ARM芯片低功耗成功擊敗英特爾奪得谷歌心

谷歌、Facebook以及其它一些主流技術(shù)企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始著手研究ARM兼容芯片，旨在推動(dòng)低功耗服務(wù)器并最終對(duì)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的處理器類型結(jié)構(gòu)加以改組。

想當(dāng)初我們也是對(duì)x86完全信任、認(rèn)為ARM麻煩多多，但隨著后者的蓬勃發(fā)展、我們開(kāi)始認(rèn)真審視ARM架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)。就在上周四，彭博社發(fā)表的報(bào)道稱谷歌正計(jì)劃利用ARM芯片打造其服務(wù)器;隨后我們又通過(guò)一篇博文得到證實(shí)，F(xiàn)acebook有意評(píng)估將ARM系統(tǒng)引入生產(chǎn)環(huán)境的可能性。

各企業(yè)用戶對(duì)ARM芯片的興趣如此高漲，主要是由于其在發(fā)展歷程中始終秉持著低功耗這一優(yōu)良傳統(tǒng);從誕生之時(shí)開(kāi)始，這套處理器架構(gòu)——于上世紀(jì)八十年代由Acorn Computers的一個(gè)小型團(tuán)隊(duì)所打造——就被設(shè)計(jì)用于RISC(即精簡(jiǎn)指令集計(jì)算)。這意味著ARM核心能以相對(duì)較快的速度執(zhí)行大量簡(jiǎn)單操作;這種便捷性以及對(duì)傳統(tǒng)支持機(jī)制的舍棄使其晶體管數(shù)量保持在較低水平，因此其耗電量也就低得多。

這種定制架構(gòu)目前已經(jīng)成為各類電池驅(qū)動(dòng)的小型設(shè)備乃至嵌入式電子領(lǐng)域的絕對(duì)王者。在這些新興世界中，處理性能并非關(guān)鍵——任何繁重費(fèi)力的計(jì)算任務(wù)都可由專用處理設(shè)備接手——因此芯片本身的速度可以較慢，由此帶來(lái)的好處就是其耗電量被控制在較低水平。

我們不妨將ARM與英特爾的CISC(即復(fù)雜指令集計(jì)算)設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，后者能夠在更廣泛的處理環(huán)境下發(fā)揮作用，同時(shí)擁有大量早期遺留技術(shù)需要支持——從16位實(shí)址模式一路發(fā)展至64位受保護(hù)長(zhǎng)模式。英特爾的方案一般運(yùn)行速度更高，但要求使用者為其付出極高的采購(gòu)成本。而所有對(duì)計(jì)算資源的需求疊加在一起，我們就獲得了這種功耗極高的處理芯片方案。

盡管ARM的擁護(hù)者們認(rèn)為RISC從本質(zhì)層面上更適合處理低功耗計(jì)算，但這一結(jié)論已經(jīng)遭到專業(yè)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的否定。后進(jìn)指出，事實(shí)上兩種架構(gòu)之間的耗電量差別主要是由發(fā)展軌跡所決定——ARM在誕生至今的二、三十年當(dāng)中一直專攻移動(dòng)便攜平臺(tái)，而英特爾則始終關(guān)注擺在桌面上的那套大家伙。如果從本質(zhì)層面分析當(dāng)今的x86芯片，它其實(shí)是一套在設(shè)計(jì)上以RISC為核心、包裹著CISC兼容性外殼的計(jì)算方案。

ARM很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)始終專注于壓低電量消耗，這是由于其面向的主要市場(chǎng)在于移動(dòng)以及非高性能計(jì)算設(shè)備，相比之下英特爾則一直強(qiáng)調(diào)處理速度的重要性;由ARM核心支持的芯片整體對(duì)電量的使用都比較溫和。然而其缺點(diǎn)在于，即使處于全力工作狀態(tài)、其性能表現(xiàn)仍然顯得不緊不慢。

ARM的主戰(zhàn)場(chǎng)，手機(jī)與平板。x86的根據(jù)地，游戲設(shè)備。即使是這樣，谷歌與Facebook要如何切入?

