gtl区块链（英特尔与AMD的x86服务器战争编年史）

不久前，英特尔正式发布了其第三代至强可扩展处理器（Xeon-SP）平台Ice Lake-SP（ICX）处理器，同时对外宣布，自从2017年推出第一款Xeon-SP 以来，英特尔向全球客户交货了超过5000万颗Xeon-SP处理器。从2013年开始，云端服务业者总计部署超过10 亿个Xeon 核心，超过800 家云端服务供应商导入了Xeon 处理器。

诞生于1998 年6 月29 日的Xeon，是英特尔第一个货真价实的服务器产品品牌，历经超过20年的光阴，更早已成为x86 指令集相容处理器，站稳服务器市场的龙头地位。

不过，作为英特尔的老对手，AMD在2003年到2017年间，也有针对服务器市场的产品Opteron，更曾在2003~2007 年这段期间，在服务器市场斩获颇丰，象征AMD在服务器市场最辉煌的黄金岁月。

如同在GPU 战场，对英特尔和AMD最重要的议题，在于能否重返高效能运算和人工智能应用，并摆脱软件生态系统远不如nVidia CUDA的困境。

在CPU领域，英特尔和AMD真正的决战焦点，绝非PC市场，而是可带来更高获利的服务器及数据中心市场，而英特尔这市场曾经拥有超过90%的占有率。

但很不幸的，英特尔却在今年第一季财报，上演英特尔财报出现“服务器毛利率低于个人电脑”的奇观（这应该是1998年Xeon品牌诞生以来首次）。对比之下，AMD则靠在服务器市场出色的战果，交出了年营收同比增长93%的漂亮财报。背后代表的意义，不言可喻。

接下来，我们就从服务器市场，重新审视英特尔和AMD那将近30年的服务器市场开拓史，并留给各位认真思考“”x86双雄的未来”。

经过超过25年的努力，英特尔和AMD携手建立x86指令集兼容的处理器，在今日数据中心与服务器器的主宰地位。昔日难登大雅之堂、只能屈居个人电脑的“吴下阿蒙”，突破众多“RISC诸神”（MIPS、SPARC、PA-RISC、Power、Alpha）建立的马奇诺防线，并让“RISC诸神的黄昏”成为众多“计算机组机结构正统教义派”和“RISC十字军”不愿面对的现实。

踏入时间轴之前，笔者先分别以“技术”、“商业”和“政治”的角度，剖析为何x86 走到这一步，然后未来又将面对哪些挑战。

第一个大议题：从“技术”的角度来看，x86 是怎么一步一步取得服务器市场的主导地位的？

x86 处理器在伺服器市场最重要的一天？

1995 年11 月1 日，英特尔发表P6 微架构的Pentium Pro，这是英特尔公司史上最重要的芯片，没有之一。

1990 年开始萌芽的当代高效能处理器微架构，有所谓的“4S指标”：超纯量（Superscalar）、超管线（Superpipeline）、多处理器延展性（Scalability）、系统管理能力（System Management） 。

Pentium Pro 是当时x86 处理器唯一兼顾4S 者，同期Cyrix 与AMD 均难以望其项背，且Pentium Pro 的整数运算效能，足以跟同期高阶RISC处理器分庭抗礼。至于浮点运算全面超车RISC阵营，是SSE2指令集诞生后的事了。

Pentium Pro 到底厉害在哪？

结合高效率的系统总线、改良后的内建式可程式化中断控制器（APIC）、丝毫不会浪费系统总线频宽的独立二级高速缓存，与处理器核心具备非顺序的存取能力，Pentium Pro 替x86 敲开服务器天堂的大门，让英特尔过了快7 年的好日子，直到被宿敌AMD 用名为K8 的大榔头（Hammer）狠狠敲醒为止。

哪一天x86 处理器奠定在服务器市场的坚实地位？

1998 年6 月29 日英特尔推出的Xeon 品牌，从此成为x86 服务器的象征，以及英特尔最重要的现金母牛（Cash Cow）。

依据英特尔的既定战略，服务器的大旗应由Itanium 一肩扛起，那为何失败？

因为英特尔一连串策略失误，加上缺乏对高端服务器市场的正确预判，让“64 位元真命天子”IA-64 指令集和Itanium 处理器，不得不消失在历史的洪流，也结束了英特尔企图消灭80x86 的野心。现在看来这伟大的“历史使命”，似乎落在ARM 阵营的肩上？

