产业深度剖析:处理器核裂变

2013-08-28 00:30:35来源: 赛迪网
    ARM、IBM相继在终端和服务器市场开放处理器内核,一如中子击碎原子核后发生核裂变反应并释放巨大能量,处理器内核的开放将强烈冲击现有的集成电路产业格局。
  而系统厂商将多个IP核聚合在一个芯片上,亦如核聚变反应产生更高量级的能量,将深刻影响整个IT产业。
  “第一丝微弱的晨光出现在东方。在这瞬间,好像从地壳底下升起一种并非这个世界的光。它是世界从未见过的日出。在这个时刻,永垂不朽的事迹出现了。时间停滞不前,空间变成一个小圆点,似乎天崩地裂。人们感到自己好像获得了目睹‘世界诞生’的特权。”
  唯一获准采访美国原子弹研制计划——曼哈顿工程的《纽约时报》科技记者劳伦斯,1945年7月16日在新墨西哥州大漠里目睹世界首颗原子弹试爆后这样写道。劳伦斯因其对原子弹研制和对日本核打击的报道而获得当年普利策奖。

  原子弹的威力来自重金属元素的原子核被中子击中后裂解为2~3个轻原子核并释放能量的核裂变反应。
  尽管“软件定义”已成为业内的热词,软件在IT产业所占的比重也日益增加,但软件是跑在处理器之上的,因此可以说整个IT产业是构建在处理器之上的。
  长期以来,人们无论是在消费市场还是在企业级市场上看到的处理器都是打上型号和生产厂家的芯片。处理器作为最小的计算模块不可细分,处理器由Intel、AMD、IBM等处理器厂商生产都是天经地义的。
  直到苹果智能手机iPhone获得巨大成功,人们这才发现处理器是可以继续细分的,苹果公司也可以生产自己的处理器。于是,智能手机的幕后英雄——ARM公司走到台前,正是ARM开放处理器内核的商业模式成全了智能手机和平板电脑等智能移动终端市场的繁荣。
  8月7日,IBM、Google、NVIDIA、泰安电脑和Mellanox联合宣布成立OpenPOWER联盟,联盟将提供先进的服务器、网络、存储和图形处理器(GPU)加速等技术,为下一代超大规模云计算数据中心的开发商提供更多的选择、更强的控制和更好的灵活性。
  直白地说,这些高端服务器芯片、搜索引擎、GPU加速、服务器主板和网络厂商桃园结义的目的,就是要在服务器市场上“山寨”ARM的商业模式,意欲在服务器市场上再现ARM在消费电子市场的成功。
  众所周知,与核裂变相反,核聚变反应是由多个较轻的原子核聚合成较重的原子核且释放出能量,基于核聚变反应的氢弹较之基于核裂变反应的原子弹,威力更胜一筹。但鲜为人知的是,核聚变反应需要在极高的温度和压强下才能进行,因此,必须使用原子弹作为扳机来引爆氢弹。换句话说,先有核裂变,再有核聚变。
  类似地,处理器内核开放所产生的能量将会深刻地影响到集成电路(IC)的产业格局。而诸如苹果公司等系统厂商将多个第三方开放的IP(知识产权)核“聚合”在一个芯片时所释放出来的能量,影响的将会是整个IT产业。
  上篇:产业演化与平台领导力
  透过产业形态演变的进程可以感触到SoC如何从暗流涌动到成为产业潮流,而回顾厂商对平台领导权的争夺历程,则会更深刻地认识处理器内核对芯片市场格局的影响。
  集成电路产业细分演进
  如同其他产业的发展一样,集成电路产业的发展也经历了专业分工不断深化的过程。
  芯片生产通常分为设计、制造和封装测试三个环节。早期的IC产业都是由整机厂商主导的,像通信厂商摩托罗拉自己就拥有规模相当大的半导体业务。上世纪70年代,英特尔这样的集成器件制造厂商(IDM)开始主导芯片制造和封装测试;到了80年代,在制造领域出现了台积电这样的代工厂(Foundry);进入90年代,IC设计领域又细分出了以ARM为代表的IP供应商。


  芯片产业中代工生产和IP设计两种业务的独立,使得高通等第三方处理器厂商和苹果等系统厂商采用SoC方式(片上系统)自行定制处理器成为可能。根据半导体市场研究公司IC Insight对1999年~2012年全球半导体市场的统计,Fabless(无生产线)厂商销售复合增长率为16%,而同期IDM厂商销售复合增长率仅为3%。2012年Fabless销售额已占到半导体市场27.7%的份额,从而强劲地冲击着IDM模式。

