推動(dòng)ARM服務(wù)器芯片替代x86：華為、飛騰扛起國(guó)產(chǎn)化大旗！

眾所周知，我國(guó)高端通用芯片高度依賴進(jìn)口，尤其是CPU芯片，在PC和服務(wù)器領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)廠商存在感較小，基本被國(guó)際大廠所壟斷。這背后原因一方面由于高端通用芯片技術(shù)起源于海外并持續(xù)技術(shù)突破，領(lǐng)先國(guó)內(nèi)廠商較多，另一方面以英特爾為代表的海外國(guó)際大廠已經(jīng)構(gòu)建成熟商業(yè)生態(tài)并占據(jù)專利和標(biāo)準(zhǔn)制定等戰(zhàn)略高地，形成了多維度的壁壘，大幅增加國(guó)內(nèi)廠商追趕難度。

2019年華為和中科曙光等廠商被美國(guó)納入“實(shí)體清單”，科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展受制于人的境況進(jìn)一步被放大。從國(guó)家安全維度和商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)維度，我國(guó)都有高端CPU芯片國(guó)產(chǎn)化替代的強(qiáng)烈需求，國(guó)家自上而下的重視下，政府、產(chǎn)業(yè)和科研界實(shí)體積極推動(dòng)，資本市場(chǎng)也貢獻(xiàn)自己的力量，共同推動(dòng)我國(guó)高端CPU芯片國(guó)產(chǎn)化不斷推進(jìn)。

今天我們就聚焦于市場(chǎng)所關(guān)心的通用服務(wù)器的成本以及ARM服務(wù)器替代x86服務(wù)器趨勢(shì)的進(jìn)行分析。

一、服務(wù)器成本構(gòu)成簡(jiǎn)析

服務(wù)器是重要的基礎(chǔ)IT硬件，中國(guó)服務(wù)器行業(yè)快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)一線廠商正向全球拓展。依據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2018年我國(guó)服務(wù)器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到176.9億美元，同比增長(zhǎng)57.82%；2018年我國(guó)服務(wù)器出貨量約為330.93萬臺(tái)，同比增長(zhǎng)29.33%。在云計(jì)算和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)需求驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)服務(wù)器行業(yè)近年來快速發(fā)展。

放眼全球，依據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2018年全球服務(wù)器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到883.05億美元，同比增長(zhǎng)32.01%；2018年全球服務(wù)器出貨量約為1179萬臺(tái)，同比增長(zhǎng)15.72%。依靠成本優(yōu)勢(shì)，中國(guó)服務(wù)器廠商開始進(jìn)軍國(guó)際市場(chǎng)，有望帶動(dòng)國(guó)內(nèi)廠商的出貨量份額提升。

服務(wù)器是在網(wǎng)絡(luò)中為其他客戶機(jī)提供服務(wù)的計(jì)算機(jī)。服務(wù)器是計(jì)算機(jī)的一種，它是在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的控制下為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里的客戶提供共享資源（包括查詢、存儲(chǔ)和計(jì)算等）的高性能計(jì)算機(jī)，它的高性能主要體現(xiàn)在高速度的CPU運(yùn)算能力、長(zhǎng)時(shí)間的可靠運(yùn)行、強(qiáng)大的I/O外部數(shù)據(jù)吞吐能力等方面。主要為客戶提供網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、數(shù)據(jù)庫、文件、打印等服務(wù)。

服務(wù)器的硬件組成：通常服務(wù)器是以硬件的形態(tài)交付給客戶，其主要硬件組成包括CPU、內(nèi)存、硬盤（以上俗稱“三大件”）、PCI-E擴(kuò)展插槽、網(wǎng)卡、Raid卡、電源和風(fēng)扇。除硬件外服務(wù)器還需要部分驅(qū)動(dòng)管理及服務(wù)器操作系統(tǒng)的支持。

