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目录
1 服务器与CPU技术综述
1.1 服务器综述
1.1.1 服务器的发展历史
1.1.2 服务器的组成
1.1.3 服务器的分类
1.1.4 服务器集群与冗余技术
1.1.5 虚拟化技术
1.2 CPU综述
1.2.1 CPU的组成
1.2.2 CPU与GPU和DPU的分工
1.2.3 CPU指令集
2 服务器CPU架构概况
2.1 服务器CPU的架构分类
2.2 CISC-x86
2.3 RISC- ARM
2.4 RISC-V
2.5 其他
2.5.1 Alpha
2.5.2 MIPS
2.5.3 SPARC
3 服务器软件生态
3.1 操作系统
3.2 LLVM
3.3 （运行）库
3.4 云计算/容器/虚拟化
3.5 数据库/中间件
4 服务器CPU演进趋势
4.1 CPU优化的传统方向
4.1.1 工艺制程提升
4.1.2 并行度（核数）提升
4.1.3 缓存提升
4.1.4 专用指令集
4.2 CPU提升性能的新趋势
4.2.1 HBM与Chiplet
4.2.2 异构集成
4.2.3 存算一体
4.2.4 动态可重构/软件定义芯片
5 服务器CPU市场
5.1 服务器CPU产业链
5.2 服务器CPU市场规模
5.3 竞争格局
5.4 主要国外厂商
5.4.1 Intel
5.4.2 AMD
5.4.3 Amazon
5.4.4 SiFive
6 国产服务器CPU的市场机遇
6.1 国产服务器CPU发展路线
6.2 国内数字化需求
6.2.1 新基建
6.2.2 东数西算
6.2.3 5G与边缘计算
6.3 自主技术替代需求
6.4 互联网大厂的元宇宙布局
6.5 高端CPU与IP核心技术稀缺
7 国产服务器CPU厂商
7.1 x86架构：兆芯、海光
7.2 RISC-V架构：睿思芯科、赛昉、平头哥
7.3 ARM架构：飞腾、鲲鹏
7.4 MIPS架构：龙芯
7.5 Alpha架构：申威
服务器CPU的产业链上游包括EDA设计工具、IP核、第三方设计服务、半导体制造设备、代工及封装测试几大板块，代表企业如Cadence和Synopsys等EDA设计工具厂商、ASML等半导体制造设备厂商、台积电和三星等代工厂。目前CPU上游企业多为国外知名厂商，具有较大垄断优势，国产化程度较低。
服务器下游则包括服务器整机厂商和行业解决方案厂商。与服务器CPU紧密相关的还有服务器操作系统（OS）与服务器软件生态。
对于国产服务器CPU而言，高端先进工艺EDA软件、先进工艺IP核（特别是高速缓存IP核、加速IP核）、先进工艺半导体代工厂（涵盖Chiplet代工）是服务器CPU产业链上的关键环节，也是影响国产服务器CPU发展进程的“卡脖子”技术。
根据IDC数据，2021年全球服务器市场规模超过1,000亿美元，未来在全球应用数据量快速增长以及云计算蓬勃发展的背景下，以及疫情催生的线上办公潮的助推下，服务器作为最核心的算力基础设施，在全球市场进入快速扩容阶段。预计未来5年全球年化增长保持6%以上增速，到2026年市场规模近1,600亿美元。
在我国，传统产业的数字转型刺激着以云计算为代表的底层IT基础设施建设发展，服务器在云计算硬件成本占比超过75%以上，将有望受益于云计算的增长；此外随着5G的商用，物联网等新应用场景加速落地，海量数据运算和存储需求爆发增长，叠加“东数西算”等新基建建设要求，预计未来5年我国服务器市场规模将保持10%以上的增速，2025年将突破2,500亿元。
CPU是服务器最核心的部分。根据IDC统计，全球服务器CPU产品目前在线程、工艺和主频上各有不同，按照1,500美元/片的平均单价以及3,000万片/年的出货量测算，2019年服务器CPU在全球市场规模约为450亿美元，国内市场服务器出货量约占全球的30%，市场规模大约为135亿美元/年。
云计算市场正在以惊人的速度爆发，其承载的业务规模和类型都已经相当巨大，对于计算系统提出了更高的要求。
对于各类IDC和互联网厂商，需要通过与业务结合更紧密的CPU，并降低服务器CPU的综合成本。
相对x86这类封闭架构，arm/RISC-V的成本优于x86架构，而且服务器软件生态壁垒在逐渐降低。因此在云计算场景下，云服务巨头根据自身业务自研定制arm/RISC-V服务器 CPU成为一个趋势，包括亚马逊、微软、阿里巴巴、字节跳动都先后踏入了自研CPU的道路。
