Intel CPU平台和架构介绍

柔光的暖阳◎ 2021-07-26 13:03 1407阅读 0赞

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服务器主板上数据传输流依次为CPU 、内存、硬盘和网卡，针对图形加速特殊场景增加GPU 。具体过程表现为：数据经由网卡封装与解封、链路管理、数据编码与译码后，储存于外存硬盘为主 之中当程序需要执行时，将数据从外存经由一级存储器，传至CPU。其中一级存储器分为容量相对较大的主存储器（内存 DRAM ）和容量较小但速度接近 CPU 的高速缓存。

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CPU发挥“大脑”的功能，负责数据的处理和运算， CPU 与 GPU 、内存、硬盘和网卡间并不能直接通信，需要通过内存控制芯片、 PCIe 控制芯片和 I/O 处理芯片等实现，这类通信协调芯片构成主板上的“芯片组”，芯片组通过各类不同总线（ PCIe 总线、 USB 总线和 SPI总线等）与 CPU 相连。如果说 CPU 是“大脑”、总线就是“神经结构”，芯片组就是“神经中枢”，决定了主板总线频率和带宽，以及扩展插槽和扩展接口的种类和数量。

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围绕微架构和制造工艺CPU 本身 持续升级换代；同时由于 CPU 结构和功能设计影响芯片组的集成度和总线类型，CPU+ 芯片组 总线”构成“ CPU 平台升级”；平台升级带动服务器 主板和其他配件同步换代。

服务器 CPU 厂商 在新一代 CPU 正式发布之前 一般 提前 2 年左右将平台雏形、投放和测试性能以及样片给客户，做同步测试（兼容性和生态）和研发，确保芯片与使用该芯片的服务器同步上市。因而，除 CPU 和芯片组之外，还需要关注平台升级对其他服务器硬件的影响:

主板方面， 包括 PCIe 总线、内存、 GPU 和 SSD 。CPU 内部集成 PCIe 控制器和内存控制器， PCIe 总线点对点连接 CPU 与各类高速设备，包括 GPU 、 SSD 和网卡等，伴随 PCIe 升级至5.0 ，新一代 CPU 平台产品将兼容 PCIe5.0 标准，带动各类高速设备同步升级；而内存将从 DDR4 型号升级至DDR5 ，相关厂商或将逐步进入量产阶段。

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配件方面， 包括电源和散热方案，主要原因是 CPU性能提升带来的功耗增加。

服务器CPU 架构包括 X86 、 ARM 和 MIPS 等， x86 为当前服务器 CPU 主流架构，几乎占据目前服务器全部市场份额，代表性厂商为 Intel 和 AMD 。国内方面，海光、兆芯和申威等也参与 X86 架构 CPU 的国产化替代，目前主要定位政务市场。短期来看， Intel 在服务器市场历史深厚，全球 CPU 市占率在 95% 左右 。未来 2~3 年内， Intel 仍有望保持行业龙头的地位，因而围绕其 CPU 平台的升级仍是影响服务器硬件产业链周期性变化的关键因素。

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Intel以 Xeon 为品牌名称持续推出系列产品，产品型号命名复杂且动态变化：

1、CPU+ 芯片组 总线”构成不同的 CPU “平台”：如已经推出 Brickland 、 Grantley 、和Purley 平台，新一代 Whitley 和 Eagle Stream 预计将在 2020 年和 2021 年相继发布；

2、每一代平台产品具有多个子代，视 CPU 架构、工艺、 PCIe 控制器和内存控制器的不同 而有 差异：例如， 自 2017 年 7 月规模商用的 Purley 平台包括 SkyLake 和 CascadeLake两代，均采用 14nm 工艺最高 28 核心，但是支持的内存通道数从 6 通道升级至 8 通道， P CI e3. 0接口数增加。

3、不同平台的各个子代拥有多种型号 名称 2017 年 Purley 平台将产品型号 命名方式由此前连续使用四代的 E7 E5 变为“ 至强可扩展处理器（ Intel Xeon Scalable Processor SP系列型号按 铂金（ Platinum ）、金 Gold）、银 Silver ）、铜 Bronze 定义 。

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从Tick Tock 到 PAO Intel CPU 升级按照 2~3 年周期持续向前推进：

2006 年， Intel 借意钟摆摆动周期提出“钟摆战略（ Tick Tock Tick 年（大年）改制程 工艺 Tock 年（小年）改 架构，按照两年的周期交替推进产品升级，该模式下 Intel成功推进了 22nm~14nm 系列芯片的迭代。