AMD 又是如何踏入服务器市场？

2002 年4 月24 日，AMD针对服务器市场发布了Opteron 品牌，刚刚好，微软也在同一天宣布即将推出x86-64 版Windows 操作系统。

骨灰级电脑玩家一定记得2001 年6 月5 日的Athlon MP，但源自Alpha 的EV6 系统总线，大幅提高做多处理器平台的门槛，基本上可谓无疾而终，很快就被Opteron 取代。

AMD的Opteron有何过人之处？

AMD K8 微架构从内到外的每个环节，几乎比照高阶RISC处理器设计，如果把K7 看成“x86世界的Alpha 21264”，那K8就是“穷人版的Alpha 21364”。

AMD K8 微架构的Hyper-Transport 系统总线、处理器整合内存控制器、更先进的MOSEI 快取资料一致性协定、强大的RAS（可靠性、可用性、可服务性）、与诸多节能特色等优势，为x86服务器带来前所未有的多处理器及多核心延展能力，毋须价高量少的特殊服务器芯片组，任何一家服务器厂商都可轻松打造“”四颗甚至八颗处理器的x86服务器”。

AMD K8 带领x86 进入64 位元的世界，彻底摧毁了中低阶RISC / Unix 服务器仅存的脆弱保护伞。K8成功大幅提升了AMD的市场影响力，让AMD在高效能x86 处理器技术领域，拥有足以和英特尔平起平坐的地位。Xeon 与Opteron 两大品牌双日争辉、兄弟登山各自努力，扩大x86 在服务器市场的版图。

那为何“RISC诸神”很快又一蹶不振，只剩下IBM Power 硕果仅存？

因为它叫“IBM”。

第二个大议题：就商业和政治角度，“x86 Everywhere”是怎么产生的？

天底下任何产品演进和市场发展，都是“技术”、“商业”与“政治”彼此交错影响的结果。x86 指令集相容处理器能够“淘汰”RISC 诸神，相较冷冰冰的技术，商业和政治因素更举足轻重。

1990 年代末期，x86 处理器逐步支配服务器市场的关键性因素：

• Windows NT。
• Linux（笔者私心想加上FreeBSD）。
• 出货量持续激增的个人电脑市场。

个人电脑市场跟服务器又有什么关系？

1998年全球出货量突破“1亿”大关的个人电脑市场，成为英特尔和AMD长期维系半导体业界最先进制程与最庞大研发团队的基本盘，不仅对“RISC诸神”拥有压倒性成本优势，利用更多的晶体管数量，充分弥补 x86指令集的众多先天缺陷（Pentium比PowerPC 601多30%晶体管，只为了维持x86指令集相容性），更分摊天文数字般的产品研发开销。

RISC 指令集应该更容易打造能效更高的处理器，但到头来在服务器市场并不是这么回事？

这跟x86处理器在1990年代末期延伸到笔记本电脑，有根深蒂固的关联，尤其当英特尔为了Centrino量身订做Pentium M处理器，奠定“追求高能耗比”的长期发展方向后，服务器产品线也雨露均沾。2006年Merom微架构一统服务器、桌面PC和笔记本，更让Xeon产品线“强迫中奖”，让IBM Power和Oracle / Sun的SPARC相较之下，根本毫无优势。

这些年来，假如各位也有关心那票前仆后继、有一阵没一阵的“ARM服务器”，也势必会注意到，那些规格看起来很暴力的ARM处理器，怎么好像也没省电到那去？其实当处理器微架构的复杂度抵达“某条看不见的临界点”，“相对复杂又毫无道理可寻的”x86指令集带来的额外“赋税”也就不会那么明显了。

IBM 不是一直想推动Power Everywhere，为何难以成功？

因为IBM 自己也在做服务器，会有“既当裁判又当球员”的疑虑，这就是非常显而易见的政治因素。

谁能动摇x86 处理器在近代数据中心的主导地位？

唯有这票大型云端服务业者通通采用自研的自家专用的“非x86”（不见得是ARM，如Google 的TPU）处理器，否则将难以动摇x86 的地位。况且先进制程晶圆代工厂的产能，也是处于供不应求的紧绷状态，贸然放弃拥有大量自有产能的英特尔处理器，风险不能说不小。看看AMD 的缺货窘境就知道了，产品再好，出不了货也只是白费力气。