  集成电路产业细分的一个独有的驱动因素是半导体市场日益高昂的投资和日趋激烈的竞争。
  芯片制造业是知识密集型和资本密集型行业。随着集成电路加工线宽的不断缩小,建造一条45nm半导体生产线的投资已经高达30亿美元。高高的市场门槛让中小半导体厂商望而兴叹。
  线宽的不断缩小,还意味着不同生产线的工艺宽容度的缩小。2002年三星生产的StrongARM处理器主频已经做到1.2GHz,而ARM对外提供的处理器IP的频率只有400MHz。这是因为三星在设计和制造环节做了相互优化,进而显著提升了芯片主频。而ARM当时实力尚弱,难以对不同厂商的生产线进行优化,因此,主频自然上不去。
  英特尔的核心竞争力在于同时拥有世界最强的设计团队和最好的生产设施,便于两者相互优化,进而生产性能最佳的芯片。英特尔对工艺一致性的追求近乎苛刻,前CEO贝瑞特主导的“精确复制”计划,就是为了让英特尔分布在世界多个地方的工厂具有工艺一致的高水平制造环境。
  英特尔用高昂的投资与芯片厂商AMD竞争,同时用设计与制造相互优化来与缺少设计团队的代工厂台积电竞争。
  在与AMD的竞争中英特尔赌赢了,2008年,AMD终于不堪投资的重负,将芯片制造业务剥离,成为Fabless企业。而在与台积电的竞争中,台积电不仅没输,还通过与ARM这样的Chipless(无芯片)公司合作,实现了芯片设计与制造的相互优化,在新的制程引入上与英特尔时间上相差不多,从而确保了代工芯片的高性能。
  与此同时,ARM也发展壮大到足以针对特定代工企业的特定生产线进行优化。如今,如果客户要在台积电代工,ARM则可以分别提供封装基于台积电性能优化或功耗优化的不同生产工艺的硬IP核,以满足用户对性能或者功耗的偏好。
  争夺平台领导权
  “标准为王”在整机产品上很大程度是通过对平台的控制体现出来的。控制了平台,就等于主导了市场,也就意味着丰厚的回报,因此,平台控制权的争夺便显得格外重要了。
  平台控制权的争夺在个人计算市场可谓精彩纷呈。
  1981年PC问世,IBM凭借PC开放的体系架构击败苹果,确立了其在个人计算市场大哥大的地位。但PC开放的架构使得系统厂商难以控制,因此IBM在1985年推出基于286处理器的PC时,在主板上引入了专有的微通道总线,试图通过排他的总线架构来控制PC。
  于是,英特尔与康柏联手在1986年推出的基于386处理器的PC上引入开放的PCI总线,从而确保了PC的开放性。由于PCI总线是通过芯片组支持的,英特尔也第一次体会到平台领导权的好处。
  到了1991年,IBM提供RISC(精简指令集)架构的POWERPC处理器技术、摩托罗拉负责制造、苹果负责整机生产并提供兼容机授权的POWERPC联盟成立,目标指向个人计算市场。联盟成员个个出类拔萃,当时RISC架构较之x86的CISC(复杂指令集)架构具有一定的技术优势,摩托罗拉半导体部门1988年才从美国总统里根手上接过首个国家质量奖,而苹果电脑Macintosh及其操作系统也都令PC和Windows望其项背。但这样一个梦之队,却因为摩托罗拉在制造POWERPC时主频迟迟上不去,加之苹果收回兼容机的授权,最终瓦解。
  躲过了这一劫后,英特尔与微软联手分别在1997年、1998年、1999年和2001年“主编”了PC系统设计规范,而其他PC整机厂商只有参与的份儿。至此,英特尔和微软彻底确立了在PC市场的领导地位,两家公司获得的市场回报是PC市场九成的利润。
  2003年,英特尔又通过WiFi无线通信平台迅驰芯片组的发布,大大削弱了微软的领导地位。
  反观ARM,虽然ARM架构在智能手机市场份额上曾超过90%,但智能手机市场话语权掌握在操作系统厂商苹果和谷歌手中,甚至高通、联发科说话都比ARM有份量。
  个中道理很简单,PC平台的控制力几乎完全固化在处理器及芯片组中,因此,自然是英特尔说了算。而ARM这种只提供IP核授权的公司,难以将平台控制力固化在芯片中。
  此外,接受ARM这种商业模式的前提是能够忍受很低的利润回报。2012年基于ARM架构的处理器全球出货量创纪录地达到87亿颗,但当年ARM全年营收只有9.1亿美元,税前利润仅有4.1亿美元。对比之下,2012年英特尔全年营收533.4亿美元,税前利润为148.7亿美元。ARM全年营收和税前利润分别只有英特尔的1/58和1/36。

