探尋ARM架構帶來的能效問題

就像普通人買手機、筆記本時除了關心性能，也同樣關注續航一樣；數據中心、邊緣等企業用戶也同樣關注PUE、每瓦特性能等一系列指標。因為，“算力的能效表現”是個用戶始終無法回避的問題。

高能效的計算不僅意味著用戶能用更少的電費完成更多計算、更多業務，更可能成為基礎架構能否合規落地、業務是否可以部署、體驗能否令客戶滿意等“有無、是否”問題的核心指標。

更重要的是，在國家“雙碳”戰略背景下，提升算力能效表現也是ICT產業落實綠色發展觀、踐行可持續發展理念的關鍵。因此，在探討計算之時，能效概念不可或缺。

計算背后的能效之爭

風電、光電、電動車、制造業節能減排……眾多行業的崛起與變革都表明，發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基礎架構領域，對能效的追求更成為行業發展的主旋律之一；無論在數據中心還是邊緣場景，趨勢皆如此。

數據中心里，鋰電UPS、直流供電、快速更新的中央空調熱交換技術、設計更先進的機柜冷熱通道，乃至冷板式液冷和浸沒式液冷等新技術輪番上陣，目的就是降低PUE，獲得更高能效。

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

場景變化萬千，但技術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，底層驅動力如此強勁；那么為何仍要在原有計算架構上縫縫補補，而不是另辟蹊徑尋找更高效的計算架構呢？事實上，變革早已開始！

ARM的綠色源于架構

ARM處理器在能效上的優勢眾所周知，追根溯源，是架構層面的多重特性使然。

首先，作為精簡指令集，ARM架構指令集簡單、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，能夠以更簡單的結構、更小的晶體管規模來完成指令的解碼和發射。同時，因為指令集簡單，處理器的流水線設計、分支預測、亂序執行等單元也能變得更簡單。多重因素加持，ARM架構核心的規模更小，能效自然也更高。

其次，ARM架構處理器通常更關注整數性能，而非浮點性能；因此，處理器內核也無需增加面向浮點計算的SSE、AVX等指令集處理單元。而更小的規模、更簡化的結構也能進一步降低處理器功耗。

第三，ARM架構誕生之初便充分考慮了移動和嵌入式設備對能效的高要求，因此在處理器電壓管理、核心調度、低功耗策略等方面，ARM架構也通常有更優秀的表現。

有以上三大基礎特性為支撐，各類ARM處理器自然能在不同場景中實現更高能效。

構建綠色數據中心

數據中心是絕對的計算密集場景，在海量數據和應用高度匯聚，且整體規模越來越大的數據中心里，處理器能效的任何區別最終都會積累成巨大的電力、散熱和成本差異。更何況ARM架構在能效方面的優勢并非“一點點”。

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

在綠色計算產業聯盟日前公布的綠色計算最具價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，而這從側面證明了ARM架構處理器在綠色計算賽道上的先天優勢。而在廣闊的云計算市場，包括阿里云、華為云、騰訊云、百度智能云、AWS、GoogleCloud、Azure等在內的所有主流CSP也都推出了對應的ARM云主機產品和相關服務。

縱觀中外數據中心對ARM架構處理器的大量用例，我們不難發現，ARM架構產品在業務層面具備4大切入點：

高密業務：鯤鵬、Ampere或其他CSP的自研處理器產品通常能在單個socket中集成更多核心，而這就意味著機架中每U所能承載的虛擬機或容器數量更多。而對于數據中心用戶來說，這就代表更多的可售資源和更高的生產率。

安卓云原生：ARM架構與安卓應用是天生一對，因此在基于安卓的開發、測試和云游戲領域，用戶都需要ARM架構硬件環境來獲得原生安卓體驗。

分布式存儲：分布式存儲是云計算的基石，但常見存儲功能對控制器（CPU）的性能開銷卻不高，對頻率也不敏感。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，有效降低系統成本和TCO。

