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鲲鹏计算产业研究

来源:原创文章 作者:本站编辑 发布时间:2021-05-30 浏览人次:1236

 

 

一、“两芯一云”奠定鲲鹏基础,生态建立再战ARM市场

“鲲鹏”+“昇腾”双引擎发布奠定鲲鹏产业算力基础,与伙伴企业合力打造全栈式IT布局凸显雄心壮志。华为2019年先后发布两款高性能的7nm级芯片处理器鲲鹏920和昇腾910,标志自研芯片算力步入ARM架构体系前列水平。以此为契机,华为2019年7月召开“鲲鹏展翅,力算未来,开创计算新时代”为主题的首届鲲鹏计算产业峰会,拉开全栈式鲲鹏计算产业联盟大幕。

(一)定位:中国乃至全球算力提供者,打通全产业链构建新IT生态

算力和数据成为新的生产力和生产资料,摩尔定律放缓和登纳德缩放定律接近终结给予异构计算新机遇。宏观政策和科技发展的双重要素驱动数字经济迅速发展,而随着摩尔定律的逐步放缓和登纳德缩放定律接近终结,芯片算力和性能陷入发展瓶颈期,计算机现有架构发展空间受到抑制,因而对创新架构的探索和需求日益迫切。以ARM为代表的RISC通用架构处理器和以具备特定定制化加速功能的ASIC和FPGA芯等在场景多样化的计算新时代更具有优势。随着未来计算产业方向的发展,多种计算架构并存的状态有望随云服务的发展进一步加速出现。

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“后摩尔时代”给予“鲲鹏”亮眼机会,各类新应用需求需新算力支持,计算进入异构并存时代。受ICT技术发展的推动,海量数据爆发和以AR/VR、AI与大数据、4K超高清、智能驾驶、智能家居等各类新应用需求出现,带动全球计算空间和计算需求出现指数级增长。根据OpenAl的报告显示,自2012年以来,算力需求的增长出现每3.5月翻一倍,每年增长约10倍的惊人事实。而随着处理器进入“后摩尔定律”时代,制程升级带来效能升级边际效应减弱。而以鲲鹏920为代表的ARM高性能处理器,利用ARM在移动设备领域积累的新工艺、新制程和新材料优势,实现在并发性能、能耗、集成度方面的优势,实现在分布式存储、云端同构等应用场景的突出表现。计算产业进入异构计算时代,以ARM为代表的处理器有望在非移动端大放异彩,承接更多算力需求。

IT全栈式布局,以开放和开源为主旋律,实现基于鲲鹏处理器的完整生态建设。早前受制于计算产业高耦合性的限制,缺少生态体系的高性能单品往往以失败告终。华为作为鲲鹏产业联盟发起者,深刻意识到生态的重要性,因而提出IT全栈式布局设想。且借鉴Wintel联盟历史,计划利用自身的ArmV8架构永久授权和多年芯片研发基础成为生态算力提供者,通过硬件开发、软件开源的合作基调,逐步退出高服务需求、专业性强的领域,让利和赋能合作伙伴,发挥产业集群效应,实现产业生态建立。

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(二)现状:雏形初现,各省市积极合作开展鲲鹏生态合作

首批150家生态厂商加入,产业联盟、华为沃土2.0计划、开发者社区和行业伙伴认证助力生态建设,产业链雏形初显。根据下图的鲲鹏计算产业全景图可见,华为以“鲲鹏”+“昇腾”两大CPU为核心,向外扩展生态。利用产业联盟、行业伙伴认证等措施推动产业集群效应,同时利用沃土计划和开发者社区,挖掘、培养、吸引更多的人才参与进鲲鹏生态建设。

除华为自身“赛道”外,优秀的ISV和合作整机厂商一起参与,推动鲲鹏计算产业的发展。具体的鲲鹏计算产业的伙伴企业包括:

操作系统:诚迈科技、中国软件;

服务器/pc:拓维信息、e星体育app官网、e星体育app官网软件

集成服务:太极股份、常山北明;

应用服务:用友网络、金山办公、神州信息

信息安全:北信源;

大数据:美亚柏科、东方国信、易华录;

中间件:东方通、宝兰德等

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鲲鹏生态建设获各地政府支持,迎来小高潮。自2019年7月华为和厦门市签订了鲲鹏生态基地和超算中心协议拉开政府共建生态大幕,近20个省市先后与华为签订不同类型的合作协议,涉及多家合作伙伴企业。获取政府支持和背书后,鲲鹏计算产业获良好开局。

(三)发展计划&举措:三步走定调产业发展节奏,三类”玩家”共推生态成熟

三步走完成从产业试点到全产业链打通过程,螺旋上升路径实现创新路上的持续正反馈。根据《鲲鹏计算产业白皮书》的规划,鲲鹏产业计划先在包括政务、电信、金融和互联网等重点行业竖立典型场景,打造标杆项目;后逐步扩展行业覆盖范围,利用技术优势推进各行业数字化业务的发展;最后实现全产业链打通,构筑基于鲲鹏服务器的完整生态。因而,在现处的第一阶段,鲲鹏产业需要先根据试点行业用户需求,孵化和完善面向行业的应用,打开产业空间,实现应用与需求的对接,通过商业化推广促进产业链各环节的持续创新,形成螺旋上升式发展路径,逐步扩大产业影响力和受众覆盖范围。