  中篇:IBM搅局与英特尔纠结
  在IBM迈入向软件转型之路的今天,以为IBM开放POWER处理器内核是为了赚大钱,那就大错特错了。OpenPOWER联盟无疑将成为IBM进可攻、退可守的法宝。英特尔不得不接招,而且被逼入进退两难的境地。
  IBM开放内核为哪般
  从打孔机起家到称雄大型机,从硬件公司转向服务,近两年又从服务转向软件,正是这些不断的转型成就了IBM百年老店之梦想。而“朝向高利润领域”则成了IBM转型的指北针。
  从2005年5月把PC业务卖给联想,到当年6月苹果宣布弃IBM的POWERPC处理器转投英特尔处理器,IBM已经退出个人计算市场。今年4月,坊间传出IBM正与联想洽谈出售x86服务器业务,这已是业界公开的秘密。此举表明,IBM有意从x86中低端市场退出。随着微软在今年6月宣布下一代Xbox将采用AMD处理器,曾经一统微软Xbox、索尼PS3和任天堂Wii三大游戏机平台的POWERPC架构,只剩下任天堂一家了。
  市场上种种迹象印证了IBM在转型中将不断剥离低利润硬件业务的做法。而处理器内核开放后利润率更低,这似乎与IBM向高利润领域的转型路径相悖。
  事实上,POWER处理器相当于IBM“帝国大厦”的地基,尽管深埋地下,但重要性不容置疑。夯实这一地基最有效的方式是扩大POWER架构的用户群,而在POWER被迫让出游戏机市场大半江山后,扩张用户群就显得更加紧迫了。
  IBM推出Linux专用主机、Linux服务器等“超值”主机和服务器,固然充满了价格诱惑,但要让其他平台上的企业用户大批迁移到POWER平台上是不现实的,而将POWER架构延伸到其他领域则可以起到一箭双雕的作用,既壮大了自己,又打击了竞争对手。
  再看OpenPOWER联盟中另一个重要成员谷歌。2006年,本报记者在旧金山采访JavaOne大会时,与Sun公司负责媒体接待的主管同桌就餐。当时谷歌是最热的话题,于是,他也讲了与谷歌相关的一件事。谷歌董事长兼CEO施密特曾约Sun董事长麦克尼利商谈谷歌采用Sun UltraSPARC处理器架构事宜,由于施密特此前曾任Sun公司CTO,因此,麦克尼利还是用以前的口吻跟施密特交谈,殊不知,此时的Sun已经是虎落平阳,而谷歌正如日中天。结果搞得施密特很不爽,这桩大买卖也就泡了汤。
  虽说谷歌基于x86处理器自行设计的服务器和存储,在高密度、低功耗和经济性上具有很大的优势,但基于第三方授权处理器内核构建SoC芯片所带来的成本与功耗效益,若经过谷歌高达百万计服务器和存储的放大,经济效益将非常可观。因此,当IBM有了开放POWER的想法,谷歌自然会积极响应。
  IBM开放POWER处理器内核既可以让POWER架构抢占云计算高地,又让去年才宣布在14nm时全面转向SoC的英特尔进退维谷。

  英特尔很纠结
  “摊薄”是芯片产业重要的关键词。以2011年为例,英特尔研发投入为83.5亿美元,生产设施投入107.6亿美元,再加上运营、人工等其他支出,构成了天量成本,这些成本绝大多数要分摊到芯片上,因此,芯片销量越大才能把成本摊得更薄。
  通用处理器因为用途广而成为摊薄的理想载体,而在通用处理器中x86处理器销量遥遥领先,因此成为摊薄的最佳载体。英特尔每年才敢在研发和生产设施上大把花钱。如果不是来自外界的刺激,相信英特尔没有理由放弃这一最挣钱的商业模式。
  这一刺激首先来自ARM凭借IP授权的商业模式在消费电子市场攻城略地。虽说英特尔早在2002年春季英特尔开发商大会上就亮出扩展摩尔定律的主张,并欲藉此在通信领域重现PC产业的辉煌,但英特尔多年来在消费电子市场只见耕耘不见收获。
  这其中很大原因在于通用芯片难以满足消费电子产品对体积小、功能全、功耗低、成本低、可靠性高、速度快的多方面的要求。
  于是,英特尔在消费电子市场开始小心翼翼地探索。2009年与台积电达成协议,由台积电承担部分凌动处理器的代工,以便在凌动处理器中添加第三方的IP核。这是英特尔成立40多年来首次将产品交由其他厂商代工,也是英特尔开放凌动处理器的尝试。
  英特尔之所以选择凌动处理器进行尝试,一则是因消费电子市场前景广阔,继智能手机和平板电脑之后,数字电视、可穿戴电脑都将大大拓展消费电子市场空间。消费电子市场因而成为英特尔必争之地。再者,有酷睿和至强处理器带来的丰厚利润,英特尔也可以让凌动在消费电子市场放手与ARM一搏。
  然而,ARM很快就用超级大单搞定台积电,使得凌动处理器在开放内核上的尝试不得不“浅尝辄止”。
  当SoC率先在消费电子领域获得巨大成功,并呈席卷整个产业之势时,英特尔在2012年宣布从14nm开始全面转向SoC,将不再生产通用处理器。
  相对于ARM开放内核的商业模式,英特尔此举是种折中的办法,既要针对特定的应用领域优化处理器,又可确保处理器的完整性,而处理器的完整性是确保英特尔平台领导地位的前提。
  尽管没有开放处理器内核,但英特尔全面转向SoC之举,在桌面和服务器市场上还是引领趋势的。