中國(guó)服務(wù)器芯片市場(chǎng)快速增長(zhǎng)。參考IDC的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，由于云計(jì)算需求旺盛，推動(dòng)服務(wù)器快速增長(zhǎng)，服務(wù)器芯片市場(chǎng)規(guī)模也持續(xù)增長(zhǎng)。2015年中國(guó)服務(wù)器芯片市場(chǎng)規(guī)模約為155億元，預(yù)計(jì)2020年達(dá)到360億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率約為18%。

參考上文中國(guó)服務(wù)器的市場(chǎng)規(guī)模和服務(wù)器芯片的市場(chǎng)規(guī)模，可簡(jiǎn)單測(cè)算出2017年中國(guó)服務(wù)器的平均單價(jià)約為29392元，單臺(tái)服務(wù)器上在芯片上的投入為8542元，則2017年單臺(tái)服務(wù)器中芯片（CPU）投入占中國(guó)服務(wù)器平均單價(jià)達(dá)到29.06%。

由于公開統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有限，我們同時(shí)取典型案例分拆服務(wù)器成本。當(dāng)前市場(chǎng)關(guān)注度最高且銷量最好的是2U的機(jī)架式服務(wù)器，我們選取國(guó)內(nèi)典型服務(wù)器品牌浪潮在京東上經(jīng)銷商優(yōu)惠價(jià)格下銷售最高的型號(hào)作為代表，其售價(jià)為28200元，接近2017年中國(guó)服務(wù)器平均單價(jià)，取其配置作為測(cè)算依據(jù)和市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相互印證。

CPU、內(nèi)存和硬盤占服務(wù)器整體價(jià)格約為60%~70%?；谏蠄D中的配置，我們?nèi)」_平臺(tái)上對(duì)應(yīng)配件的價(jià)格如下表中所述。其中CPU價(jià)格來源較少，但其對(duì)應(yīng)占比測(cè)算結(jié)果為29.70%，與上文平均值29.06%較為接近，可互為佐證。內(nèi)存條價(jià)格取京東對(duì)應(yīng)搜索條目下有效的前8條的平均值作為均價(jià)測(cè)算，得出內(nèi)存占服務(wù)器總價(jià)格比約為13.44%。硬盤價(jià)格取京東和中關(guān)村在線相對(duì)應(yīng)配件報(bào)價(jià)，匡算硬盤占服務(wù)器總價(jià)格比約為23.45%。

綜合以上，則“三大件”占服務(wù)器總價(jià)格比約為66.59%，落在60%~70%區(qū)間內(nèi)，與產(chǎn)業(yè)實(shí)際情況互相佐證。其他配件累計(jì)占服務(wù)器總價(jià)格約為30%~40%。基于謹(jǐn)慎性原則需要特別說明的是，以上測(cè)算僅基于部分產(chǎn)品部分型號(hào)，并不完全精確，同時(shí)不同型號(hào)、不同配置的服務(wù)器選擇的配件型號(hào)和數(shù)量也各有不同，配件和服務(wù)器產(chǎn)品銷售價(jià)格隨行就市存在一定波動(dòng)，均對(duì)占比值有一定影響。

二、服務(wù)器CPU國(guó)產(chǎn)化替代商業(yè)價(jià)值

全球服務(wù)器CPU市場(chǎng)主要為海外巨頭所壟斷。參考海外研究統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，AMD曾推出皓龍系列，2006年其服務(wù)器CPU市場(chǎng)份額一度超過20%，但英特爾推出至強(qiáng)系列服務(wù)器芯片后，市占率快速提升，近年來服務(wù)器芯片市場(chǎng)基本被英特爾壟斷。

英特爾服務(wù)器相關(guān)業(yè)務(wù)營(yíng)收規(guī)模達(dá)到229.91億美元。考慮到近乎獨(dú)家壟斷的市占率，英特爾的服務(wù)器芯片收入可近似看作全球服務(wù)器芯片市場(chǎng)規(guī)模，依據(jù)其財(cái)報(bào)，2018年該項(xiàng)業(yè)務(wù)收入規(guī)模達(dá)到229.91億美元，同比增長(zhǎng)20.60%?？梢钥吹竭@是一個(gè)快速增長(zhǎng)且較為龐大的市場(chǎng)。