2016 年， Intel 终止“ T ick Tock ”转而采用“制程 架构 优化”（ PAO ）战略 P Process年改工艺， A Architecture ）年改架构 O Optimization ）年优化，按照三年的周期交替推进产品升级。背后原因主要在于芯片制造工艺升级的进度放缓。

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新一代产品升级会带动CPU 性能提升一倍，价格增长 20%~30% 。CPU 由运算器、控制器和寄存器组成 ，在服务器中性能最重要，成本也最高，视不同参数而异，均价在 1500 元 片，占服务器硬件成本的 20% 以上。一个 CPU 可 以封装多个处理器内核， 称为“多核并行”， 多核 CPU 既可以提高运算性能，又可以延长服务器生命周期。

最新一代 Intel Xeon Cooperlake 10nm 工艺为 56 核心，使用周期为 3 年以上。下一代核心数和单核心性能有望同步跃升，带动价格上行。虽然考虑到兼容性问题，新产品上市后老产品仍会存在一定时间，且迎来降价，但新产品爬坡进度较快，甚至有望在一年内达到 50% 以上，而老产品逐步退场。事实上，从Intel 数据中心（ DCG ）业务收入 来看，新产品上市会带动相关业务持续 2~3 个季度的高增长。

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受益于CPU 升级换代，服务器需求量有望迎来增长。主要是新平台上市前，下游厂商会部分延缓采购需求，而等到新平台上市后，将前期压抑的需求释放出来。在数据指标上，受产品出货顺序的影响， CPU 是服务器上游元器件，因而最先反映服务器市场需求情况， IntelDCG 业务增速 成为 行业景气度先验指标，大概提前 4~5 个季度 。2019 年上半年连续两个季度负增长后 Q3 开始出现回升 ，连续 Q3 和 Q4 两个季度增长，预示下游服务器需求企稳回升。

服务器需求量增长带动CPU 出货量提升，且增速高于服务器 出货 增速。单台 服务器 按性能需求 可以使用多个 CPU ，一个 CPU 称为单路，两个 CPU 称为双路。目前广泛使用的均为双路服务器，而四路、六路及以上服务器也有特定的应用场景。

一般而言，八路及以下服务器为普通机， 16 路及以上服务器为小型机，大型机则一般以定制化独立封闭系统为主。总体看，目前服务器市场以双路服务器为主，根据 ZDC 数据显示， 2018 年双路服务器受到47%的关注，四路服务器受到 29% 的关注。随着云计算大数据的普及，四路服务器展现出较广阔的市场空间，具体应用领域有 ERP 系统、商业智能分析和虚拟化应用等。

量价齐升，Intel 数据中心（ DCG ）业务回暖迹象明显 从以往来看， 新产品上市会带动 DCG业务持续 2~3 个季度的高增长 2020 年及 2021年 Intel Whitley 和 Eagle Stream 陆续上市， DCG 业务有望迎来 新一轮高增长。Intel 产品主要覆盖 PC 、数据中心、物联网、存储器和编程五大板块。

Grantley 平台于 2013 年底发布，带动 Intel DCG 收入增速自 2014 年 Q1 开始回暖向上，2014 年 Q2 、 Q3 和 Q4 连读 3 个季度增速 27、27% 和 37% 。

Purley 平台于 2017 年 7 月发布，带动 Intel DCG 收入增速自 2017 年 Q4 开始回暖向上，2018 年 Q2 和 Q3 分别带到24% 和 30% 的高增长。

新一代 Whitley 平台 Ice L ake 将于 2020 年 9 月推出 （根据 Intel 路线规划图），采用全新架构和10nm 制程 工艺 ，以及 PCIe 标准和内存控制标准的同步升级，有望带动 IntelDCG 业务新一轮高增长。

服务器芯片制造工艺已经从 2017 年普遍使用的 14nm 工艺向10nm 和 7nm 演进。芯片制造包括 IDM Integrated Device Manufacture ）和 Foundary 代工厂两种模式， IDM 厂商如 Intel 和三星等， Foundary 厂商如台积电和格芯等 但是主要参与者在工艺进度上存在差距。

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从目前主流制造厂进度看， Intel 服务器 CPU 还停留在 14nm工艺，核心看点是 2020 年秋季发布的 Ice Lake Whitley 平台） 10nm 工艺以及 2021 年初Sapphire Rapids Eagl e Stream 平台） 7nm 工艺。相较之下，竞争对手 AMD 已经在 2019年 Q4 的 Rome 系列使用 7nm 工艺，代工厂为台积电。格芯于 2012 年从 ADM 拆分而来，目前在工艺制程上相对落后。

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