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低功耗处理器选型:ARM与X86谁是赢家?

  【IT168选型指南】在云计算等应用趋势影响下,集中式数据中心逐步向分布式架构发展,由此导致数据中心服务器数量增多,规模日益变大。在规模日益变大的数据中心中,能耗再次成为数据中心成本的关键因素,由此,低功耗服务器产品受到了各方关注。目前已经有戴尔、HP、华为等,多家服务器主流厂商都推出了低功耗服务器产品。

  担任英特尔公司至强平台主管的Dylan Larson日前对媒体说,频率更高、核心更多的处理器设计思路或许将不再风光。随着客户对“超高密度”服务器的兴趣越来越浓厚,到2015年左右,单路“微型服务器(microservers)”产品的销售将占到整个服务器市场份额的10%。

  低功耗服务器就需要低功耗处理器,这种处理器不需要提供强大的绝对性能,但一定要拥有很低的绝对功耗和超高的每瓦特性能、可扩展性以及极低的售价,这样用户就可以根据需求来配置不同数量的低功耗处理器。

  目前低功耗市场上的主要处理器平台包括英特尔ATOM和ARM。

低功耗处理器平台介绍
▲低功耗处理器选型:ARM与X86谁是赢家?

  英特尔是服务器处理器的主流生产厂商,日前也开始对低功耗处理器给予充分重视。从2008年开始,英特尔发布了针对低功耗市场的ATOM处理器,并在之后多次对该产品线进行更新。ARM 是嵌入式处理器和应用程序处理器行业的翘楚,处理器提供高性能计算能力和领先的功效,并降低了系统成本,此前在移动终端领域得到广泛应用,如今也开始进入低功耗服务器市场。

  英特尔是PC和企业级处理器市场上毋庸置疑的霸主,ARM则是在移动终端市场发展起来的新兴霸主。英特尔专注高性能,为个人用户、企业用户提供出色的性能支持,而ARM则专注低功耗,为手机和平板用户带来超长待机。对这两家厂商来说,英特尔由上至下进入低功耗服务器市场,ARM则由下往上侵入数据中心市场,那么这两家厂商的处理器平台分别有何优劣呢?

  解读英特尔ATOM处理器平台

  继2012年第四季度英特尔推出Atom S1200系列数据中心SoC平台之后,2013年9月英特尔正式推出了第二代针对数据中心应用的22纳米凌动SoC产品,它就是我们今天要介绍的主角-Avoton。

解读英特尔ATOM处理器平台
▲Atom C2000系列处理器

  Avoton只是我们对这一系列处理器的俗称,从归属来说,它的正确名称是Atom C2000系列处理器,这也是英特尔推出的第二款针对数据中心应用的、64位的、SoC平台。Atom系列本身就具备了低功耗的优势,而2013年最新的Avoton平台,英特尔将其定义在冷数据的处理方面,并提供了更好的性能和更高的能效比,同时在技术和应用方面都提供了创新。

解读英特尔ATOM处理器平台
▲Avoton架构示意图

  那么Avoton平台究竟做到了哪些技术和应用方面的创新呢?

  更多的二级缓存:早在奔腾四的年代,我们就知道二级缓存对于处理器的性能提升有多么重要。这次,Avoton采用的是双核心共享1MB二级缓存的方式。

  更高频率的内存支持:新一代的Avoton平台支持到更高频率的DDR3 1600内存,而且大多数产品为双通道。当然低端的Avoton也存在DDR3 1333和单通道的支持,同时还都能够支持超低电压版的内存。

解读英特尔ATOM处理器平台
▲更高频率的内存支持对比

  更高的处理器主频:从图表上可以直观的发现,Avoton系列中的C2750和C2550这两款产品的频率都高达2.4GHz.

  更多的PCI-E通道:Avoton将通道数量翻了一番,大部分产品都支持16条PCI-E通道。

解读英特尔ATOM处理器平台
▲消失的超线程技术

  更好的功耗比:在微处理器中,对于功耗非常敏感。新一代的Avoton平台最低提供了6W的TDP,最高TDP达到了20W.以上就是Avoton产品的技术和应用方面的创新。

  解读ARM低功耗处理器平台

  ARM的运营模式较为独特,自己不生产处理器,而是提供处理器设计架构,由合作伙伴设计制作。对ARM来说,在服务器领域较为重要的合作伙伴就包括AMD。

  AMD在服务器市场有着十余年的经验,并且首先推出了64位的x86处理器,因此它的ARM路线很清晰,并没有将精力耗费在并不符合服务器应用需求的32位ARM架构上,而是稳扎稳打,专注于64位ARM服务器芯片的研发。

解读ARM低功耗处理器平台
▲ARM处理器架构发展

  AMD主要是基于ARM Cortex-A57架构。Cortex-A57则是ARM处理器Cortex-A50系列产品。

解读ARM低功耗处理器平台
▲Cortex-A50系列产品

  Cortex-A50处理器系列产品基于ARMv8架构,而Cortex-A57则是ARM非常先进、性能最高的应用处理器,旨在进一步扩展的能力,未来的移动和企业计算的应用,包括计算密集型64位应用程序,如高端电脑,平板电脑和服务器产品。