至于一般商用服务器市场，也是要等到ARM 在企业服务器应用的生态系统，成熟到连一般的MIS 都愿意采用，这之前讲再多都多余。

无论英特尔还是AMD，近代主流x86微架构都是“服务器、桌面PC、笔记本电脑”共用，那眼前的Xeon-SP 和EPYC，难道真是“100%服务器最佳化”设计吗？

这就是x86 指令集的原罪：超级长的产品开发及验证周期，强迫拥有巨大研发能量的英特尔和AMD，也只能将资源聚焦在极为少数的专案，也难以迅速应对新兴的应用需求，这就是ARM 等IP 授权商、EDA 工具软体和专业晶圆代工，会主导消费性产品芯片的主因。

这才是ARM 阵营在服务器领域的最佳切入点，但偏偏也只有“实际的使用者”才知道需要的产品规格究竟是什么，而他们却都有自己开发芯片的本钱。

最后，ARM 能在服务器市场引发迅速的“典范转移”吗？

坦白讲，怎么想都非常的困难，除非革命性的应用，像软件定义网路、网络功能虚拟化和25G＋以太网络，让从1G迈向10G花了整整十年以太网络，只花不到3年就跑出一众Smart NIC，让整体数据中心应用架构出现颠覆性演化，要不然都是难如登天。也许大家可以多多关切 Nvidia企图发动的革命，以及云端巨头又有哪些风吹草动。

更何况英特尔和AMD 又不会躺着等死，一切都还还有得瞧。当然，AMD 自己带头做ARM 版EPYC 的话，那又是另一条截然不同的世界线了。

现在就让我们想像搭上时光机，回到世人对x86 的刻板印象，难以与“服务器”划上等号的古老年代。

1995~1998 年：英特尔发动的酝酿期

个人电脑普及化，带来更惨烈的价格竞争，1990 年代后期的英特尔和AMD 为了维持获利，投入服务器市场，实乃不得不为之 。在1994 年第一季，主频100MHz 的Pentium 可卖到“995 美元”（今天都足以组出一台顶配的台式机），只过个半年就要打7折了。

个人电脑出货量抵达1亿台历史新高的1998年，“600美元个人电脑”蔚为风潮，引爆低阶处理器的价格战争，导致英特尔的Celeron和 AMD的K6-2 大打出手，还“顺便”打垮一票x86处理器小厂（Cyrix、Centaur、Rise），入门级CPU的平均售价（ASP），更是下探到100美元。

Xeon 并非英特尔首次进军伺服器市场，第二代Pentium（P54C）内建支援双处理器组态的先进可程式化中断控制器（APIC），和Pentium Pro（P6）带来革命性处理器微架构与崭新系统平台，都是以功败垂成黯然收场的尝试。

好吧，200MHz Pentium Pro“胆敢”开价1，989 美元，也算很了不起的丰功伟业了。

反观那票从1980 年代末期开始，已经盘据伺服器市场已久的“RISC 诸神”，早就享受丰厚利润，以Sun 的UltraSPARC 为例，1998 年第二季，也是个人电脑市场的削价战杀声震天之际，360MHz 的UltraSPARC II模组，要价高达3，961 美元。

我们也知道，今天即使同样晶粒，封装印着不同品牌，价格就天差地远。AMD 还曾为了解释单处理器的Opteron 100 系列和桌面PC的Athlon 64 究竟有何不同，特别制作说明用简报，大意就是Opteron 用的晶粒品质比较好、验证项目比较多、微码（Microcode）修补bug 重点不同之类的。

这也是为何这些年来，连发迹于消费性电子产品的RISC指令集，像目前最普及的ARM，阵营也积极开拓服务器市场。x86处理器世界快没存在感的VIA也沉潜多年，推出目标5G边缘伺服器（MEC）的 CHA系统单晶片。充满神秘俄系血统的俄罗斯Elbrus，更在多处理器服务器领域耕耘已久，只为了让CPU不受制于“邪恶的美国帝国主义者”。

对技术有深度认知的读者，或多或少也了解，服务器用的CPU 不仅需要更好效能、出色的多处理器扩充性与效能延展性、更完备的高可靠性、滴水不漏的可用性，并搭配强大的系统晶片组和更高容量的系统内存。

但商业因素却远比技术门槛更严峻：英特尔和AMD 要如何说服企业客户，一家长期研制100 美元桌面型PC芯片等便宜货的厂商，有能力卖3，500 美元等级的服务器芯片，所以就像另外成立「豪华车专属品牌」的汽车厂商，英特尔必须创造Xeon 以区隔市场。英特尔的老对手AMD，于相容Alpha EV6 总线的Athlon MP 企图抢滩服务器市场失败之后，2002 年4 月24 日也借Opteron 之名，踏上一条殊途同归的荆棘之路。