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开发、开源、互利为产业发展主基调,三类角色共同推进鲲鹏产业链发展。在主基调下,三类角色不可或缺。1、独立软件开发商等合作伙伴,他们基于鲲鹏处理器开发或适配解决方案、应用软件等产品,例如操作系统、中间件、行业应用等;2、基于鲲鹏体系的开发者,即参与开源社区建立,利用鲲鹏体系下的开源代码进行应用开发的公司或个人;3、客户,需要更强算力或数据资源来支撑现有业务的发展。上述三种角色既受益鲲鹏产业的生态资源,又推动产业生态的发展与成熟。因此,只有像华为这样国内科技产业巨头,才有能力聚集三类角色”玩家”,共同推进“新”计算生态的创立与成熟。

建立标准和开发者体系,针对硬件、基础软件和应用推出不同举措,借助产业政策,推动生态建立。现阶段我国的IT对美国平台具有诸多依赖,以至于国内硬件厂商净利润率整体偏低。为了改变现有生态格局,推进鲲鹏产业发展,华为在《鲲鹏计算产业发展白皮书》中对硬件、软件、应用等领域现状提出改进方法,包括开发处理器和PC主板、建立开源社区、开放OS源码等。同时提出建立产品标准体系、人才培养体系和产业政策,解决缺人才,缺通行标准、缺联盟效应的问题。

(四)空间:鲲鹏千亿级产业规模,软硬件厂商都将参与

数据爆炸式增长、处理器进入“后摩尔时代”推动新技术、新计算架构的探索,催化新的计算产业链条和新的生态体系及ISV厂商。根据IDC预测,全球计算产业投资空间预计到2023年实现1.14万亿美元,而中国市场作为全球产业的主要推动力,约占全球10%,近1043亿美元。

 

 

 

 

 

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二、华为:聚焦算力、赋能伙伴、共建计算产业,前期注重打造生态标杆项目

华为自身定位明晰,聚焦算力、赋能伙伴、共建计算产业。即核心聚焦处理器研发,推广数据库、公有云的覆盖范围,提供服务器端和IOT端的操作系统。早期注重生态标杆项目建设和产业链的正反馈,后期逐步实现硬件开放、软件开源,进一步让利于生态内的合作伙伴。根据华为在多场合就鲲鹏产业发言内容看,商用处理器(移动端麒麟、商用端鲲鹏、昇腾)、数据库、华为云、操作系统(鸿蒙和欧拉)、存储是公司重点聚焦的领域,中间件、PC操作系统、行业应用等软件市场将全面开放给生态伙伴。考虑到鲲鹏生态的初建,公司会利用泰山系列服务器为鲲鹏CPU在计算场景的多元化利用树立标杆。即前期会利用自己的硬件能力,对外提供主板、部件、模组等一系列产品支持合作伙伴生产服务器或PC,拉住第一批ISV厂商,构建全产业链架构,保证发展初期产业链的完备和可持续发展。后期待生态逐步完备成熟,华为会陆续退出服务要求高、专业性强的领域,进行进一步的产业聚焦。

(一)芯片:“鲲鹏”、“昇腾”提供算力,多年积累打造鲲鹏产业核心

长期投入,基于ArmV8架构开发最新“鲲鹏”处理器,自研架构开发“昇腾”AI处理器。华为采用长期投入、全面布局的战略围绕鲲鹏处理器打造了“算、存、传、管、智”五个子系统的芯片族。经历十几年的研究,推出商用处理器鲲鹏、AI处理器昇腾、手机SOC麒麟芯片、以及一系列专用处理器。公司根据“量产一代、研发一代、规划一代”的研发节奏,围绕生态建设需求和应用场景,对鲲鹏处理器进行指令集和微架构的兼容设计,兼容全球ARM生态,实现产业间的相互促进与发展。

鲲鹏920实现ARM架构业界性能最强,集成四大结构于单一封装。华为2019年1月对外发布鲲鹏920处理器,鲲鹏920采用最先进的7nm工艺,集成64个核心。通过优化分支预测算法,增加OP单元数量并进一步改进内存子系统架构,整合8通道的内存控制器,提升处理器性能,使得带宽增加幅度达48%。在SPECint基准测试中,鲲鹏服务器测试得分超过930,超行业基准25%,同时电力效率高同业30%,实现更强性能的同时降低功耗。此外,鲲鹏芯片中集成了传统计算芯片的四大结构,包括网络、存储、主控芯片和CPU于单一封装中。

对标Intel服务器级芯片XEON-8180,48核数据跑平,功耗低20%。鲲鹏920处理器是专为大数据处理和分布式存储等应用场景设计,因而应用场景与INTEL“至强”(XEON)类似。鲲鹏920(Hi1620)包括32、48和64核。在SPEC测试中,48核的鲲鹏920与IntelXEON8180的性能相当,而64核的测试性能要优于XEON8180。且48核的鲲鹏功耗为150W低于XEON8180的205W。此外,进一步对比内存等指标和集成网卡等特点,鲲鹏920在海量存储的应用场景中更有优势。

昇腾310和昇腾910两款AI芯片拉开华为AI处理器产品之路。华为基于自研的达芬奇框架,推出用于边缘计算和低功耗场景下的昇腾310和主打训练和高效计算的昇腾910。具体来看,基于典型配置的昇腾310,在八位整数精度(INT8)下的性能达到16TOPS,16位浮点数(FP16)下的性能达到8TFLOPS,而其功耗仅为8W;昇腾910在八位整数精度(INT8)下的性能达到512TOPS,16位浮点数(FP16)下的性能达到256TFLOPS,是英伟达V100Gpu的2倍。