以CPU為核心業(yè)務(wù)的英特爾盈利能力較好。從英特爾財(cái)報(bào)來看，其收入占比最大的兩塊業(yè)務(wù)分別是PC集團(tuán)業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)中心集團(tuán)業(yè)務(wù)，均是以CPU為核心的業(yè)務(wù)。公司近10年整體盈利能力較好，近10年年度平均毛利率約為61.68%，近10年年度平均凈利率約為20.55%。

當(dāng)前x86服務(wù)器占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。依據(jù)IDC統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2019年全球范圍內(nèi)x86服務(wù)器達(dá)到185億美元收入，而非x86服務(wù)器同比下降13.7％至13億美元?？梢姰?dāng)前x86服務(wù)器占據(jù)服務(wù)器市場(chǎng)主導(dǎo)地位繼續(xù)強(qiáng)化。

三、ARM芯片在服務(wù)器端的發(fā)展前景幾何？

國(guó)家大力支持集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展。集成電路在我國(guó)已經(jīng)上升為國(guó)家戰(zhàn)略。近年來，在市場(chǎng)拉動(dòng)和政策支持下，我國(guó)集成電路整體實(shí)力顯著提升。但也要看到在創(chuàng)新領(lǐng)域、前沿領(lǐng)域、設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與國(guó)際領(lǐng)先水平依然差距巨大，面臨較大的挑戰(zhàn)，因此我國(guó)持續(xù)發(fā)布相關(guān)政策支持集成電路發(fā)展，加快追趕的步伐。

中國(guó)各類實(shí)體積極參與，形成多條國(guó)產(chǎn)化CPU路線。除國(guó)家政策支持外，巨大的潛在商業(yè)利益也驅(qū)動(dòng)各家企業(yè)積極嘗試和推動(dòng)國(guó)產(chǎn)化CPU的發(fā)展，以2017年中國(guó)市場(chǎng)為基數(shù)，以穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下20.55%的凈利率水平為常態(tài)盈利能力，則僅國(guó)內(nèi)市場(chǎng)服務(wù)器CPU產(chǎn)業(yè)一年凈利潤(rùn)約為44.92億元。當(dāng)前基于x86架構(gòu)、ARM架構(gòu)和其他架構(gòu)形成多條CPU國(guó)產(chǎn)化路線，行業(yè)頂尖科研機(jī)構(gòu)、信息化國(guó)家隊(duì)領(lǐng)軍企業(yè)、優(yōu)秀民企和地方政府積極參與，共同推進(jìn)CPU國(guó)產(chǎn)化發(fā)展。

在服務(wù)器CPU領(lǐng)域，由于其對(duì)性能要求相對(duì)更高，競(jìng)爭(zhēng)門檻進(jìn)一步提升，有實(shí)力參與的國(guó)內(nèi)廠商較少。目前市場(chǎng)較為關(guān)注的國(guó)產(chǎn)服務(wù)器廠商主要有基于英特爾行架構(gòu)的天津海光、上海兆芯；基于ARM架構(gòu)的天津飛騰和華為；基于MIPS架構(gòu)的龍芯；基于Alpha架構(gòu)的申威等少數(shù)幾家公司。

不過，天津海光已被列入“實(shí)體名單”，其x86技術(shù)來源方AMD也已終止了與其的合作。不過，所幸的是，天津海光已獲得了AMD第一代Ryzen和EPYC的Zen架構(gòu)技術(shù)，并順利推出了自己的產(chǎn)品。另外上海兆芯的x86技術(shù)來源方——威盛的x86架構(gòu)技術(shù)授權(quán)似乎也已經(jīng)到期，后續(xù)發(fā)展阻力增大。總體來說，目前基于x86架構(gòu)的國(guó)產(chǎn)CPU遇到了一些挫折。

相比之下基于ARM架構(gòu)的國(guó)產(chǎn)CPU發(fā)展也不是一帆風(fēng)順，服務(wù)器芯片領(lǐng)域ARM替換x86困難重重。