  然而,OpenPOWER联盟的出现,使得业界对英特尔的关注热点从是否转向SoC,迅速转移到是否开放处理器内核上。
  在处理器内核开发的优势已经在消费电子领域得到验证后,POWER的首要任务是扩大用户群而非指望POWER赚大钱,所以,IBM能够忍受伴随处理器开放而来的低利润回报率问题。抢占云计算高端市场同时狙击x86架构在服务器市场向高端进犯,应该是IBM较高的期待,最不济也要采用围魏救赵的方式,通过把x86服务器芯片的定价体系“搅和”了,来缓解x86服务器对RISC服务器的市场压力。
  此举让英特尔面临艰难的抉择。不开放处理器内核,万一IBM在服务器市场证明ARM的商业模式可行,英特尔将承受颠覆性的打击。而开放处理器内核,意味着其“生活水准”一下子从“大鱼大肉”跌倒了“粗茶淡饭”,最为关键的是将失去平台话语权,这恐怕是英特尔最难以接受的。
  下篇:迎接产业变革
  x86服务器芯片市场正处在暴风雨来临之前的平静,伴随着ARM凭借低功耗从低端潜入、IBM借助OpenPOWER联盟从高端打压,x86服务器芯片市场必将风浪四起。或许,作为x86芯片市场“带头大哥”的英特尔,是时候出来应战了。
  就IT产业而论,PC之所以颠覆了小型机,是因为PC能够将计算技术扩散或者说普及得更远。而新一代主导技术“移动互联网+云计算”则将云计算强大的计算能力通过智能终端扩散到无线网络所能覆盖到的区域,因而具有PC难以比拟的扩散能力。平板电脑和智能手机取代PC,主导个人计算市场也就不足为奇了。
  ARM开放内核的商业模式正好顺应了“移动互联网+云计算”这一产业发展趋势,因而促成了智能手机和平板电脑的爆炸式增长。很大程度上说,处理器内核开放只是扮演着产业变革助推器的作用。
  因此,在探讨处理器内核开放对企业级市场影响之前,应该着重讨论云计算带来的影响。在Gartner发布了2011年第二季度服务器收入增长19.5%的大好形势下,笔者写了千字评论《品牌服务器市场危机暗伏》。它主要分析的是集群架构作为云计算的主流硬件架构,将计算系统的可用性提升到与品牌服务器相提并论的地步,从而使得服务器的品牌在云计算中心变得可有可无。而虚拟化对服务器利用率的数倍提升,意味着服务器市场需求的显著减少。因此,当云计算普及之日,便是品牌服务器危机来临之时。
  某种意义上说,谷歌的成功建立在谷歌基于x86芯片自行设计的服务器和存储所提过的经济性上。而OpenPOWER联盟的成立,使得谷歌有机会在提升性能的同时降低成本。可以说,处理器内核开放将显著降低云计算中心的运营成本,进而有效降低当今最为重要的创新平台——云计算平台的应用门槛。
  而服务器芯片市场将会格外精彩。先是ARM在“叫嚷”进入服务器市场数年后,其64位架构的Cotex-A57终于要在明年问世;AMD则在2012年通过收购微服务器厂商SeaMicro,完成了向服务器整机市场的跨界之旅;如今,IBM又借助于OpenPOWER向英特尔发起挑战。
  服务器芯片市场注定难以平静,唯有甲骨文超脱其外,静观其变。