開放的基礎架構：相對于其他處理器的“黑盒”技術體系，ARM處理器生態更開放，可選的品牌和供應商也更多；而這也可以幫助用戶避免在基礎架構和應用生態層面被“卡脖子”。

一邊是顯而易見的業務需求，另一邊則是更好的能效；ARM架構在數據中心市場的攻城略地也就順理成章。

打造綠色邊緣場景

相對于數據中心，邊緣場景很小、單點突破所能獲得的效果也有限。但實際的生產生活之中，數據中心之外的場景皆為邊緣。而當N種終端乘以N種場景，綠色計算同樣能帶來龐然效果。

為推動邊緣計算技術產品的應用創新、促進邊緣計算高價值可復制創新解決方案的快速孵化、加速邊緣計算技術產品以及邊緣計算標準件在各應用領域的示范推廣，邊緣計算產業聯盟（ECC）&工業互聯網產業聯盟（AII）連續5年舉辦“邊緣計算優秀解決方案”遴選活動。2023年最新入圍解決方案更是涵蓋了工業制造、智慧城市、交通、電力、能源、市政、零售等不同行業。

更重要的是，在邊緣設備的深度參與下，數據中心的數據處理、數據傳輸壓力都能大幅降低，真正做到節能省時兩不誤。因此，同步推進邊緣與中心的能效革新至關重要。

如果說數據中心市場是ARM架構的客場，那么邊緣市場便是ARM架構的主場。

得益于優秀的能效和更低的總體功耗，ARM架構處理器通常能為終端設備帶來更低的功耗和發熱，而這對于滿足散熱、電池、三防等場景需求來說至關重要。因此，在售的手機、平板、電視、可穿戴設備、車機、路由、AP、智能監控等設備幾乎清一色的使用了ARM架構處理器；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、固定形式的數據處理、AI等應用在邊緣側的需求持續增長，易于和各類IP、DSP集成的ARMSOC方案數量也快速增加。而這也進一步鞏固了ARM在邊緣市場的統治力。

如果說海量終端、感知、控制、管理類設備是構建數字時代的基石，那么這塊基石的核心就是ARM。甚至在基礎架構“邊緣包圍中心”的總體趨勢之下，為了實現更廣泛的同構，在邊緣側擁有強勢地位的ARM架構還有機會進一步推高其在數據中心市場的占有率。

綠色計算是用出來的

算力是通向數字時代的高速公路，而綠色計算則是對“百公里油耗”的極致追求，是數字時代的“多快好省”。

截止2023年初，我國已相繼發布“1+N”的“雙碳”政策體系文件中的《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》、《2030年前碳達峰行動方案》和各行業綠色低碳相關文件五十余個；可以說，以綠色低碳為基調的高質量、可持續發展觀已融入算力產業和千行百業。

正如ARM架構在數據中心及邊緣市場的多線并進和百花齊放，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可，其也將在數字化進程中扮演越來越重要的角色。

但從ARM生態的發展歷程中我們也能發現，綠色計算的實現既與架構有關，更與產業鏈上下游的通力協作和經驗積累有關。通過不斷地創新和實踐，好的設計、好的方案才能被市場和用戶發現，“綠色高效”和“好用易用”才能實現雙向奔赴。

那么，在即將過去的2023年，計算產業到底有哪些值得關注的新技術、新方案？中心和邊緣如何在綠色主題下協同發展？百花齊放的ARM生態還將迎來哪些變化？在信息過載、技術爆炸的當下，這些問題顯然很難全面回答。

別擔心，即將在2023年12月13-14日舉辦的2023計算產業生態大會（CIEC2023）正是窺探這些答案的絕佳窗口。大會由綠色計算產業聯盟和邊緣計算產業聯盟聯合主辦，匯集了5大院士和千余名政策、產業、應用側專家，是一場由商業、技術、觀點相互交織而成的產業盛宴。

審核編輯：黃飛