“昇腾910”是已发布的单芯片计算密度最大的AI芯片,单片执行速度超过同期AI芯片。910除了基于达芬奇架构的AI核外,昇腾910还集成了多个CPU、DVPP和任务调度器(TaskScheduler),因而具有自我管理能力,可以充分发挥其高算力的优势。其制程采用的是7nm+技术,16位浮点下的单片计算速度为256TFLOPS,高于目前谷歌TPU3.0的90T和英伟达V100的120T。

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基于“昇腾910”AI芯片,推出超强算力的Atlas900AI训练集群。华为通过数千颗昇腾910互联构成Atlas900AI训练集群,通过部署大规模分布式AI集群环境来提高神经网络训练系统的浮点计算能力,而每颗昇腾910AI处理器内置32个达芬奇AICore,使得单芯片提供比业界高一倍的算力,促使Atlas900训练集群总算力相当于50万台PC的计算能力。目前,华为已在华为云上部署了一个集聚1024颗910的Atlas900AI训练集群,基于当前最典型的“ResNet-50v1.5模型”和“ImageNet-1k数据集”,Atlas900AI训练集群只需59.8秒就可完成训练,排名全球第一。

(二)服务器&PC:前期利用泰山服务器竖立标杆,后续主要提供主板和部件支持整机厂

基于“鲲鹏920”芯片,推出三款泰山服务器。华为2019年1月,基于鲲鹏920芯片,推出面向大数据、分布式存储、ARM生态和高性能计算等应用需求的三款泰山2280(均衡型)、泰山5280(存储型)、泰山X6000(高密度)服务器。

开发主板,后续提供主板支持整机厂进行自研服务器和PC。华为计划在2019Q4起逐步开放基于标准规范的服务器主板和PC主板,帮助整机厂商快速开发基于鲲鹏处理器的服务器和PC等产品,降低系统设计和开发难度,缩短产品上市时间。此外,华为也在多场合表示,华为开发TaiShan服务器的根本目的是立标杆,使能产业链早期可以顺利推进。条件成熟时,华为会逐步停止TaiShan服务器销售业务,转为以主板和部件等方式全面支持和服务更多整机厂商共同发展。

不做PC整机,和整机厂合作开发自研品牌PC。在华为与山西百e星体育app官网合主办的鲲鹏计算产业发展峰会上,山西百信展示了基于华为鲲鹏构架自研的“太行220s”台式机样机和“恒山”服务器。其中“太行220s”台式机采用基于华为鲲鹏920S开发的办公应用型主板,搭载1个鲲鹏920处理器(4/8核,2.6Ghz),拥有6个SATA3.0硬盘接口,支持2个M.2SSD插槽,拥有4个DDR4-2400UDIMM插槽,最大容量64GB。此外华为集团高级副总裁张顺茂接受采访时表示,“华为确实为国产台式机提供芯片,型号为鲲鹏920S;我们只提供台式机芯片,不做整机。”

多家关于鲲鹏服务器的整机合作已落地,鲲鹏服务器产能预计将在20年下半年开始释放。从一系列合作和公司态度看,华为未来将退出服务器整机厂的定位,转型为核心零部件厂商。由合作的整机厂为市场提供终端产品。

(三)存储:多品类布局,中高端市场发力

2019年,华为存储位列中国存储市场份额第一,中国全闪存、高端存储、中端存储市场份额第一。华为自2012年起开始推出面向企业的存储产品,已服务于全球150多个国家的超过8000家客户,已连续两年成为Gartner通用存储阵列魔力四象限领导者。

存储产品分为四大类型,包括全闪存存储、混合闪阵列、云存储、数据管理,存储产品收入持续上升。华为存储产品主攻中高端企业市场,通过自研智能芯片、Flashlink智能算法加持、NVMe框架等支持多控制器等技术实现中高端智能存储需求,满足大型数据库、数据分析等大型企业客户需求。

(四)操作系统:开源欧拉OS+鸿蒙OS,打造服务器与IOT的生态基础

欧拉OS是华为面向企业级通用服务器推出的操作系统软件,鸿蒙OS面向多款智能终端。

欧拉OS全面支持鲲鹏服务器,现在是支持泰山服务器的操作系统之一。欧拉OS是基于开源技术的开放的企业级Linux操作系统软件,欧拉OS基于centOS稳定版本,集成类先进的Linux技术,在系统性能、安全性、可靠性以及容器技术等方面实现技术增强。欧拉OS在鲲鹏服务器应用中具有多重优势:1、支持多核并发能力,首次在鲲鹏处理器架构内实现内核热补丁;2、通过鲲鹏处理器的关键特性使能,实现了核心业务场景性能突破,并在Linux内核、虚拟化、GCC、OpenJDK及Docker等开源社区持续贡献,催熟产业生态。

开源欧拉OS,联合伙伴企业成立开源社区,打造开源欧拉生态。2019年9月华为宣布将欧拉OS正式开源,同时宣布与深之度、e星体育app官网麒麟、普华软件等公司联合推出OpenEuler开源社区。OpenEuler定位为面向全球的操作系统开源社区,华为通过发布社区操作系统版本实现技术共享,商业发行商可对OS进行二次开发,个人、企业等也可直接使用社区版OS。

鸿蒙OS是华为为智能终端打造的核心操作系统,是华为IOT生态建设的基础。华为自17年起开发鸿蒙内核,并在2019年基于智慧屏产品推出开源框架和核心自研模块的鸿蒙OS1.0。预计2020年推出鸿蒙OS2.0,将采用微内核框架、支持多语言统一编译,并在手表/手环/车机等产品中使用。后续,将进一步对鸿蒙OS进行升级开发,致力于将其广泛运用在IOT中。

