自研数据中心专用处理器，阿里云的“芯”逻辑是什么
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国内云计算产业走到了新的十字路口：一方面，云厂商竞争愈加关注市场、订单、价格；此外，云计算技术正在进入下一代架构关键技术突破期
文 | 吴俊宇 陈伊凡
编辑 | 谢丽容
国内云计算市场经历过去几年高速增长之后，正在进入调整阶段。
目前，云厂商的收入增速在回调。与此同时，云计算技术正在进入下一代架构关键技术突破期。2020年之后，亚马逊AWS、微软Azure、英伟达、英特尔正在加速改造云计算基础设施设计方法，试图定义下一代云计算架构。比较通用的做法是，整合集群架构、改善算法与管理软件、定制芯片和硬件等，重塑基础设施。
今年年初，多位云厂商高管曾对《财经十一人》表示，国内云市场目前存在一些偏离健康轨道的现象。比如，过度关注市场、订单、价格竞争，忽略用技术创新引导客户需求。本土、海外环境在变化，国内云厂商走到了十字路口。
6月13日的2022年阿里云峰会上，阿里云智能总裁张建锋表示，阿里云今年最重要策略是“Back to Basic”，回归云计算技术本质，坚持技术“长征”。在关键阶段，阿里云试图为下代云架构提前布局。
阿里云在此时发布了一款自研的云数据中心专用处理器。这款处理器被称为CIPU（Cloud Infrastructure Processing Units 数据中心专用处理器）。CIPU相对轻量级，并不是公众熟知的通用计算类芯片，而是专用于云计算数据中心的管控，可以综合调度CPU（Central Processing Unit，中央处理器）、GPU（Graphics Processing Unit ，图形处理器）、存储硬盘、交换机等硬件。
理论上说，这款处理器会减少云厂商管理数据中心的损耗，让数据中心算力更强、网络更快，但算力成本不会明显提升。阿里云基础产品负责人蒋江伟在接受《财经十一人》等媒体采访时表示，该处理器已经在阿里云数据中心规模使用。但阿里云方面并未披露硬件方面的关键技术指标。
下一代云架构的路线之争
阿里云智能总裁张建锋表示，基于传统的以CPU为中心的体系架构已触及瓶颈。新一代的云计算要从数据中心内部做体系化创新，从以往的以CPU为中心的体系架构，进入以CIPU为中心的体系架构。
他解释，这款云数据中心专用处理器CIPU是阿里云的管控中心。向下接入数据中心的计算、存储、网络资源，快速云化并进行硬件加速；向上接入飞天云操作系统，管控阿里云全球上百万台服务器。
阿里云推出CIPU，部署下一代云架构，要先从海外云厂商、芯片厂商的动作谈起。
2020年后，海外云厂商、芯片厂商在加速设计下一代云计算基础设施的架构。新架构中搭载云操作系统的处理器从CPU变成了一个新的硬件处理器。这个硬件由软件定义、并对数据进行硬件加速。
为什么要这样做？本质原因是，CPU芯片不是为了搭载云操作系统而设计。CPU的优势是单核性能强，在指令性计算任务处理时，性能优异，但天生的数据吞吐能力小，遇到分布式大数据系统就要消耗30%到50%资源用于搬运数据。
随着数据密集型计算变多，海量数据在不同系统中搬运计算。这时，站在系统内部“十字路口”中心位置的管控CPU就变成了“坏掉的红绿灯”，数据拥堵导致性能下降。因此，需要引入新的芯片硬件，替换掉这个“红绿灯”，让数据流动通畅起来。
亚马逊的方案是Nitro。2020年亚马逊CTO沃纳·沃格斯公开撰文称，传统架构已经优化到了极限。沃格斯以AWS的客户场景举例，然而在传统架构下，仍然约30%的资源浪费到了算力、网络、存储的运营和调度管理上。这些资源没有为客户提供直接价值。
他提出的解决方案是，把大部分虚拟机管理程序迁移到专用硬件。早在2017年，亚马逊AWS就试图用Nitro系统取代上一代架构。相比于CPU芯片像“牛刀”，Nitro像是“手术刀”，可以精准解决云资源调度的问题。
在产品形态上看，Nitro既是硬件产品，也是软件系统。作为硬件，Nitro是个盒子。其中包括若干个硬件模块（操作系统芯片、安全芯片、网络加速模块等）。作为软件，Nitro是数据中心的管理模块，能直接调度监控计算、存储、网络等硬件资源。
阿里云基础产品负责人蒋江伟也强调，阿里云的CIPU和亚马逊AWS的Nitro定位类似。它既是硬件盒子，也是管控系统，对接飞天云操作系统。CIPU主要由专用芯片和控制器构成，形态像盒子或智能网卡，主要用于管理飞天云操作系统。
阿里云基础产品架构师黄瑞瑞则认为，这款CIPU针对阿里云的神龙计算平台、盘古存储平台、洛神网络平台、安全内核进行了深度的适配，会让阿里云的计算、存储、网络、安全性能有更好的表现。但阿里云的客户不会因为CIPU增加用云成本。
亚马逊AWS、阿里云这些云厂商在定制云架构的专用芯片时，芯片厂商也在同步推出相应的芯片，试图改造云基础设施。
2020年之后英特尔、英伟达等芯片巨头也在推出类似的数据中心产品。英特尔的IPU（Infrastructure Processing Units，基础设施处理器）和英伟达的DPU（Data Processing Unit，数据处理器），虽然技术路径南辕北辙，但目标都非常一致——设计一个新的管控处理器，替换掉CPU的管控职能。