此外，如果要打造能满足多样化的需求，并具有高性价比、高安全可靠性的数据中心系统，厂商们势必要自行研发芯片，或与其他芯片厂商联合起来进行深度定制，以此来解决各种复杂场景下的兼容性问题。由于x86不对外授权指令集架构，目前市场上自研的云计算服务器CPU主要集中在arm/RISC-V架构下的进行，如亚马逊AWS的Graviton、阿里的倚天、华为的鲲鹏等。因此有分析预测，到2028年Arm架构处理器在数据中心和云的市场份额将从2019年的5%增长到25%，市场规模将达到580亿美元。
国产arm/RISC-V等非x86服务器CPU的竞争情况如下：
互联网领域是服务器最重要的下游采购领域之一，近年来互联网企业随着业务规模的扩张，持续增加对数据中心扩容和投资，2019年全球六大互联网公司采购额占47%。
出于对成本、能耗和自身业务发展需求的考虑，国内外互联网公司都开始涉足芯片设计领域。对互联网领域来说，服务器CPU的性价比和生态适配能力是关键的指标。有消息称，字节跳动目前正在组建芯片研发团队，服务器芯片是其主攻方向之一。
与许多行业一样，金融领域正在经历一场彻底的数字化转变，客户需求多样化以及高频交易增加进一步提高对服务器的可靠性、安全性、低延时性和性能的要求。
根据IDC数据，2020年中国金融行业x86服务器出货量达到31.9万台，同比增长22%。尽管金融行业已经开始采购x86服务器作为对非核心业务系统的替代，但x86服务器还没有完全通过金融行业核心业务系统对服务器CPU可靠性和稳定性的验证。根据IDC统计2020年金融机构对RISC服务器采购额占比仍超过50%。
对金融领域来说，服务器CPU的稳定性和可靠性是关键的指标。
通信领域的运营商通常以集采的方式采购服务器，市场规模大且标准化程度高，国内电信运营商的IDC份额占市场总额的70%以上。由于电信运营商承担着维护通讯网平稳运转的职责，电信运营商对服务器的可靠性和稳定性有着很高的要求。
近年来，“新基建”叠加5G商用，加速运营商信息化应用创新大规模落地，对服务器的需求水涨船高。此外在信创的推动下，三大电信运营商加码采购国产服务器CPU，2022年中国电信服务器采购中，国产CPU服务器采购额占比达到26.7%。
x86为当前服务器CPU的主流架构，占据服务器市场近90%的市场份额，Intel和AMD是两大主要厂商。
Intel是目前极少数仍维持IDM运作模式的芯片企业——集芯片设计、制造、封装和测试多个产业链环节于一身。即便由于缺芯及制程工艺放缓的影响，Intel在全球CPU的市场份额被AMD赶超（从2020年Q4的92%跌至2021年Q4的89.3%），Intel在服务器市场的地位和影响力依旧难以动摇。
自2006年，Intel提出Tick Tock（钟摆战略）来推进CPU的升级：Tick年（大年）改进制程工艺，Tock年（小年）改进微架构。在该模式下，Intel以每两年一个周期交替着推动产品升级，成功推进了22nm-14nm系列芯片的迭代。
随后2016年，Intel在财报中宣布将Tick-Tock放缓至三年一循环，改为PAO（Processor-Architecture-Optimization）策略。
然而Skylake发布后，Intel后续的制程迭代陷入困境，主要因为芯片制造工艺升级进度的放缓：
直到2019年，Intel推出的Ice Lake处理器成功实现10nm工艺量产，2020年推出了升级到10nm SF工艺的Tiger Lake处理器。
2021年3月，Intel新任CEO Pat Gelsinger上任后推出IDM 2.0战略，目的在于加快Intel在先进制程工艺上的发展脚步。
针对服务器市场的XEON处理器，Intel制定了全新的架构策略——即同时拥有基于性能核(P-core)和能效核(E-core)的双轨产品路线图。然而，Intel原计划在2022年Q1交付的Sapphire Rapids处理器 （采用Intel 7（10nm eSF）制程工艺制造）再次推迟。
AMD是x86架构服务器CPU的另一位玩家，近年来AMD在服务器CPU的渗透率逐年上升，2021年Q4突破了10%。随着AMD先后收购赛灵思和Pensando，以及今年Q2发布的产品路线图可以看出，AMD在AI、数据中心等领域展现了极大的雄心壮志。
AMD在2022年的旗舰产品是EPYC Genoa通用型处理器——基于TSMC 5nm工艺节点，多达96个Zen 4内核。此外，AMD还计划在2022年底发布针对云原生场景的EPYC Bergamo处理器。根据TrendForce集邦咨询预估，2022年AMD渗透率在全球服务器领域可望达到约15%。