鸿蒙OS具有全场景、分布式、微内核和跨终端的四点特征。现阶段支持Linux内核、鸿蒙微内核、LiteOS等多款内核,未来会统一基于鸿蒙微内核。全场景:基于分布式管理实现调度和虚拟外设,实现跨终端的无缝使用;分布式:基于确定时延引擎和高性能PIC技术,实现系统高性能;微内核:基于全新设计,实现最基本的应用和核内安全,核外提供系统及其余应用服务;跨终端:基于统一的IDE环境实现一次开发,多端受用,实现应用跨终端共享。

应用数量决定鸿蒙OS后续发展前景,HMS助力鸿蒙OS发展。为推动华为HMS生态发展,华为将全面开放HMS,同时公布10亿美金的耀星计划,计划在全球举办超过100场活动,鼓励全球开发者加入华为HMS生态。随着华为手机、PC、可穿戴设备销售量和市占率的逐年上升,尤其是华为手机全球市占率超13%,是HMS推广的机遇。待鸿蒙OS的待适配条件成熟后,可直接将HMS生态下的应用直接迁移至以鸿蒙OS为操作系统的手机上,实现华为手机全自有配置,也可提升鸿蒙OS的适用性和使用感。

(五)数据库:分布式数据库,支持X86和ARM双框架

GaussDB为企业级、具有AI性能的分布式数据库。华为GaussDB是一个企业级AI-Native分布式数据,采用MPP(Massive Parallel Processing)架构,支持行存储与列存储,提供PB(Petabyte,2的50次方字节)级别数据量的处理能力。可以为超大规模数据管理提供高性价比的通用计算平台,也可用于支撑各类数据仓库系统、BI(Business Intelligence)系统和决策支持系统,为上层应用的决策分析提供服务。

经历自用、产品、创业化三阶段,华为数据库正式面向全行业。华为从2001年底开始进入数据库领域,历经20年发展,于19年正式对外发布企业级分布式数据库——GaussDB。第一阶段(2001-2011):聚焦电信行业,围绕公司的电信业务展开,研发的分布式内存数据库,主要为了在电信领域里面满足在线计费业务的需要;第二阶段(2011-2019):成立实验室,进入产品化研发阶段。期间分别通过和工商银行、招商银行联合创新,分别推出了企业级的分布式OLAP数据库、分布式OLTP数据库产品;第三阶段(2019-未来):正式对外发布企业级分布式数据库,进入产业化阶段。该阶段内华为将携手产业合作伙伴共同打造开放繁荣的数据库产业生态。例如,在金融领域,华为携手神州信息针对银行推出一体化解决方案,覆盖芯片到服务器到操作系统数据库到应用,再到全栈自主研发的解决方案,满足银行自主可控需求。

高可靠、高性能和高扩展为GaussDB核心优势,其中ARM/X86通用意在瞄准国内替换市场。华为GaussDB的高可靠性表现在全组件HA,无单点故障。即数据节点采用HA+Handoff技术,协调节点多活。扩容业务不中断。扩容过程中支持数据增、删、改、查,及DDL操作;由于全并行计算,行列混存+向量化执行,因而实现万亿数据关联分析秒级响应;并行BulkLoad,数据快速入库体现数据库的高性能;数据库采用Shared-nothing架构,具备超强的Scale-out横向扩展能力,可扩展至2048节点;可通用X86/ARM架构,扩容成本低。

GaussDB-OLTP(事务性数据库)是基于电信计费领域规模商用的自研内存数据库进行全面改造。支持x86和华为Kunpeng硬件架构,基于创新性数据库内核,提供高并发事务实时处理能力和分布式高扩展能力,用于支撑金融、政府、电信等行业核心关键系统。支持单机、主备、分布式等主流部署方式。目前GaussDB-OLTP数据库在基于华为Kunpeng硬件架构的16节点的TPC-C标准测试中,性能达到千万级tpmC。根据测试情况,GaussDB-OLTP展现四点特性高可用、高性能、高扩展和兼容性。

GaussDB-OLAP(分析型数据库)是2011年开始预研,之后基于PostgreSQL9.2.4进行全面改造,目前已经形成完整自研内核。GaussDBOLAP是可进行大规模并行处理的分布式数据库,支持行列混合存储以及线程化,能够支持高达2048节点的集群规模(已经通过信通院的512节点认证)。数据库内核三大引擎中,优化器(含SQL解析和SQL优化)、执行引擎、存储引擎,除了SQL解析部分,其他都已重构。作为企业级分布式数据库产品,GaussDBOLAP数据库还提供了包括运维管理、开发工具、迁移工具、数据复制工具等五大完整工具集。由于数据库主要面向OLAP场景,支持MPP(大规模并行处理)分布式部署方式,故而产品特点具有高可用、高性能、高扩展、数据融合、计算融合、数据安全等特性。

数据库的生态体系和迭代进度决定产品后续发展。Oracle数据库的垄断地位是随着WINTEL体系在PC时代逐步建立的,而AWS数据库则是依托云计算和互联网公司对数据库的需求逐步推广使用的。华为Gauss数据库随着华为鲲鹏产业发展带来的华为IT架构发展,容易形成整体耦合性进而有望逐步被推广使用。对比三款数据库的使用架构看,Oracle和AWS仍主要支持X86,而Gauss可以支持X86、ARM等异构场景,可适用于更多的计算场景。从现阶段的客户看,Oracle客户多为传统大型企业,AWS以互联网公司为主,Gauss目前主要在银行、电信等行业存在用户,客户数量存在劣势。随着鲲鹏体系的推广和客户数量的增多,客户反馈的加速,Gauss的迭代和优化进程有望加速。因此,我们认为鲲鹏体系和Gauss数据库发展为相辅相成的关系,随着产业生态进一步发展,Gauss的用户也有望随之增加。

