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ARM服務(wù)器國產(chǎn)CPU的x86替代之路--華為、飛騰扛起國產(chǎn)化大旗!

2019-09-15
關(guān)鍵詞: ARM CPU CPU芯片

  眾所周知,我國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)域國產(chǎn)廠商存在感較小,,基本被國際大廠所壟斷。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)先國內(nèi)廠商較多,,另一方面以英特爾為代表的海外國際大廠已經(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,,大幅增加國內(nèi)廠商追趕難度,。

  2019 年華為和中科曙光等廠商被美國納入“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,。從國家安全維度和商業(yè)競爭維度,,我國都有高端 CPU 芯片國產(chǎn)化替代的強(qiáng)烈需求,國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),資本市場也貢獻(xiàn)自己的力量,,共同推動(dòng)我國高端 CPU 芯片國產(chǎn)化不斷推進(jìn),。

  今天我們就聚焦于市場所關(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)器趨勢的進(jìn)行分析。

  一,、服務(wù)器成本構(gòu)成簡析

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

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

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  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,。

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

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  參考上文中國服務(wù)器的市場規(guī)模和服務(wù)器芯片的市場規(guī)模,,可簡單測算出 2017 年中國服務(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)投入占中國服務(wù)器平均單價(jià)達(dá)到 29.06%,。

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  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作為代表,,其售價(jià)為 28200 元,,接近 2017 年中國服務(wù)器平均單價(jià),取其配置作為測算依據(jù)和市場統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相互印證,。

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  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,,但其對應(yīng)占比測算結(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)格取京東對應(yīng)搜索條目下有效的前 8 條的平均值作為均價(jià)測算,,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%,?;谥?jǐn)慎性原則需要特別說明的是,以上測算僅基于部分產(chǎn)品部分型號,,并不完全精確,,同時(shí)不同型號、不同配置的服務(wù)器選擇的配件型號和數(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),,均對占比值有一定影響。

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  二,、服務(wù)器 CPU 國產(chǎn)化替代商業(yè)價(jià)值

  全球服務(wù)器 CPU 市場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)器芯片市場基本被英特爾壟斷,。

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  英特爾服務(wù)器相關(guān)業(yè)務(wù)營收規(guī)模達(dá)到 229.91 億美元??紤]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 20.60%??梢钥吹竭@是一個(gè)快速增長且較為龐大的市場,。

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  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%。

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  當(dāng)前 X86 服務(wù)器占據(jù)市場主導(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,?

  國家大力支持集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展。集成電路在我國已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略,。近年來,,在市場拉動(dòng)和政策支持下,我國集成電路整體實(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)與國際領(lǐng)先水平依然差距巨大,,面臨較大的挑戰(zhàn),,因此我國持續(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,。

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  中國各類實(shí)體積極參與,,形成多條國產(chǎn)化 CPU 路線。除國家政策支持外,,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)國產(chǎn)化 CPU 的發(fā)展,,以 2017 年中國市場為基數(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,則僅國內(nèi)市場服務(wù)器 CPU產(chǎn)業(yè)一年凈利潤約為 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 國產(chǎn)化路線,行業(yè)頂尖科研機(jī)構(gòu),、信息化國家隊(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 國產(chǎn)化發(fā)展,。

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  在服務(wù)器 CPU 領(lǐng)域,,由于其對性能要求相對更高,競爭門檻進(jìn)一步提升,,有實(shí)力參與的國內(nèi)廠商較少,。目前市場較為關(guān)注的國產(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,??傮w來說,目前基于X86架構(gòu)的國產(chǎn)CPU遇到了一些挫折,。

  相比之下基于ARM架構(gòu)的國產(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)域性能的劣勢以及生態(tài)環(huán)境的阻力,,其替代 X86 芯片困難重重,Applied Micro,、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),。

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  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)用妫?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)端等性能要求相對較低的應(yīng)用場景,,對高負(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)域的競爭力,。

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  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,,Neoverse IP路線圖專門針對獨(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。

  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 ARM v8 架構(gòu)體系并推出芯片,提振市場信心,。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ARM Server 的版本,。

  云計(jì)算時(shí)代對服務(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Ψ?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AWS EC2 A1 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,。

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  目前,,飛騰已有 FT-2000+/64處理器芯片面向企業(yè)級高性能服務(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,。

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  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)初步建立起了相對完整的生態(tài)體系,。

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  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 ARM CPU 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。

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  鯤鵬處理器在競爭力維度實(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 3.0G Hz 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 PCIe 4.0,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(Erasure Code)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。

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  基于 ARM 芯片的優(yōu)勢,,華為泰山服務(wù)器承載 ARM 應(yīng)用場景,。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)對比 TPC benchmark 測試,,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 NVMe SSD 熱數(shù)據(jù)場景下,,整體性能提升 10%以上,在 NVMe SSD 與 HDD 混合型的溫?cái)?shù)據(jù)場景下,,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)。

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  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 對標(biāo),;

  9)加入主要生態(tài)聯(lián)盟,。

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  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)入政府采購清單,,也顯示出國家對發(fā)展國產(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。


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