致),1块2.5英寸7400rpm SATA硬盘,1.5GB DDR2 内存(带ECC纠错,非常难得,不同于Intel Atom服务器),Debian Linux,Nginx web 代理/负载均衡,以及Apache web server。

适用范围与实例
▲这套“简陋”的WEB服务器集群里跑的正是ARM的芯!

适用范围与实例
▲早期的Google服务器模样也是相当“惨”,不过挺好使!

  总之,经过上面的分析,就目前甚至未来几年的情况来看,ARM架构还只适用于特定的服务器领域,尤其是那些服务器用量较大,对成本和功耗非常在意,应用相对简单,不需要密集计算或大内存的大型数据中心,如某些Web 2.0企业。

  这类企业大多预算充足,而且有较强的Linux技术积累和服务器定制经验,有能力去研究和测试这类服务器,投入产出比也相对较高,而且由于服务器用量大,比较容易得到ARM公司及其他芯片厂商的支持。

  而对普通企业用户而言,由于引入ARM架构会对其本身的IT环境会带来一定的影响,需要进行长期的测试、评估和验证过程,预计主流化应用还很遥远。

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