网络处理器厂商博通也有相关动作，其知名产品是NPU（Network Processing Unit，网络处理器）。博通在今年6月收购云计算与虚拟化厂商VMware，其意图是以网络芯片定制能力切入，改造数据中心。
一位半导体专业技术人士对《财经十一人》表示，英特尔原本就是CPU巨头，推出IPU是满足数据密集型场景的高带宽需求。英伟达则希望用DPU连接GPU，进军数据中心市场，弥补短板。
一位云计算专业技术人士告诉我们，亚马逊AWS的Nitro、阿里云的CIPU、英特尔的IPU、英伟达的DPU各家定义和侧重不同，定制芯片的产品职能也有部分重合。但核心在于各家不会对外透露的产品设计，“这个硬件不同于其他，这个位置是软件和硬件的连接端口，要做到软硬件完美融合，才能是个好产品。”
阿里云表示，CIPU不会对外出售，因为这款产品是专门为飞天操作系统量身定制，做到了软硬一体的最佳融合。亚马逊的Nitro也仅用在自家数据中心。而作为硬件提供方的英特尔和英伟达，正在积极向其他云厂商推广自己的IPU和DPU产品。
“现在大家都在投入的阶段，谁也不信谁的，过几年才能打出个局面来。谁赢了就能定义未来的IT产业链。”这位专业人士说。
成本和战略的考量
自研数据中心专用管控芯片看起来可行。接下来的问题是，成本和战略。
成本问题包括两个层面，一是云厂商自身成本，二是客户的用云成本。
如果云厂商向英伟达、英特尔采购专用的数据中心管控芯片，还要承担运营成本。此外，英伟达、英特尔提供的管控芯片仍无法完全满足云厂商的个性化需求。
对云厂商来说，自研该芯片理论上更划算。因为自研可满足个性化需求，且价格可接受，还能提升管理、优化功耗、减少云资源浪费。
海外媒体在2022年有测算，Nitro的硬件处理器成本只需数十美元，但单片CPU芯片成本是数百或数千美元。亚马逊AWS也曾公布，即使算上研发成本，Nitro定制芯片五年来的综合成本仍相比CPU芯片更低。
对云计算客户来说，他们有越来越多的数据密集型计算需求，需要价格不变的前提下，得到更高的性能。
以往Nitro定制芯片的实践结果是，云上的计算、存储、网络资源变得更快也更安全，还不必承担云厂商过去资源浪费带来的转嫁成本。阿里云基础产品架构师黄瑞瑞则对《财经十一人》表示，自研CIPU处理器不影响资源定价，对操作界面、应用开发也没有影响。
更关键的问题是战略。阿里云2020年后一直沿着“做深基础、做厚中台、做强生态、做好服务”的战略前行。“做深基础”的内涵是，做深云底座。以飞天操作系统向下延伸，定制芯片、数据库、路由器、交换机等硬件，基于阿里云的特点构建云基础设施。
在计算芯片领域，阿里云的策略是，基于“一云多芯”战略对X86、ARM、RISC-V等多种架构进行适配，兼容飞腾、鲲鹏、AMD、Ampere等多种CPU，形成标准形态的算力输出。即是围绕飞天操作系统做定制，既满足自身个性化需求，也强化自主可控能力。长期以来，阿里云一直在自研和战略紧密相关的芯片。如2020年发布的神龙DPU，2021年发布的服务器芯片倚天710。
此次发布的数据中心专用处理器CIPU是对阿里云核心技术布局的补足。强调“Back to Basic”，则是对“做深基础”的延续，也是对AWS等海外云厂商、芯片厂商改造云计算底层技术架构的回应。
过去十多年，云计算技术经历了两个发展阶段。
第一阶段是分布式和虚拟化技术替代了大型机、小型机，满足了当时企业业务扩展带来的算力弹性需求。
第二阶段出现了资源池化技术，通过把计算和存储进行分离，而后规模化编排和调度，形成了超大规模的计算和存储资源池。
技术的迭代自然促进了产业的更迭。过去三年，国内云计算产业走到了十字路口。一方面，云厂商竞争愈加关注市场、订单、价格。市场价格、商务关系上硬碰硬交战正在加剧低水平竞争。头部云厂商的收入增速普遍回调至20%-30%左右。
与此同时，在海外，云计算技术正在进入下一代架构关键技术突破期。国内云厂商的管理层开始调整业务，思考新增长路径，及重新自我定位。这个阶段更关注提高毛利率，强化核心竞争力，寻求健康可持续且有质量的增长。
阿里云是国内最大的云计算厂商。它的选择是，继续建设新的架构，从最底层的数据中心核心部件到最上层云原生软件，形成完整的自研技术体系。提升技术底层能力的价值一方面在于提升基础设施能力，强化产品竞争力。另一边，还要于优化成本结构。在未来还可以持续研发高附加值且代表产业发展方向的产品。
多位云厂商高管此前的观点是，云计算的本质是技术创新，中国企业需要理解全球市场的技术变革，而非在本土市场陷入内卷竞争。国内市场存在部分伪需求，容易在技术上把云厂商带入误区。云厂商在这种环境下，需要具备规则制定能力，还要保持克制的战略定力。
其中一位云厂商高管进一步解释，阿里云需要用技术能力牵引客户需求，确保自身在数字化市场的前瞻理解。事实上，亚马逊AWS和微软云的技术能力为其制定市场规则，获得客户关系中的主动权起到了重要作用。
阿里2022财年（即2021年3月-2022年3月）报告显示，阿里云在2022财年营收为746亿元，经调整EBITA利润为11亿元。阿里集团2022财年研发支出555亿元。该研发支出规模在2022年位居国内民营科技企业第二，仅次于华为，高于腾讯。
阿里云的新一轮“芯”战开始了，这一轮战役的核心意图是：试图在新的进展环境下强化技术投入，保持定力，确保战略主动权。
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