(六)华为云:多元架构,具备多核高并发能力

华为云鲲鹏云服务是具备多核高并发能力、提供多元架构、支持混合云模式的云计算平台。华为云基于鲲鹏处理器的云服务最多可支持128个物理核,10倍提升ARM原生应用的高并发处理性能,可同时兼容X86与鲲鹏架构,拥有全栈混合云解决方案。在AI、大数据、HPC等场景下,可以提供多元算力,支持移动端应用无缝平滑上云,也可以通过云联邦混合云联接华为公有云的全量服务,满足全行业企业的数字化转型的需求。

四大鲲鹏基础云服务、全栈混合云华为云Stack8.0助力企业上云。目前华为云已发布五款鲲鹏云基础服务,包括鲲鹏裸金属服务器(BMS)、鲲鹏弹性云服务器(ECS)、鲲鹏云容器引擎(CCE、CCI)、鲲鹏云手机服务(CloudPhone),具有多核算力、高性价比、端云协同、生态丰富等优势。此外,2019年9月华为云还发布了基于鲲鹏处理器的全栈混合云解决方案华为云Stack8.0,具有“X86+鲲鹏”双架构、“云上+本地”双平台,公有云、私有云统一架构等特性,实现将应用数据部署在线下的私有云、需求部署在公有云的平台上的多场景协同、“一个企业一朵云”的混合云交付模式;用户也能够实现X86和鲲鹏体系的混合部署,实现无缝连接。

 

三、天时地利e星体育app官网助推鲲鹏产业链发展

计算产业的发展受益于IT技术的革新,受制于软硬件高耦合性带来平台霸权。鲲鹏计算产业现在正处天时地利e星体育app官网助推阶段,受益云计算带来的技术变革、享受开源计划的助力、拥有千亿市场和人才的储备,看好产业后续在八大重点行业的发展与扩张。

(一)天时:云计算发展颠覆PC时代对单机性能的追求,开源计划兴起助力打破垄断

云计算带来IT时代新变革,削弱软硬件高度耦合影响,开源软件实现定制需求。在传统PC配置中,企业级IT服务受制于安迪比尔定律,需先购置一批高价软硬件和配备专业的IT技术人员维护,后方可开展业务。且由于各软件对运行环境的不同,致使容易存在兼容性问题。而云计算的出现则利于削弱兼容性和高度耦合问题,满足企业IT需求的同时削弱投入成本,打破数据与应用孤岛。此外,互联网企业利用开源定制化软件降低成本,推动开源计划兴起,实现开源基础软件在云计算时代市占率上升。

云计算下分布式计算和存储削弱终端性能,国产CPU进入云产业成为可能。服务器作为云计算数据中心最重要的硬件需求,不似之前企业级高性能通用型服务器需求,云厂商的主要采购需求是高性价比定制型服务器。分布式存储与计算的优势使得拥有惊人计算和存储能力的华为云、阿里云等云厂商采购的多数是性能较为低端的X86服务器,单个芯片或单台性能不成为被追求的目标,叠加“后摩尔时代”的到来,国产CPU的同期性能虽低于Intel同期产品,但云计算造成单机性能需求降低,国产CPU进入IT系统成为可能。

云计算数据处理与存储中心化,带动后端硬件集中度上升。硬件厂商捆绑云厂商,稳定在云时代的市占率与出货量。对比传统IT架构下由一个个PC终端构建的硬软件生态体系,云计算带来的算力与存储需求集中导致IT产业从个体消费级需求往企业级市场转变。具体来看:1.全球IT基础设施采购量逐步向云计算厂商集中,云厂商的CAPEX很大程度上影响硬件销售情况和迭代需求;2.硬件类型从高性能商业通用型向高性价比定制型转变,云厂商采购的IT基础设施的集中度高于传统消费型市场。因而与云厂商捆绑将助于硬件厂商稳定市场份额,鲲鹏产业捆绑华为云,前期稳定硬件厂商出货量,形成产品迭代的正循环。

云应用提高兼容性,削弱对操作系统、硬件环境的依赖,打破Wintel联盟限制。云计算条件下的终端应用,是由软件模式逐步转为通过WEB服务方式提供,因而对终端操作系统和处理器性能需求降低。云计算设想的终端条件,是只需要浏览器即可运作应用,类似于现阶段的小程序等轻量级应用。因而随着终端应用轻量化,使得应用开发会一定程度上摆脱对原有操作系统和硬件生态的限制,使得Wintel联盟不攻自破。

Wintel以外是开源的世界,互联网巨头助力开源计划。目前Wintel打造的硬软件生态是个人PC时代的信息垄断,垄断CPU和基础软件行业,即Intel在CPU市场的份额为80.7%(2020),微软在操作系统市场的份额为80.5%(2020)。除此以外的市场份额被开源产品占据,例如ARM对抗Intel,Linux对抗微软,MySQL等开源数据库对抗Oracle。云计算带来的是软件和应用的革命,从而进行逆产业链的革新。云厂商掌握者最强算力和技术最新的数据中心,因而需要高集成、模块化、面向应用的硬件设备,这些是传统品牌商无法提供的,因而Facebook、阿里巴巴、LinkedIn先后发起了硬件开源计划,通过重新设计硬件技术,满足云计算带来的计算基础架构更新需求。