今年5月，美国橡树岭国家实验室最新推出的Frontier超级计算机已经击败了基于ARM的Fugaku成为超级计算机Top 500榜单的第一。Frontier采用的是AMD的3rd Gen EPYC处理器和Instinct GPU，Frontier 计算集群达到了 1.1 exaflops（百亿亿次）的峰值性能——这是历史上首台突破exascale瓶颈的超级计算机。
从财务业绩的角度看，2022年第一季度AMD业绩强劲，收入（包含赛灵思）同比增长71%达创纪录的59亿美元，毛利亦提升7%至53%。其中服务器贡献了绝大部分收入增长：在过去10个季度中的8个季度中，AMD的服务器CPU收入同比增长了一倍以上，凸显出云计算企业和HPC客户对AMD的EPYC处理器的需求不断增长。随着超大规模企业扩大其内部基础设施部署，以及阿里巴巴、亚马逊、百度云、微软Azure、谷歌等公司推出的70个新的AMD驱动实例，云收入同比增长了一倍以上。
在2006年Amazon推出AWS云服务后，AWS的产品无论是存储、网络、IaaS基础能力等方面排名全球第一。其云业务战略的成功带动了Amazon整体营收和利润的惊人表现：AWS业务在2021年实现622亿美元营收，贡献了近55%的运营利润。
芯片是计算的核心。在目前物联网、人工智能、智能手机等产业产生据大数据量的情况下，自研上游芯片能够增强云厂商在效率提升、节能增效等方面的竞争力，使其更好地与自身业务和生态适配。早在2015年，第一批加速底层技术研发的云厂商就已经出现。亚马逊砸下3.5亿美元收购以色列芯片公司Annapurna labs，为其云基础设施设计开发定制芯片，亚马逊自此成为第一批自研服务器芯片的云服务厂商代表。
从2013年推出首颗Nitro 1芯片至今，Amazon旗下拥有Nitro（网络芯片）、Machine Learning（包含Inferentia AI推理芯片和Trainium AI训练芯片）、Graviton（服务器芯片）三大芯片系列。
2020年Amazon发布基于64位ARM NeoverseN1内核第二代自研处理器Graviton2，这块处理器也使得亚马逊云科技在2021服务器领军榜中位居ARM架构服务器处理器榜首，在市场、价格优势、性能、可靠性和创新5个评价维度位居第一名。
2021年12月Amazon发布新一代自研通用服务器芯片Graviton 3，比上一代性能提升25%，同时能耗降低了约60%，能够支持高性能计算中科学类计算、机器学习等负载。
实际上Amazon在服务器CPU、网络芯片、机器学习芯片一系列产品的布局和垂直整合，反映了其整体系统级方法。在计算能效比变得越来越重要的背景下，Amazon更关注的是计算密度以及每单位计算的总成本（TCO）。亚马逊正在最大限度地提高机架级别的性能并最大限度地降低功耗：
SiFive在2015年由加州大学伯克利分校Krste Asanović教授及其两位学生Yunsup Lee和Andrew Waterman创立，是第一家基于RISC-V指令集架构的芯片设计公司。SiFive将设计好的IP核授权给合作厂商使用，厂商亦可以通过SiFive Core Designer平台定制设计IP核。
SiFive IP核由三大系列组成，包括从高性能应用处理器到区域优化低功耗嵌入式64位和32位微处理器，分别为标准IP内核的SiFive Essential系列、高性能和节能为特点的SiFive Performance系列以及针对人工智能和机器学习的SiFive Intelligence系列。
SiFive在2021年底发布了最新的高性能P650系列，与2019年发布的Arm Cortex-A77系列性能相当，可为数据中心、移动、车载、边缘计算等领域提供有力的支持。
目前，小家电、可穿戴设备、摄像头等是RISC-V内核最受欢迎的应用场景。这些领域多采用MCU+无线模块的高集成方案，MCU性能无需太强但要具备特色功能，性价比、灵活度更高的RISC-V内核正是不二之选。而小家电、可穿戴设备的巨大出货量，也使得RISC-V内核市占率稳步提升。
（连载中，未完待续）
本文作者：Vivian，Yoyo，Victor
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