解读ARM低功耗处理器平台
▲ARM Cortex-A57架构

  AMD于2014年初推出了代号“西雅图”的Opteron A1100处理器,成为全球首家提供64位ARM服务器处理器的公司。“西雅图”基于64位 ARM Cortex-A57架构,采用SoC单芯片设计,具有四个或八个核心,频率超过2GHz,制造工艺28nm,规格上已经全面领先当前的32位ARM芯片。

  AMD的ARM处理器并不仅仅是将32位架构升级到了64位,而是全面进行了升级。在缓存方面,“西雅图”每两个核心共享1MB L2缓存,最大4MB;所有核心共享8MB L3缓存。内存方面有着巨大创新,集成了能够支持DDR3/DDR4的内存控制器,也就是说,未来AMD ARM将支持DDR4内存,这是一个显着的进步。内存容量最大支持128GB,平均每核心16GB,使得AMD ARM为虚拟化应用做好了准备。

  其他的创新还包括“西雅图”集成了服务器caliber加密与压缩协处理器;集成PCI-E 3.0总线控制器,可支持1个x8或者两个x4接口;集成SATA 6G控制器,最多支持8个接口;此外集成了10Gb以太网接口。这种SoC系统级芯片设计大大降低了服务器的尺寸,同时降低了能耗,更加适合高密度的数据中心部署环境。

  ARM和英特尔对比

  一、指令集

  ARM和x86分别基于两种不同的指令集,目前这两种指令集都在蓬勃发展,而且都很成功--X86是复杂指令集(CISC)的代表,而ARM则是精简指令集(RISC)的代表,甚至ARM的名字就直接表明了它的技术:Advanced RISC Machine--高级RISC机。前者更加专注于高性能,而后者则专注于小尺寸低功耗领域。这两种指令集分别适用于不同的工作负载,比如在执行高密度的运算任务的时候CISC就更具备优势,而在执行简单重复劳动的时候RISC就能占到上风。

  二、性能

  X86结构的服务器无论如何都比ARM架构的系统在性能方面要快得多、强得多。X86服务器架构成熟,稳定性高,CPU主频普遍已经超过2G以上、双核、四核大行其道,目前最新的服务器处理器工艺制程已经进入22nm;而ARM方面,CPU通常是几百兆,最近才出现1G左右的CPU,制程通常使用不到65nm制程的工艺,可以说在性能和生产工艺方面ARM根本不是X86结构系统的对手。

  但ARM的优势不在于性能强大而在于效率,ARM采用RISC流水线指令集,在完成综合性工作方面根本就处于劣势,而在一些任务相对固定的应用场合其优势就能发挥得淋漓尽致。

  三、扩展能力

  X86结构的服务器采用“桥”的方式与扩展设备(如:硬盘、内存等)进行连接,而且x86结构的电脑出现了近30年,其配套扩展的设备种类多、价格也比较便宜,所以x86结构服务器能很容易进行性能扩展,如增加内存、硬盘等。

  ARM结构的服务器是通过专用的数据接口使CPU与数据存储设备进行连接,所以ARM的存储、内存等性能扩展难以进行(一般在产品设计时已经定好其内存及数据存储的容量),所以采用ARM结构的系统,一般不考虑扩展。基本奉行“够用就好”的原则。

  四、操作系统的兼容性

  x86系统由微软及Intel构建的Wintel联盟一统天下,完全垄断了服务器及个人电脑领域,形成巨大的用户群,也深深固化了众多用户的使用习惯。同时,Linux等开源操作系统也都缺省以x86平台开发。同时x86系统在硬件和软件开发方面已经形成统一的标准,几乎所有x86硬件平台都可以直接使用微软、Linux及现在流行的几乎所有工具软件,所以x86系统在兼容性方面具有无可比拟的优势。

  ARM系统几乎都采用Linux的操作系统,而且几乎所有的硬件系统都要单独构建自己的系统,与其他系统不能兼容,这也导致其应用软件不能方便移植,这一点一直严重制约了ARM系统的发展和应用。

  五、软件开发的方便性及可使用工具的多样性

  x86结构的系统推出已经近30年,在此期间,x86服务器经过飞速发展的黄金时期,用户的应用、软件配套、软件开发工具的配套及兼容等工作,已经到达非常成熟甚至可以说是完美的境界。所以使用x86服务器不仅有大量的第三方软件可供选择,也有大量的软件编程工具可以帮助您完成您所希望完成的工作。

  ARM结构因为硬件性能的制约、操作系统的精简、以及系统兼容等问题的制约,造成ARM结构服务器系统不可能像x86系统那样有众多的编程工具和第三方软件可供选择及使用,ARM的编程语言大多采用C和JAVA.