华为、阿里的巨头回补IT生态,利用自身需求和影响力吸引开源市场参与者。目前中国IT建设是基于美国平台的,造成即使中国IT市场的增速成为全球IT最主要动力,却因缺少核心价值产品无法出现类海外的软硬件巨头。而在互联网、通信行业领域,我国出现了华为、阿里这样的万亿公司。他们凭借着多年技术积累,逐步优化、迭代开源产品,例如:华为的鲲鹏、昇腾芯片,鸿蒙、欧拉操作系统,GauseDB系列数据库和阿里云的飞天云计算底层架构、Oceanbase数据库等。上述巨头利用庞大的产品体系和自身需求,推动更多开发者进入他们的开源体系,通过参与巨头IT生态的开发与建立,探索应用或集成以外的商业模式。

(二)地利:庞大的终端替换与升级市场,战略需求下带来的政策支持

庞大人口和经济体量带来市场需求,劳动力价格上升加速信息化化进程。目前中国的GDP总量和美国差距在缩小,而庞大的人口基数和智能化产品的普及导致中国PC市场占比维持在20%以上。随着中国劳动力价格的上升,工业发展持续进入智能化与信息化升级阶段,利用IT技术提高效率需求日益凸显。因此,整体看我国市场属全球最大IT需求市场之一,具有庞大的人口和工业基础需求,劳动力成本上升带动IT升级需求。

明确IT核心的战略地位后,国家出台一系列文件支持、鼓励建设自有生态。国家自2001年起先后发布多项重量级政策和文件,自十三五开始多次在重要会议上提及信息创新产业链的产业高度和发展必要性,并于2018年首次发布国产化信息产品《适配名录》,常年对处于信息创新链的相关企业提供研发补助、财政补贴和税收优惠。未来基于外部环境变动和战略定位,信息创新仍将持续受益政策利好,政策助力党政和重点行业对信息创新产品需求上行。

(三)e星体育app官网:多年技术积累开启产业化进程,沃土计划、人才培养提供新活力

信息创新建设历经20多年发展,进入产品全面可用阶段。国家自1999年开始进入“核高基”时代后,先后经历去“IOE”、芯片半导体安全可控时代,到现在的全面信息创新时代。经历20多年的筚路蓝缕后,我国自主研发的底层芯片如龙芯CPU、鲲鹏CPU、海思CPU;e星体育app官网麒麟、天津麒麟、深度、UOS等操作系统;人大金仓、武汉达梦数据库等相继亮相。可见现阶段我国IT核心产业如基础软件和芯片市场均有自研可用产品。

自研产品的单打独斗无法形成生态,鲲鹏计算产业的建设则是从市场角度出发致力联合多家ISV打造生态。正如前文所说Wintel体系下的软硬件高度耦合,在提供框架与兼容性标准的同时也绑架了体系下应用与基础软件的开发。鲲鹏计算产业的出现则是建立一套基于ARM的开源生态,提供硬件开放、软件开源,先通过满足自用需求,再逐步往重点行业推广的策略汇聚全产业链优质企业一起推动生态建立与发展。即在自用需求上完成对产品的初步打磨,再推入市场加速产品更新与迭代。

中芯国际的技术发展或将承接部分华为芯片流片工作,台积电7nm芯片仅包含约9%的美国技术受限概率低。华为鲲鹏产业基础是鲲鹏+昇腾两大芯片,因而在外部环境影响下,市场对流片环节的担忧更甚。一方面是外部环境缓解,华为再获90天延期许可,趁此机会华为可以提前备货,例如华为在2018年的财报中的存货达到965.45亿元,同比增长33.44%;另一方面美方对“美国最低含量标准”最低限在10%左右,根据路透社报道称台积电内部评估,台积电7nm及以下制程源自美国技术含量不到10%,而最新的鲲鹏920芯片和昇腾910芯片均采用7nm工艺制程,因而可继续供货。此外,对于14nm制程,台积电评估美国技术含量在15%以上或将受限,但中芯国际已宣布可流片14nm制程芯片(包含改进12nm技术)实现量产,并将于2021年正式出货。因而需14nm/12nm技术流片的华为可与中芯国际合作,缓解外部限制。

华为沃土2.0计划和教育部招生政策往国家战略需求倾斜,新鲜优质人才助推鲲鹏产业计算发展。华为沃土2.0计划希望通过产品、赋能、联盟、社区和激励五方面升级和推动鲲鹏生态发展,预计未来5年总投资高达15亿美元。根据华为副总裁张顺茂的讲话称,华为从2015年发布“沃土计划”至今已吸引超过130万开发者和14000家ISV加入,希望通过“沃土计划2.0”将开发者数量在未来5年内增加至500万。同时他透露未来“沃土计划”还将细分为高校教研扶持计划、开发人员成长计划、初创企业扶持计划和合作伙伴发展计划针对开发者的不同阶段,“沃土计划2.0”的激励基金分别设有学习成长基金、产品开发基金和市场发展基金。此外,在2020年高考政策提出强基计划,强调选拔志于服务国家重大战略需求且综合素质优秀或基础学科拔尖的学生,重点在在数学、物理、化学、生物及历史、哲学、古文字学等相关基础专业招生;2020年国家研究生计划增量的前提下,提出将增额重点投向临床医学、集成电路、人工智能等高层次的应用型人才。因此,新鲜优质人才的招募和集成电路、人工智能等高尖端专业人才数量的增加,是发展我国IT生态的重要推动力。