從過往來看，由于ARM芯片在服務(wù)器領(lǐng)域性能的劣勢(shì)以及生態(tài)環(huán)境的阻力，其替代x86芯片困難重重，AppliedMicro、三星、英偉達(dá)、博通、Marvell、高通、AMD、華芯通等等廠商均大力投入但結(jié)果不佳。其中高通更是放棄了服務(wù)器芯片業(yè)務(wù)，而高通與貴州合資的ARM服務(wù)器芯片公司華芯通也于今年4月底關(guān)閉。剩下的國(guó)產(chǎn)ARM服務(wù)器芯片公司也就飛騰和華為了，而目前華為也已被列入了“實(shí)體清單”，不過在此之前其已經(jīng)獲得了ARMv8指令集架構(gòu)永久性授權(quán)。

ARM架構(gòu)在服務(wù)器領(lǐng)域存在的不足（替代難點(diǎn)）：

1、軟件方面：雖然Linux系統(tǒng)支持ARM，但在生態(tài)環(huán)境上，尤其是各種應(yīng)用程序?qū)用?，和x86架構(gòu)相比差距巨大。

2、性能方面：由于過往ARM架構(gòu)主要面向移動(dòng)端等性能要求相對(duì)較低的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)高負(fù)載高計(jì)算的支持能力不夠，導(dǎo)致性能上一直落后，無法滿足市場(chǎng)需求。

ARM體系性能持續(xù)提升，生態(tài)環(huán)境漸進(jìn)友好：盡管服務(wù)器市場(chǎng)替代較難，但ARM并未放棄，ARM在去年發(fā)布了新型架構(gòu)Neoverse，并希望通過新一代處理器設(shè)計(jì)大幅提升其性能，提高在服務(wù)器和基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。

根據(jù)ARM公布Neoverse處理器IP路線圖顯示：其首款產(chǎn)品是基于16nm的Cortex-A72/A75內(nèi)核的Cosmos平臺(tái)，2019年已推出7nm工藝全新CPU內(nèi)核架構(gòu)的Ares平臺(tái)，2020年將會(huì)推出7nm+工藝的Zeus平臺(tái)，2021年將會(huì)推出5nm工藝的Poseidon平臺(tái)。每一代的平臺(tái)性能都將會(huì)比上一代提升30%。

同時(shí)，ARM還表示，NeoverseIP路線圖專門針對(duì)獨(dú)特的性能、效率和可擴(kuò)展性要求而設(shè)計(jì)，從而可適應(yīng)數(shù)據(jù)模式的不斷變化、全新的工作負(fù)載挑戰(zhàn)以及為支持萬億互聯(lián)智能設(shè)備而不斷發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施帶來的持續(xù)需求增長(zhǎng)。

從商用用戶維度看，亞馬遜和華為都相繼發(fā)布基于ARM的服務(wù)器芯片，富士通也從SPARC架構(gòu)體系轉(zhuǎn)向ARMv8架構(gòu)體系并推出芯片，提振市場(chǎng)信心。同時(shí)隨著移動(dòng)端的繁榮，支持ARM相關(guān)生態(tài)的底層系統(tǒng)和上層應(yīng)用也逐漸增加，三大Linux發(fā)行版（Ubuntu、Suse和Redhat）都已經(jīng)直接有支持ARMServer的版本。

云計(jì)算時(shí)代對(duì)服務(wù)器需求發(fā)生改變。過往由于服務(wù)器賣給企業(yè)客戶為主，單個(gè)企業(yè)強(qiáng)調(diào)服務(wù)器的高性能、穩(wěn)定性和和吞吐量等性能指標(biāo)。而云計(jì)算時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)提供商對(duì)數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器需求發(fā)生改變，由于其集群模式強(qiáng)調(diào)整體性能且服務(wù)器需求量大，逐漸變?yōu)樽约簩?duì)服務(wù)器進(jìn)行深度定制。如裁剪不需要的功能、結(jié)合業(yè)務(wù)特性進(jìn)行強(qiáng)化、節(jié)省空間、降低能耗、應(yīng)用優(yōu)化等等。以上需求的改變也給ARM架構(gòu)服務(wù)器替代帶來新的機(jī)遇。

