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Intel V.S. ARM 64bit微伺服器市場卡位戰
功耗、效能追逐賽

【作者: 陳韋哲】   2013年07月30日 星期二

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就像是原本兩個不同國度的陌生人突然交會,迸發出許多不同的化學反應,這樣的例子用來形容ARM與Intel或許再適合不過了。兩家公司分別在PC及行動裝置領域各自佔領一片天,其中ARM不像Intel自行生產處理器,是以出售IP(矽智財)晶片技術的方式授權給其他廠商,如今兩方卻在伺服器市場這個交會點狹路相逢,特別是在2012年ARM與AMD(超微)首度攜手合作,共同開創伺服器、微型伺服器領域之路。正因此舉,直接讓Intel繃緊了神經,非得嚴正以待。



圖一 : Intel與ARM的正面對決從伺服器開始。
圖一 : Intel與ARM的正面對決從伺服器開始。

對於長期處於PC產業處理器二軍的AMD來說,與ARM的結合或許能夠提振PC處理器業績持續萎靡不振的危機,另一方面,ARM同時也得以將自家高效能、低功耗的優勢與AMD於伺服器市場多年的研發技術及經驗進行垂直整合。AMD除了在2012年底按照原訂計畫推出x86處理器,亦將著手設計搭載ARMv8技術的64位元處理器,針對高密度、省電型伺服器進行優化,初期將鎖定雲端與資料中心伺服器。


另外,隨著Windows 8作業系統的發佈,也讓Intel知道自己不再是獨獲寵幸的幸運兒,面對著行動裝置領域這塊香甜且多汁的廣大市場,微軟也按奈不住這股誘人的氣息,決定從Windows 8作業系統「Start(開始)」全面支援ARM架構處理器。有了這項消息,更是促使ARM決戰Intel的步伐加快,因為Intel要迎戰的不只是ARM這家公司,背後的ARM陣營(TI、高通、三星、Nvidia)才是最嚴峻的考驗。



圖二 :  Windows8全面支援ARM架構處理器。
圖二 : Windows8全面支援ARM架構處理器。

是要選擇默默承受還是反擊,Intel理所當然選擇後者,Intel向來給人的印象皆為高效能的領航者,現在手握Atom處理器這張王牌,當然更加提高Intel對於低功耗市場的重視。面對Intel的挑戰, ARM也表示已經採用新的技術來提高效能並維持一貫自豪的低功耗優勢。


Intel的低功耗高效能之路

Intel的Atom處理器為了讓功耗降低,在第一代「Diamondvill」推出時就拋棄x86行之有年的亂序執行架構(OOOE,out-of-order excution),改採順序執行架構(in-order excution),減少電晶體數量。其行動平台解決方案即選擇從高度整合後的Atom處理器開始,進一步在Atom處理器上整合了圖型核心、視訊解碼核心、記憶體控制器、顯示輸出控制器、音頻加速模組、攝影鏡頭控制器、儲存控制器與多種輸入輸出模組核心。


雖然Intel較晚切入手機晶片市場,但對於伺服器市場並非新手。憑藉其擁有豐富的電腦晶片製作設計經驗,在2012年聖誕節來臨前趁勢推出了Atom S1200系列(為64bit伺服器級的SoC整合型晶片)功耗僅6w的處理器,強調該款處理器並非鎖定消費級市場,而是用來提供給高密度的微型伺服器使用。



圖三 : Intel推出Atom S1200系列強調功耗僅有6w。
圖三 : Intel推出Atom S1200系列強調功耗僅有6w。

隨著COMPUTEX2013台北電腦展的開展日將近,Intel將在展會期間發布代號為Haswell微處理器,強調Haswell的功耗將會大幅降低,且可以應用在所有類型的PC、伺服器,或是平板電腦。Haswell處理器不僅功耗低且能夠提供搭載Haswell處理器的筆記型電腦更長的電池續力之外,也採用全新的AVX2指令集,並改善了高速暫存記憶體的存取方式,可同時改善新舊程式碼的運算效能。



圖四 : Haswell微處理器功耗將大幅降低,且進一步提昇顯示效能。
圖四 : Haswell微處理器功耗將大幅降低,且進一步提昇顯示效能。

另外,根據消息指出,Intel正在籌備具有八個核心的全新Atom(開發代號為「Avoton」),以應付ARM在伺服器領域的挑戰。預計將採用22nm製程技術,並改用不同於現今的全新架構,擁有兩條管線,並且是以亂序執行,在同頻率下效能比起現有產品提升20%~25%,專供雲端運算以及低功耗伺服器領域使用。估計2013年底就可問世,這也間接代表Intel開始把更多的注意力擺在功耗和效能的平衡之上。