  对这一点的比较,更直接的结论是:基于x86架构的开发软件比ARM结构系统更容易、更简单、实际成本也更低,同时更容易找到第三方软件(免去自己开发的时间和成本),而且软件移植更容易。

  ARM和x86架构的服务器根本就无法对比,ARM根本就不是X86的对手。是的,如果只考虑上述几个方面的要数,ARM确实无法与x86竞争,甚至连比较的资格都没有。但是近1、2年,ARM的产品在终端应用特别是手持终端应用飞速发展(如:智能手机、平板电脑等),其销售数量已经远远超出x86结构的电脑销售数量,在服务器领域,ARM架构的服务器也广受厂商和用户关注,说明ARM架构仍然具备明显的优势。该优势就是:功耗。

  ARM和ATOM C2000平台对比

ARM和ATOM C2000平台对比
▲ARM和AROM C2000对比表

  从上面的对比表中可直观的看出,ARM Cortex-A57与ATOM C2000在核心数、主频、二级缓存、三级缓存方面没有参数上的差别,而在制程工艺上英特尔ATOM C2000则采用了业界最为领先的22nm工艺制造,ARM Cortex-A57则采用的28nm工艺制造,在工艺制程方面ARM Cortex-A57略逊一筹,但是在内存容量的对比中,ARM Cortex-A57内存容量最大可支持128GB,而ATOM C2000则只能最大支持64GB的内存,ARM Cortex-A57则在内存容量比较中扳回一城。

  低功耗数据中心发展方向用户调查

  英特尔和ARM在低功耗领域的争斗愈演愈烈,那么对于这两家厂商,诸多网友如何看待呢,我们在ChinaUnix平台上对网友意见进行了调研,大多数网友都对ARM进军数据中心领域表示看好。

低功耗数据中心发展方向用户调查
▲您对ARM进军数据中心市场的态度是?

  在针对ARM进军数据中心市场的态度问题上,有67%的企业用户表示看好,很有竞争机会;有19%的受调查者不太看好,认为x86架构很不错。当然,67%的企业用户代表了大部分的用户观点,那么为什么会有67%的用户希望ARM能够进军数据中心市场呢?

  很简单,一直以来英特尔都主导了数据中心处理器领域,而ARM的兴起,可将数据中心处理器市场带来多元化的发展,简单来说,只有市场存在竞争,才会有创新的可能,所以从竞争角度来看,ARM的出现是很好的。

  AMD公司全球副总裁兼服务器业务部总经理 Suresh Gopalakrishnan则对ARM平台表示看好,Suresh还用数据证明了他的观点。他表示对ARM充满了信心,因为历史证明体积更小、成本更低,发货量最大的CPU一直都是赢家。这句话用来说明ARM处理器的确是再合适不过了,因为仅在2013年ARM处理器就卖掉了80亿颗,而x86处理器的销量只有1300万颗,两者的差距达到了600倍以上。如今随着64位ARM的出现,未来的ARM市场一定会更加繁荣。Suresh Gopalakrishnan甚至预测说到2017年,ARM在服务器市场的占比可以达到10%;而到了2019年这个数字将增长到20-25%。

低功耗数据中心发展方向用户调查
▲在应用中,微服务器最大的问题是?

  在讨论微服务器存在的最大问题时,根据IT168调研显示,有42%的受调查者认为微服务器没有应用先例、没有完善的生态系统并且从原有平台迁移很困难,那么为什么微服务器会存在这些问题呢?

  首先,之所以很少有微服务器的应用案例,是因为微服务器还没有实现标准化,相比主流的x86服务器而言,基本上已经围绕着英特尔处理器实现了标准化,因此,微服务器在传统服务器市场份额中只是冰上一角,当然更没有什么完善的生态系统了。其次,再说说从原有平台迁移难的问题,几乎所有x86硬件平台都可以直接使用微软、Linux及现在流行的几乎所有工具软件,所以x86系统在兼容性方面具有无可比拟的优势,而ARM系统几乎都采用Linux的操作系统,而且几乎所有的硬件系统都要单独构建自己的系统,与其他系统不能兼容,这也导致其应用软件不能方便移植,这一点一直严重制约了ARM系统的发展和应用。

  采购建议

  前面我们已经比较过Intel和ARM各自的平台优劣势,从平台指标来看,两者性能和功耗上并没有特别直接的差距。对大多数企业用户来说,低功耗服务器更多应用在Web接入、CDN等应用场景。由于企业用户往往不具备强大的自主开发能力,因此选择生态圈更成熟的x86服务器来说更为可靠。

  ARM处理器的软肋就在于没有完善的生态系统,这也是为什么当下ARM服务器只存在于大型的互联网企业,因为只有这些企业才有足够的资金和技术为ARM服务器开发相应的应用。不过在Suresh Gopalakrishnan看来,ARM随着不断的发展壮大必将获得行业的支持,包括Linux、Java等许多大型软件公司都将为ARM开发相应的软件,而SoC的架构模式将使得这种开发变得更为便捷。

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