云服務(wù)商尋求替代x86芯片方案。由于云服務(wù)商對(duì)服務(wù)器需求巨大，一方面芯片占據(jù)服務(wù)器成本約30%，另一方面電力成本也是云服務(wù)重要成本支出項(xiàng)，若能降低芯片成本和芯片功耗，則將給云服務(wù)商帶來巨大商業(yè)利益，基于此，ARM芯片低價(jià)格和低功耗的特性極具吸引力。亞馬遜2018年11月份宣布自家開發(fā)的Graviton處理器支持新的AWSEC2A1實(shí)例配置，主要面向微服務(wù)、Web服務(wù)器和開發(fā)環(huán)境等可擴(kuò)展應(yīng)用，成本可以大幅降低45%。

華為、飛騰扛起ARM替代x86大旗

正如前面所提到的，目前國(guó)產(chǎn)ARM服務(wù)器芯片廠商主要有飛騰和華為兩家。

而從基于ARM架構(gòu)的具體部署和業(yè)務(wù)進(jìn)展維度看，天津飛騰發(fā)展較早，目前其產(chǎn)品線布局、商業(yè)化和生態(tài)做都還不錯(cuò)，產(chǎn)品已經(jīng)覆蓋了高性能計(jì)算CPU、服務(wù)器CPU、桌面CPU和高端嵌入式CPU。需要指出的是，飛騰與華為一樣都是獲得了ARM指令集架構(gòu)的永久性授權(quán)，目前其內(nèi)核也是自主設(shè)計(jì)的，可以實(shí)現(xiàn)自主可控。

目前，飛騰已有FT-2000+/64處理器芯片面向企業(yè)級(jí)高性能服務(wù)器；而且飛騰還將在今年四季度推出多路服務(wù)器芯片F(xiàn)T-2500/64，基于16nm工藝，主頻2.3GHz，擁有64個(gè)FTC663內(nèi)核。

另外根據(jù)飛騰公布的資料來看，其目前已經(jīng)與400多家國(guó)內(nèi)的軟硬件廠商進(jìn)行了合作，已經(jīng)初步建立起了相對(duì)完整的生態(tài)體系。

同樣，華為較早也開始基于ARM體系打造從芯片到服務(wù)器的系列產(chǎn)品線。當(dāng)前華為ARM架構(gòu)服務(wù)器相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品三類主線：Hi16系列CPU、鯤鵬系列ARMCPU和泰山服務(wù)器。2004年華為就已經(jīng)開始了ARM架構(gòu)相關(guān)芯片的開發(fā)，覆蓋華為多個(gè)產(chǎn)品線，直至今年重磅發(fā)布的應(yīng)用于服務(wù)器上的鯤鵬920。

鯤鵬處理器在競(jìng)爭(zhēng)力維度實(shí)現(xiàn)了超越。依據(jù)鯤鵬920的發(fā)布信息，其代表著業(yè)界最高性能的ARM架構(gòu)的CPU。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）高性能處理器內(nèi)核：鯤鵬920實(shí)現(xiàn)自主設(shè)計(jì)，同頻單線程性能相比前一代提升45%；2）高集成度：采用業(yè)界領(lǐng)先的7nm先進(jìn)工藝，集成最多64核，并支持最高3.0GHz的工作主頻，實(shí)現(xiàn)極致的多核架構(gòu)和低時(shí)延表現(xiàn)，滿足高并發(fā)、低時(shí)延應(yīng)用的計(jì)算需求。集成了南橋、網(wǎng)卡和SAS控制器等功能，節(jié)省了服務(wù)器系統(tǒng)能耗并提升了系統(tǒng)PCIe擴(kuò)展能力；3）高吞吐能力：業(yè)界率先支持8通道內(nèi)存控制器和PCIe4.0，相比業(yè)界，內(nèi)存帶寬提升46%，IO速率提升66%；4）硬件加速引擎：集成了數(shù)據(jù)加密/解密、壓縮/解壓縮、EC（ErasureCode）糾刪碼、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等硬件加速引擎，能夠替代處理器的指令計(jì)算，極大提升數(shù)據(jù)處理效率，并提升數(shù)據(jù)安全。

