探尋ARM架構(gòu)帶來的能效問題

就像普通人買手機(jī)、筆記本時(shí)除了關(guān)心性能，也同樣關(guān)注續(xù)航一樣；數(shù)據(jù)中心、邊緣等企業(yè)用戶也同樣關(guān)注PUE、每瓦特性能等一系列指標(biāo)。因?yàn)?，“算力的能效表現(xiàn)”是個(gè)用戶始終無法回避的問題。

高能效的計(jì)算不僅意味著用戶能用更少的電費(fèi)完成更多計(jì)算、更多業(yè)務(wù)，更可能成為基礎(chǔ)架構(gòu)能否合規(guī)落地、業(yè)務(wù)是否可以部署、體驗(yàn)?zāi)芊窳羁蛻魸M意等“有無、是否”問題的核心指標(biāo)。

更重要的是，在國家“雙碳”戰(zhàn)略背景下，提升算力能效表現(xiàn)也是ICT產(chǎn)業(yè)落實(shí)綠色發(fā)展觀、踐行可持續(xù)發(fā)展理念的關(guān)鍵。因此，在探討計(jì)算之時(shí)，能效概念不可或缺。

計(jì)算背后的能效之爭

風(fēng)電、光電、電動(dòng)車、制造業(yè)節(jié)能減排……眾多行業(yè)的崛起與變革都表明，發(fā)展和能效之間已不再是“舍一保一”的選擇題，而是必須找到方法平衡兼顧的必答題。而在日新月異的IT基礎(chǔ)架構(gòu)領(lǐng)域，對(duì)能效的追求更成為行業(yè)發(fā)展的主旋律之一；無論在數(shù)據(jù)中心還是邊緣場景，趨勢皆如此。

數(shù)據(jù)中心里，鋰電UPS、直流供電、快速更新的中央空調(diào)熱交換技術(shù)、設(shè)計(jì)更先進(jìn)的機(jī)柜冷熱通道，乃至冷板式液冷和浸沒式液冷等新技術(shù)輪番上陣，目的就是降低PUE，獲得更高能效。

邊緣場景中，行業(yè)也在通過芯片設(shè)計(jì)、封裝、板卡方案等多維度的技術(shù)革新降低設(shè)備能耗，以期改善設(shè)備與場景的兼容性，擺脫電池、散熱、線纜、功率對(duì)邊緣設(shè)備的多重限制。

場景變化萬千，但技術(shù)變革所要解決的問題卻始終未變：用更少能耗獲得更多算力！既然需求如此明確，底層驅(qū)動(dòng)力如此強(qiáng)勁；那么為何仍要在原有計(jì)算架構(gòu)上縫縫補(bǔ)補(bǔ)，而不是另辟蹊徑尋找更高效的計(jì)算架構(gòu)呢？事實(shí)上，變革早已開始！

ARM的綠色源于架構(gòu)

ARM處理器在能效上的優(yōu)勢眾所周知，追根溯源，是架構(gòu)層面的多重特性使然。

首先，作為精簡指令集，ARM架構(gòu)指令集簡單、長度一致且固定，而這就使處理器的指令解碼單元操作更簡便，能夠以更簡單的結(jié)構(gòu)、更小的晶體管規(guī)模來完成指令的解碼和發(fā)射。同時(shí)，因?yàn)橹噶罴唵?，處理器的流水線設(shè)計(jì)、分支預(yù)測、亂序執(zhí)行等單元也能變得更簡單。多重因素加持，ARM架構(gòu)核心的規(guī)模更小，能效自然也更高。

其次，ARM架構(gòu)處理器通常更關(guān)注整數(shù)性能，而非浮點(diǎn)性能；因此，處理器內(nèi)核也無需增加面向浮點(diǎn)計(jì)算的SSE、AVX等指令集處理單元。而更小的規(guī)模、更簡化的結(jié)構(gòu)也能進(jìn)一步降低處理器功耗。

第三，ARM架構(gòu)誕生之初便充分考慮了移動(dòng)和嵌入式設(shè)備對(duì)能效的高要求，因此在處理器電壓管理、核心調(diào)度、低功耗策略等方面，ARM架構(gòu)也通常有更優(yōu)秀的表現(xiàn)。