 

四、复盘历史:为何此时看好华为ARM服务器发展

回顾过去10年,Intel处理器基本垄断了近250亿美元的服务器处理器市场,市占率持续超过90%。事实上,AMD旗下皓龙处理器(2003年)曾在服务器市场上占据了26%的份额,ARM阵营也一直在努力服务器CPU产品化,但相对保守和求稳的服务器市场,使得处理器的更迭上远慢于终端PC市场。云计算和互联网产业发展致使互联网巨头对服务器需求快速上涨,商业利益致使其直接自己设计和定制白牌服务器导致服务器整机市场的重构,之后存在下场设计处理器并再次重构服务器芯片市场的可能。而华为受益手机业务和云需求,正处引领打造ARM生态历史的时点上。

(一)复盘:ARM服务器CPU多年折翼史和新阶段

ARM体系下的服务器CPU发展历史可大致分为3部分,关键词分别为募资失败、逻辑与市场的背离、新”玩家”。

第一阶段(2008-2013)募资失败:Arm参投Calxeda公司,计划研发处理器,意图降低数据中心的耗能,并且提高相同空间的计算力密度,首期募资$48M。2011年Calxeda发布它基于A9的芯片EnergyCoreECX-1000,该产品管理引擎最强的地方在于功耗管理,可实现4w到1w动态调整,每个节点的制造成本大约是$28。2013年因募资失败,无法继续ArmV8即A15芯片研究的时候,Calexda宣布破产,两轮融资合计$103M。复盘Calxeda的失败,其在32bitARM芯片的研发上花费太多,当低成本的服务器芯片配套设计的是昂贵的高密度网络支持(3G时代),只会增加成本。即设计与现状配套环境的不匹配和资金规划问题,导致Calxeda的失败。

第二阶段(2011-2018)逻辑与市场的背离:2011年Arm宣布了64bit的Armv8,AppliedMicro公布了X-gene的计划,标志着第二轮ArmV8浪潮的开始。在第二阶段中,APM的X-gene,Cavium的ThunderX,高通的Centriq2400,甚至三星的投入,都是以自研核心、标准设计为研发基础。但ARM框架下多厂商的竞争与发展,导致力量分散,缺少规模效应,使得性价比优势并不明显。此外,Intel自身就是利用开放的工业标准的高性价比处理器打败了所有私有RISC处理器,而ARM想用更开放的生态和更高的性价比在缺少软件生态的支持下,更开放的硬件生态优势并不明显。因而,半导体业界和系统厂商推动ARM处理器发展带来的逻辑与市场的背离,商业化发展需求导致厂商无法长期投资,导致二轮发展浪潮的终结。

第三阶段(2018-至今)新“玩家”:AWS、华为、Ampere等厂商意图从云厂商的市场需求出发,打破Intel的垄断,借助ARM框架开发处理器。之前高通开发ARM芯片意图也是寄予低功耗可以降低数据中心运营成本的优势,但这条逻辑需要云厂商的采购验证。而以AWS、华为为代表的云厂商,自研芯片可直接用于自身云服务,验证芯片性能的有效性,使得客户从设计之初便被确定。此外,考虑到ARM处理器是需要生态支持的,鲲鹏计算产业和PelionIoT平台的成立,即总结了之前的经验,通过生态共同建设,推进ARM处理器发展。

(二)ARM框架优势:低能耗,移动市场的高占比满足异构性

ARM架构选择具有三点显著优势:低能耗、并发处理优势和云端同源需求。

(1)低能耗。由于超/大型数据中心的建立往往会受到能耗限制,致使市场对高效率、低成本、低能耗的绿色计算需求越来越强烈,也给绿色计算产业带来前所未有的发展机会。“降低数据中心的耗能,并且提高相同空间的计算力密度”是ARM架构下处理器的一致追求,且从现有的ARM处理器看,同等测试条件下的低能耗是其核心优势。

(2)更优并发处理效率。以Arm为代表的RISC通用架构处理器,在分布式数据库、大数据、Web前端等高并发应用场景下,因单芯片核数更多相比传统处理器拥有更好的并发处理效率。

(3)云端同源带来的ARM架构需求。移动终端正在快速取代传统PC在终端市场中的地位。为了降低应用开发者在异构环境下进行二次开发所造成的性能损失和潜在漏洞风险,以及随着这些海量移动应用向云上迁移,端云协同将成为主流,端云的架构相互影响渗透,并将逐步走向趋同,这点上ARM具有优势。

(三)基于手机芯片技术+华为云自身需求,双重动因推进ARM框架芯片研发

从技术路线、成本、市场需求、利润、现存问题的解决方法五个角度分析,看好当前华为推出ARM服务器。

技术路线:华为完成从手机业务+手机芯片+服务器业务+服务器技术进化到ARM服务器业务+ARM服务器芯片的技术发展路线。对比之前研发ARM服务器失败的公司,华为通过手机业务分摊ARM服务器的研发成本和自身消耗服务器实现客户需求的自我验证,是其研发ARM处理器的优势。例如HP也研发过ARM服务器,但是没有庞大的手机芯片分摊CPU的研发成本;高通也研发过ARM服务器芯片,但是除了芯片以外,没有服务器技术,且自身运营策略出现问题。