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  SoC渐成气候
  苹果iPhone成功的硬件基石是ARM,ARM的成功源于引领了SoC(片上系统)这一半导体产业潮流。因此,SoC便成为探讨IBM倡导的OpenPOWER联盟如何影响产业必备的背景知识。
  SoC风行
  集成电路加工工艺的不断提高带来两个好处:一是提升了晶体管工作频率,从而提高芯片的性能;而越来越多的功能集成到芯片中,丰富了芯片的功能。
  以英特尔处理器为例,386处理器需要借助387协处理器芯片才能完成浮点运算,而到了486处理器时,便将协处理器集成到芯片中;多媒体指令集则是在Pentium MMX处理器上首次集成的,之后集成进来的还有SSE指令集、北桥、虚拟化等功能。

  随着晶体管集成度的提高,越来越多的功能电路模块被集成到芯片中,渐渐地一些系统的大部分电路单元甚至整个电路都被集成到单个芯片中,于是,片上系统逐渐引领半导体产业发展潮流。
  1994年,摩托罗拉推出FlexCore解决方案,容许用户定制基于68000和POWERPC架构的处理器。这被认为是SoC芯片发展的雏形,从中可以看到SoC所具备的基本特征:第三方用户自主定制、包含嵌入式处理器及系统电路、IP复用等。
  如同软件编程将一些常用的功能封装成函数,用户可以通过简单的函数调用来有效地降低程序的复杂性一样,面对日益复杂的芯片设计,半导体厂商会将芯片上常用的功能电路封装起来,以便于今后重复使用时或授权第三方使用时,能够有效降低设计复杂性。这种封装起来的功能模块被称作为IP(知识产权)核。
  IP核通常分为三类:第一类是软核,它用硬件描述语言HDL对功能电路进行描述,与制造工艺无关;第二类是硬核,它封装有完整的生产工艺,可以直接用于生产;第三类是固核,它介乎于软核和硬核之间,虽然与工艺相关,但却不能直接用于生产。
  因为有了IP核,高通、联发科等智能手机芯片厂商或者苹果等智能手机厂商就像吃自助餐一样,从ARM公司以及第三方芯片设计公司那里购买处理器、GPU以及GPS、内存、蓝牙等各种IP核的授权,并与自己的IP核一道做到一个芯片中。
  伴随着晶体管集成度的提高,SoC所能整合的系统也日益复杂。如今,进入SoC市场的门槛也不断提高,如果芯片上不包含嵌入式处理器在内的系统电路,或者不复用IP,或者不采用深亚微米制程,你都不好意思说是SoC。
  并非都是机遇
  SoC的技术优势是明显的。多个芯片整合到一个芯片中,首先是系统体积的缩小;而各个功能电路模块的互联从芯片之间变为芯片内部,大大缩短了引线长度,从而有效地提升了工作频率,同时,芯片之间引线的消除,也有利于显著提高系统的可靠性;此外,单一芯片替代多个芯片还将有助于降低制造成本和系统功耗。
  体积小、功能全、功耗低、成本低、可靠性高、速度快,这些原本都是消费电子厂商刻意追求却可遇不可求的性能,忽然一夜间让SoC一下子端到消费电子厂商面前。联发科的崛起就在于采用SoC的方式生产手机套片,从而为国内南方大量不知名的功能手机制造商扫清了手机电路复杂性的障碍,使他们生产的功能手机在可靠性上并不输给大品牌厂商,而在价格和满足诸如4个喇叭等本地市场需求上比国际厂商更胜一筹。
  尽管SoC把整机电路的复杂性屏蔽在单个芯片中,从而为系统用户快速构建产品并推向市场提供了便捷之路。但在SoC芯片设计过程中已经存在着来自技术和商业方面的挑战。
  从通用芯片到SoC芯片,从市场上看,就是从市场全面覆盖到针对特定市场段进行优化,无疑,市场细分颗粒度越小,优化的性能和功能越好,但市场需求量会随细分而递减,因此需要在细分颗粒度与满足量产摊薄之间至少取得平衡,才不至于亏本。
  此外,芯片厂商从以往通过系统厂商间接接触市场变为直面市场,由于SoC设计周期的存在,SoC厂商不仅要把握当前市场的需求,更重要的是预测未来市场的需求,而产品生命周期较短的消费电子市场强化了这一风险。整机厂商在SoC设计时,会由于对SoC相关的设计、制造和验证不熟悉而延宕设计周期,从而在市场上遇到同样的风险。
  技术上的挑战则分布在SoC的设计、制造、测试和封装等各个环节。此外,SoC的复杂性导致EDA(电子设计自动化)开发工具、流片、测试设备等投入的成本较高,从而挡住了一些小的或者新兴的芯片设计公司进入。

关键字:核裂变  处理器

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