基于ARM芯片的優(yōu)勢(shì)，華為泰山服務(wù)器承載ARM應(yīng)用場(chǎng)景。泰山服務(wù)器聚焦大數(shù)據(jù)、分布式存儲(chǔ)、ARM原生、HPC和Web等五大應(yīng)用場(chǎng)景，幫助實(shí)現(xiàn)高效能計(jì)算和降低數(shù)據(jù)中心TCO。1）對(duì)比TPCbenchmark測(cè)試，華為TaiShan大數(shù)據(jù)方案相比傳統(tǒng)方案提升30%性能；2）華為TaiShan分布式存儲(chǔ)解決方案，在全NVMeSSD熱數(shù)據(jù)場(chǎng)景下，整體性能提升10%以上，在NVMeSSD與HDD混合型的溫?cái)?shù)據(jù)場(chǎng)景下，減少10%的服務(wù)器數(shù)量；在全HDD冷數(shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，集群能耗低10%以上；3）安卓應(yīng)用與ARM服務(wù)器天然兼容，無需移植即可直接運(yùn)行，而且運(yùn)行過程中無指令翻譯環(huán)節(jié)，性能無損失，相比傳統(tǒng)方案最高能夠提升3倍性能；4）ARM云手機(jī)則是ARM原生應(yīng)用的典型場(chǎng)景之一，通過在ARM服務(wù)器上運(yùn)用虛擬化仿真技術(shù)，為用戶提供基于云的仿真手機(jī)服務(wù)。

在產(chǎn)業(yè)生態(tài)領(lǐng)域，華為規(guī)劃：從硬件、基礎(chǔ)軟件和應(yīng)用三個(gè)層面持續(xù)推進(jìn)ARM產(chǎn)業(yè)合作，計(jì)劃通過3到5年的時(shí)間，協(xié)同ARM產(chǎn)業(yè)組織，打造完備的TaiShan產(chǎn)業(yè)生態(tài)。目前TaiShan的生態(tài)合作已經(jīng)取得較大進(jìn)展，生態(tài)體系已經(jīng)相對(duì)比較完善，泰山等體系已經(jīng)具備了一定能力：1）打造開放生態(tài)系統(tǒng)，合作共贏；2）與合作伙伴共同進(jìn)行創(chuàng)新和認(rèn)證測(cè)試；3）擁抱開源HPC社區(qū)；4）豐富的HPC行業(yè)項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)驗(yàn)（在金融、政府、制造、互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)的部署與應(yīng)用，2018年的應(yīng)用規(guī)模數(shù)已經(jīng)突破了2萬臺(tái)/套，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用的市場(chǎng)檢驗(yàn)）；5）利用ARM技術(shù)實(shí)現(xiàn)的云-網(wǎng)-端戰(zhàn)略；6）ARM服務(wù)器可以覆蓋50％以上的HPC工作負(fù)載；7）已經(jīng)打造成熟的解決方案；8）鯤鵬920芯片可與英特爾6148對(duì)標(biāo)；9）加入主要生態(tài)聯(lián)盟。

值得一提的是，2018年，飛騰的ARM架構(gòu)服務(wù)器、申威的Alpha架構(gòu)服務(wù)器和龍芯的MIPS架構(gòu)服務(wù)器都進(jìn)入政府采購(gòu)清單，也顯示出國(guó)家對(duì)發(fā)展國(guó)產(chǎn)服務(wù)器芯片的強(qiáng)力支持，而華為等廠商的入局則有望進(jìn)一步加快這一替代趨勢(shì)。