有以上三大基礎(chǔ)特性為支撐，各類ARM處理器自然能在不同場景中實(shí)現(xiàn)更高能效。

構(gòu)建綠色數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心是絕對(duì)的計(jì)算密集場景，在海量數(shù)據(jù)和應(yīng)用高度匯聚，且整體規(guī)模越來越大的數(shù)據(jù)中心里，處理器能效的任何區(qū)別最終都會(huì)積累成巨大的電力、散熱和成本差異。更何況ARM架構(gòu)在能效方面的優(yōu)勢并非“一點(diǎn)點(diǎn)”。

有前述三重特性為支撐，以鯤鵬、Ampere為代表的ARM架構(gòu)處理器產(chǎn)品便能在有限的晶體管數(shù)量和散熱能力之下集成更多核心及緩存，支持的虛擬機(jī)和容器數(shù)量更多，數(shù)據(jù)中心的整體能效表現(xiàn)自然更好。

在綠色計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟日前公布的綠色計(jì)算最具價(jià)值解決方案遴選入圍名單中，不少基于鯤鵬處理器的解決方案成功入圍，而這從側(cè)面證明了ARM架構(gòu)處理器在綠色計(jì)算賽道上的先天優(yōu)勢。而在廣闊的云計(jì)算市場，包括阿里云、華為云、騰訊云、百度智能云、AWS、GoogleCloud、Azure等在內(nèi)的所有主流CSP也都推出了對(duì)應(yīng)的ARM云主機(jī)產(chǎn)品和相關(guān)服務(wù)。

縱觀中外數(shù)據(jù)中心對(duì)ARM架構(gòu)處理器的大量用例，我們不難發(fā)現(xiàn)，ARM架構(gòu)產(chǎn)品在業(yè)務(wù)層面具備4大切入點(diǎn)：

高密業(yè)務(wù)：鯤鵬、Ampere或其他CSP的自研處理器產(chǎn)品通常能在單個(gè)socket中集成更多核心，而這就意味著機(jī)架中每U所能承載的虛擬機(jī)或容器數(shù)量更多。而對(duì)于數(shù)據(jù)中心用戶來說，這就代表更多的可售資源和更高的生產(chǎn)率。

安卓云原生：ARM架構(gòu)與安卓應(yīng)用是天生一對(duì)，因此在基于安卓的開發(fā)、測試和云游戲領(lǐng)域，用戶都需要ARM架構(gòu)硬件環(huán)境來獲得原生安卓體驗(yàn)。

分布式存儲(chǔ)：分布式存儲(chǔ)是云計(jì)算的基石，但常見存儲(chǔ)功能對(duì)控制器（CPU）的性能開銷卻不高，對(duì)頻率也不敏感。因此，使用能效更高、整體功耗更低的ARM處理器能夠在滿足需求的前提下，有效降低系統(tǒng)成本和TCO。

開放的基礎(chǔ)架構(gòu)：相對(duì)于其他處理器的“黑盒”技術(shù)體系，ARM處理器生態(tài)更開放，可選的品牌和供應(yīng)商也更多；而這也可以幫助用戶避免在基礎(chǔ)架構(gòu)和應(yīng)用生態(tài)層面被“卡脖子”。

一邊是顯而易見的業(yè)務(wù)需求，另一邊則是更好的能效；ARM架構(gòu)在數(shù)據(jù)中心市場的攻城略地也就順理成章。

打造綠色邊緣場景

相對(duì)于數(shù)據(jù)中心，邊緣場景很小、單點(diǎn)突破所能獲得的效果也有限。但實(shí)際的生產(chǎn)生活之中，數(shù)據(jù)中心之外的場景皆為邊緣。而當(dāng)N種終端乘以N種場景，綠色計(jì)算同樣能帶來龐然效果。

為推動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)產(chǎn)品的應(yīng)用創(chuàng)新、促進(jìn)邊緣計(jì)算高價(jià)值可復(fù)制創(chuàng)新解決方案的快速孵化、加速邊緣計(jì)算技術(shù)產(chǎn)品以及邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)件在各應(yīng)用領(lǐng)域的示范推廣，邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ECC）&工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）連續(xù)5年舉辦“邊緣計(jì)算優(yōu)秀解決方案”遴選活動(dòng)。2023年最新入圍解決方案更是涵蓋了工業(yè)制造、智慧城市、交通、電力、能源、市政、零售等不同行業(yè)。