A50系列全面朝向64bit伺服器市場

至於在ARM陣營,ARM雖授權AMD和NVIDIA 64位元處理器的設計,自然也不會疏漏了自身拓展的機會,近期發佈了ARMv8家族新品Cortex-A50系列晶片(這兩款處理器分別是Cortex-A53和Cortex-A57),產品全面使用了64位元架構設計,是目前效能最高以及功耗最低的ARM處理器,ARMv8最大的改變就是開始支援64位元,記憶體容量限制一舉突破4GB。



圖五 : ARM推出Cortex-A50系列晶片搶攻64bit市場。
圖五 : ARM推出Cortex-A50系列晶片搶攻64bit市場。

A57和A53同時支援32與64位元指令,換言之,如果系統是支援64位元,就代表可以同時執行64、32混合指令。加上,ARM宣佈與台積公司首個採用FinFET製程技術生產的ARM Cortex-A57處理器已成功試生產(Tape Out),如果測試通過,就可以開始大規模生產。


ARM行銷執行副總裁Mike-Inglis表示,「從32位向64位的轉變中,在伺服器、網路這些領域轉變的速度會快一些,在行動市場的轉變可能稍微慢一些。」此次ARMv8架構處理器的發佈將填補其在微型伺服器和資料中心領域的空白,進一步擴大ARM處理器在高效能領域的市場佔有率。


ARM市場開發與行銷執行副總裁Ian Drew於日前ARM在台舉辦的年度技術研討會中也提到,未來5年電子科技產業將會朝向以雲端運算以及Big Data為發展重點,勢必引爆龐大的電信基礎建設商機。對於網路服務商、資料中心及電信商服務業者而言,為了降低成本就必須嚴格限制設備的功耗高低與體積大小,以便讓伺服器的設計方向能與行動裝置設備看齊。



圖六 : ARM市場開發與行銷執行副總裁Ian Drew(左一)認為,雲端運算以及Big Data為未來發展重點。
圖六 : ARM市場開發與行銷執行副總裁Ian Drew(左一)認為,雲端運算以及Big Data為未來發展重點。

Ian Drew同時強調ARM最新的Cortex-A50系列64位元處理器核心,因應製程技術將朝向20、16nm邁進,進而在具備超高效能的同時仍能維持與前一代32位元產品相同的功耗水準。可以看出ARM對於拓展伺服器市場有著相當大的野心,即便採用ARM Cortex-A50的處理器,預計在2014年初才有機會問世,但與以往從發表到產品真正問世需要2年的時間相比,也算是快了許多。


低功耗高效能革命未果 軟體配套仍須努力

此外,由於雲端、社群網站都會使用到伺服器,再加上伺服器非常耗電,以致於能耗及製冷成本越來越高,必須採用更低功耗的解決方案來控制成本。目前看來,ARM處理器在低功耗方面可說是領先一步,尤其ARM的晶片面積越做越小,以及ARM的低功耗技術幾乎可以達到無需使用風扇協助降溫,讓資料中心大幅降低冷卻成本,這對目前已打入伺服器市場的Intel晶片或許將形成不小的威脅。



圖七 : 功耗以及效能、伺服器配套軟體都是影響用戶選擇的重要原因。
圖七 : 功耗以及效能、伺服器配套軟體都是影響用戶選擇的重要原因。

不過,由於Intel已長期在市場上打下穩固基礎,不少用戶也已經習慣且大量使用與Intel處理器高度相容的伺服器軟體,相形之下,ARM的軟體生態系統較為不足,以致於伺服器軟體價格較高。倘若一般用戶將Intel全新替換為ARM架構,大量伺服器軟體的更新問題將勢必造成阻礙。再加上,ARM與Intel X86兩者並不相容,企業用戶如果要同時維護兩個不同的伺服器軟體系統,必然大幅提高系統維護成本。現階段對於企業用戶及一般用戶來說,Intel所提供的商用方案較為完善。


製程技術是功耗致勝關鍵

目前對於ARM與Intel來說能有效改善處理器功耗的救命仙丹,還是以提昇製程技術最為實際,加上Intel已經掌握22nm製程技術且擁有自己的晶圓廠,不僅能夠有效避免產生不足的問題,更有助於加快研發處理器的時程。預估2013年第四季~2014年將正式引爆Intel與ARM 64位元處理器的競爭戰火,而ARM 64位元晶片的致勝點將取決於台積電、三星與Intel三者之間製程技術的差距。


結論

至於未來會不會由一向是人生勝利組的ARM陣營帶著在行動裝置領域所獲得的成功經驗,複製到PC領域並改寫科技歷史,抑或是Intel拿下雙料冠軍(行動裝置及PC領域),目前仍混沌不明,然而隨著雲端運算以及微型伺服器市場逐漸熱絡,可預見未來低功耗市場的競賽絕不冷場。


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