為消費(fèi)者提供服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)巨頭們每年要花掉數(shù)十億美元來(lái)建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施并支付以百萬(wàn)美元為單位的高額電費(fèi)賬單。對(duì)于這些公司而言，數(shù)據(jù)中心在其年度預(yù)算當(dāng)中扮演著主要成本制造者的角色。很顯然，如果存在節(jié)省成本的可能，他們一定會(huì)盡量將其變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

這里出現(xiàn)了一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，一家企業(yè)到底能夠把多少給定工作負(fù)載遷移到極簡(jiǎn)化、低功耗以及速度較慢的處理器之上?對(duì)于谷歌來(lái)說(shuō)，其對(duì)于計(jì)算資源頗為敏感的后端需求似乎只能由強(qiáng)大的英特爾至強(qiáng)芯片來(lái)處理;但對(duì)于其它一些輕量級(jí)任務(wù)，例如前端Web服務(wù)以及存儲(chǔ)控制等，部署ARM就很有現(xiàn)實(shí)意義。

Facebook的命題則更為簡(jiǎn)單——姑且不談其剛剛成立的AI部門(mén)——因?yàn)樯缃痪W(wǎng)絡(luò)的工作負(fù)載與谷歌相比對(duì)CPU處理能力的要求低得多。不過(guò)即使是這樣仍然存在難以解決的問(wèn)題：“我們希望看到的ARM服務(wù)器CPU需要……最低主頻能達(dá)到2.5GHz，”Facebook公司技術(shù)戰(zhàn)略負(fù)責(zé)人Vijay Rao今年十月末談到，“只有這樣我們的軟件才能夠獲得由前端到后端的整體擴(kuò)展能力。”

ARM服務(wù)器新興企業(yè)Calxeda最近推出的32位Midway芯片的時(shí)鐘頻率大約在1.1到1.8GHz之間，因此很明顯實(shí)際產(chǎn)品與客戶需求之間還存在著巨大差距。(時(shí)鐘頻率并不能完全決定處理器的性能表現(xiàn)，但作為一般性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)、目前GHz數(shù)量對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)仍然非常重要。)

與此同時(shí)，64位ARM服務(wù)器也將于明年進(jìn)入市場(chǎng)，其中一馬當(dāng)先的很可能是新興企業(yè)Applied Micro——屆時(shí)該公司將對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試及排名。

Facebook也已經(jīng)基本確定開(kāi)始采購(gòu)商用設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)——其硬件供應(yīng)負(fù)責(zé)人Frank Frankovsky前一段時(shí)間剛剛加入Calxeda董事會(huì)——而谷歌則可能決定更進(jìn)一步、著手開(kāi)發(fā)自己的定制化工具，其中包括具備ARM授權(quán)的處理器方案。

另外請(qǐng)大家不要忘了，ARM的業(yè)務(wù)模式在于銷售其設(shè)計(jì)藍(lán)圖，銷售的對(duì)象則包括AMD、三星、博通以及Calxeda等希望制造定制化芯片以適應(yīng)自身產(chǎn)品及需求的客戶。因此，谷歌將需要一位合作伙伴幫助自己進(jìn)行芯片代工。

在此之前，Calxeda公司營(yíng)銷主管Karl Freund建議：谷歌方面還需要雇用大約五十名工程師并拿出一年左右的時(shí)間進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)——最終成果可能基于64位Cortex-A57——然后再花一年將設(shè)計(jì)方案與技術(shù)進(jìn)行整合。總而言之，整個(gè)流程大約要花掉數(shù)千萬(wàn)美元。對(duì)于谷歌來(lái)說(shuō)，其最近一個(gè)財(cái)季的凈利潤(rùn)達(dá)到29.7億美元，因此區(qū)區(qū)數(shù)千萬(wàn)的投入實(shí)在微不足道。

下一步就是將谷歌的軟件遷移到ARM系統(tǒng)之上。這位廣告業(yè)巨頭——百分之百采用Linux環(huán)境，至少在數(shù)據(jù)中心內(nèi)是如此——一直在努力創(chuàng)造一套規(guī)模相對(duì)較小的統(tǒng)一化軟件堆棧：我們可以設(shè)想其并未使用Facebook類型的x86 64位代碼轉(zhuǎn)換機(jī)制，那么其在ARM平臺(tái)上的測(cè)試與部署對(duì)于谷歌員工來(lái)說(shuō)應(yīng)該非常簡(jiǎn)單——雖然還有大量關(guān)于優(yōu)化的議題需要探討。

該公司還在創(chuàng)建自有處理器所必需的專業(yè)知識(shí)方面投入巨資。早在2010年，谷歌收購(gòu)了因蘋(píng)果收購(gòu)PA Semi而無(wú)處容身的隱形芯片設(shè)計(jì)商Agnilux。當(dāng)時(shí)，該公司就已經(jīng)在考慮如何在ARM與PowerPC服務(wù)器芯片之間作出選擇。