更重要的是，在邊緣設(shè)備的深度參與下，數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸壓力都能大幅降低，真正做到節(jié)能省時(shí)兩不誤。因此，同步推進(jìn)邊緣與中心的能效革新至關(guān)重要。

如果說數(shù)據(jù)中心市場是ARM架構(gòu)的客場，那么邊緣市場便是ARM架構(gòu)的主場。

得益于優(yōu)秀的能效和更低的總體功耗，ARM架構(gòu)處理器通常能為終端設(shè)備帶來更低的功耗和發(fā)熱，而這對(duì)于滿足散熱、電池、三防等場景需求來說至關(guān)重要。因此，在售的手機(jī)、平板、電視、可穿戴設(shè)備、車機(jī)、路由、AP、智能監(jiān)控等設(shè)備幾乎清一色的使用了ARM架構(gòu)處理器；而在更廣闊的MCU市場，情況也類似。

此外，伴隨媒體編解碼、圖形渲染、固定形式的數(shù)據(jù)處理、AI等應(yīng)用在邊緣側(cè)的需求持續(xù)增長，易于和各類IP、DSP集成的ARMSOC方案數(shù)量也快速增加。而這也進(jìn)一步鞏固了ARM在邊緣市場的統(tǒng)治力。

如果說海量終端、感知、控制、管理類設(shè)備是構(gòu)建數(shù)字時(shí)代的基石，那么這塊基石的核心就是ARM。甚至在基礎(chǔ)架構(gòu)“邊緣包圍中心”的總體趨勢之下，為了實(shí)現(xiàn)更廣泛的同構(gòu)，在邊緣側(cè)擁有強(qiáng)勢地位的ARM架構(gòu)還有機(jī)會(huì)進(jìn)一步推高其在數(shù)據(jù)中心市場的占有率。

綠色計(jì)算是用出來的

算力是通向數(shù)字時(shí)代的高速公路，而綠色計(jì)算則是對(duì)“百公里油耗”的極致追求，是數(shù)字時(shí)代的“多快好省”。

截止2023年初，我國已相繼發(fā)布“1+N”的“雙碳”政策體系文件中的《中共中央國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》、《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》和各行業(yè)綠色低碳相關(guān)文件五十余個(gè)；可以說，以綠色低碳為基調(diào)的高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展觀已融入算力產(chǎn)業(yè)和千行百業(yè)。

正如ARM架構(gòu)在數(shù)據(jù)中心及邊緣市場的多線并進(jìn)和百花齊放，ARM所代表的綠色、高效、開放等理念正在獲得越來越多用戶的認(rèn)可，其也將在數(shù)字化進(jìn)程中扮演越來越重要的角色。

但從ARM生態(tài)的發(fā)展歷程中我們也能發(fā)現(xiàn)，綠色計(jì)算的實(shí)現(xiàn)既與架構(gòu)有關(guān)，更與產(chǎn)業(yè)鏈上下游的通力協(xié)作和經(jīng)驗(yàn)積累有關(guān)。通過不斷地創(chuàng)新和實(shí)踐，好的設(shè)計(jì)、好的方案才能被市場和用戶發(fā)現(xiàn)，“綠色高效”和“好用易用”才能實(shí)現(xiàn)雙向奔赴。

那么，在即將過去的2023年，計(jì)算產(chǎn)業(yè)到底有哪些值得關(guān)注的新技術(shù)、新方案？中心和邊緣如何在綠色主題下協(xié)同發(fā)展？百花齊放的ARM生態(tài)還將迎來哪些變化？在信息過載、技術(shù)爆炸的當(dāng)下，這些問題顯然很難全面回答。

別擔(dān)心，即將在2023年12月13-14日舉辦的2023計(jì)算產(chǎn)業(yè)生態(tài)大會(huì)（CIEC2023）正是窺探這些答案的絕佳窗口。大會(huì)由綠色計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟聯(lián)合主辦，匯集了5大院士和千余名政策、產(chǎn)業(yè)、應(yīng)用側(cè)專家，是一場由商業(yè)、技術(shù)、觀點(diǎn)相互交織而成的產(chǎn)業(yè)盛宴。

審核編輯：黃飛