成本:庞大的产品体系和诸多BG分摊研发成本。考虑到服务器所用SSD控制器,网络背板,PCI-E,SATA等属于服务器通用技术。理论上不需要单独的ARM服务器研发部门支付,因而上述通用技术的研发成本可由华为的不同BG负担,并在华为服务器、交换机等硬件销售利润中进行对冲。此外,研发ARM芯片的核心成本是Ares内核和外设控制电路的研发成本。考虑到华为自身同时研制手机芯片、路由器芯片、交换机芯片等,以鲲鹏芯片为代表的ARM芯片的研发成本或比其他专做ARM服务器芯片的厂家的成本要低。

市场空间:①早期考虑政府和八大行业的替换采购需求。②考虑APP运用开发商对ARM服务器测试APP的市场需求,则市场空间有望继续上涨。目前手机APP的开发市场非常大,除了华为研发的应用和其生态下的应用,还有其他厂家的手机APP和游戏APP。考虑开发兼容和减少转化底层开发架构的工作,如果华为后续的ARM服务器可将手机芯片和服务器芯片拉通,且若华为出售的ARM服务器整体方案不比X86服务器的方案贵,则APP开发商将乐于采购ARM服务器。

利润:①鲲鹏CPU的毛利润约为50%-60%,净利率约为20%-30%。参考近三年英特尔、英伟达、高通、赛灵思和迈威尔等主流IC设计企业毛利率主要落于50%~60%区间,净利润率约为25%-30%左右;②考虑华为之前需要外采X86服务器来测试手机APP,替换为自身的ARM服务器后,将节约掉虚拟机、模拟器的开销,以及不能进行原生性软件测试所带来的各种开销;③政府补贴。

现存问题的解决方法:①缺少软件生态:建立鲲鹏计算产业,早期对伙伴企业进行补贴,后期让利市场空间,吸引优秀ISV进行软件生态的建设;②缺少客户:早期华为自产自用,现成立鲲鹏产业后可通过伙伴企业帮忙建立销售渠道,进行销售。

 

五、产业生态合伙企业华为占据处理器、存储、数据库等核心“赛道”外,优秀的ISV和合作整机厂商一起参与,推动鲲鹏计算产业的发展。

具体的鲲鹏计算产业的伙伴企业包括

操作系统:诚迈科技、中国软件;服务器/pc:拓维信息、e星体育app官网、e星体育app官网软件集成服务:太极股份、常山北明;应用服务:用友网络、金山办公、神州信息信息安全:北信源;大数据:美亚柏科、东方国信、易华录;中间件:东方通、宝兰德等重点关注:诚迈科技、中国软件、拓维信息、e星体育app官网、用友网络、金山办公、神州信息、东方通

诚迈科技:合并深之度,打造UOS操作系统

中国软件:操作系统国家队,子公司整合为“麒麟软件”

拓维信息:行业一体化解决方案提供商,华为智能硬件生产销售商

e星体育app官网:优质分销体系,参与鲲鹏服务器生产

e星体育app官网软件:与华为合作研发“鹏霄”服务器,战略级ISV合作伙伴

常山北明:重要合伙企业,牵手华为打造智慧城市试点项目

太极股份:助力鲲鹏在政务领域渗透,云业务有望持续丰富

用友网络:SAAS云服务提供商,ERP行业龙头

金山办公:办公软件和服务龙头,华为云鲲鹏凌云伙伴

神州信息:金融科技全产业链服务商,新型金融产业融合生态有望持续发展

北信源:安全商业联盟成员,为鲲鹏生态打造安全护盾

美亚柏科:电子数据取证行业龙头,携手华为开辟公安大数据新领域

东方国信:国内大数据龙头,与华为共建政务数据治理解决方案

易华录:华为领先级ISV,数据湖商业模式国内独一家

东方通:重要合伙企业,安全领域中间件支撑华为鲲鹏生态

宝兰德:中间件通过鲲鹏认证,深耕中国移动市场

六、研究院鲲鹏产业展望

鲲鹏创新中心成立以来,紧紧围绕软件生态平台、产业聚合平台、人才培养平台、行业使能平台为核心,构建武汉计算产业生态体系。深入落实武汉城市战略定位,突破产业链瓶颈,打造具有全国竞争力的鲲鹏产业创新生态体系,对接武汉市内软件企业387家,完成358个解决方案的鲲鹏适配认证,为武汉市软硬件企业增加创收1亿以上;以生态聚合为引领,夯实信创产业基础,构筑300余家武汉软硬件企业组成的百亿鲲鹏产业核心生态圈;以技术赋能和人才培养加快信创产业增长,通过智能基座、鲲鹏产业学院、技术沙龙实现政产学研用深度融合;以创新链带动产业链,深入推动信创产业协同发展,与统信软件、中地数码、武汉绿网等行业头部企业合作共建生态联合实验室,围绕关键核心技术开展协同攻关,打造具有创新、研发和供给能力的国内创新高地;全方位支撑长江计算构建核心能力,相继突破运营商、金融、政务等核心场景, 2021产值突破10亿元,产品体系逐步完善,市场快速打开,进一步夯实湖北计算产业基础。

未来长江鲲鹏将继续贯彻落实武汉市突破性发展数字经济的战略部署,利用武汉市数字产业化和产业数字化优势,为各行业领域数据提供更为多样、安全、高效的算力保障。以鲲鹏、昇腾、欧拉等根技术为支撑,支持武汉市人工智能计算中心、武汉云建设及武汉超算中心规划,建立以鲲鹏为底座的数字经济自主发展新生态,助推武汉数字化产业发展。

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