1998~2001 年：Xeon 诞生的开创期

英特尔首要之务莫过于推出“一看就知道是服务器专用”的产品，巨大Slot-2“弹夹”就为此而生。

但英特尔并非只为了让Xeon看起来比较专业，才搞出这样的巨大塑胶盒，更为了应对更高容量的同核心频率的高速二级缓存，原先242只针脚的Slot-1无法满足供电需求，Slot-2扩展为330只，趁机塞入系统管理总线（SMBus），并将原生的多处理器支援性，恢复到Pentium Pro的4颗（Pentium II仅2颗）。此外，为确保四处理器时，系统总线可跑到100MHz，在英特尔拥有专利的GTL+之外，进一步引进AGTL+信号，在Pentium III世代再提升到133MHz。

“扩大内存容量”和“高速缓存的定址范围”也是另一场重头戏。为了突破32位元的4GB限制，除了Pentium Pro问世的PAE-36模式，Pentium II世代Xeon 追加“效能较低，但比较不需要修改软件系统”的PSE-36。Pentium II世代Xeon的L2缓存可涵盖到整个64GB可定址内存范围，不像早期的Pentium II有512MB或4GB限制。提高数据可靠度的ECC纠错，更是必备的制式武装。

如同低价电脑Celeron，Pentiun III时代后期的Xeon，随着制程技术的进步，逐步将外高速缓存塞回CPU本体。2001年3月21日登场的Xeon 900A，内建多达2MB的L2高速缓存，开启英特尔高容量高速缓存之先例。也难怪日后英特尔常被取笑：这家公司最大的业务不是CPU，而是制造高速缓存。

2001~2004年：Xeon的扩张期与AMD Opteron即将带来的风暴

英特尔2001年之后的Xeon产品线命名，完全拿掉Pentium字样，借此彻底摆脱个人电脑形象，也在这段32位元NetBurst微架构期间，确立了Xeon DP（双处理器）和Xeon MP（四处理器）分立的局面，也结束了Pentium II / Pentium III时期，桌面处理器可以同时插两颗的美好年代。要支援多处理器，请乖乖掏钱购买更贵的Xeon。

因服务器产品追求更高的可靠性和稳定性，导致验证时期较长，Xeon MP通常推出时程较晚，且主频也较低，也有更大容量的高速缓存。相较之下，Xeon DP比较像桌面处理器换成另一种封装产物。从NetBurst开始出现的xAPIC，将APIC的3位元专属总线，直接融入系统总线的通讯协定，避免APIC运作时影响记忆体存取效能，并将处理器核心上限激增到255个。

如同初代180nm制程Pentium 4被批评空有高主频，但部分效能不如前代Pentium III甚至AMD Athlon MP，初期的Xeon DP也被指责整体效能不及拥有2MB L2高速缓存的末代Pentium III Xeon，这问题到了130nm制程世代，主频大幅提升后，才渐渐消失。

此外，一般资深电脑玩家对英特尔的HyperThreading的初次登场，印象多半是2002年11月之后的130nm制程Pentium 4，但其实早在当年2月的130nm制程Xeon DP就问世了。对于多人多工作业的服务器来说，可改善整体输出率的同时多执行绪（SMT）技术，确实是天作之合。

更重要的是，英特尔以实际行动证实180nm制程的NetBurst核心，已经内建HyperThreading的谣传，2003年3月的Xeon MP就支持这“一颗当两颗用”的神秘功能。至今英特尔尚未透露为何初代Pentium 4要这样留一手，主因可能是个人电脑操作系统的多处理器支持性。

面对来势汹汹的AMD K8，英特尔在2003年9月，抢在Athlon 64和Athlon 64 FX前一周，发布将Xeon专用核心“下放”到桌面PC的Pentium 4 Extreme Edition，但仍然难以挽回颓势，也让2004年2月的90nm制程Pentium 4 Prescott产品定位，显得更尴尬。

Xeon MP一次连接四颗CPU的SMP系统总线，以及共用的内存控制器，成为明显的效能瓶颈，也突显AMD K8内建内存控制器与HyperTransport总线的绝大优势。在2003年4月22日，AMD Opteron的降临，让英特尔做了好几年恶梦，也让英特尔的处理器产品Roadmap，陷入了前所未见的极大混乱。

2003年：开启AMD全盛期的Opteron

英特尔跟HP合作的IA-64指令集与Itanium处理器，策略失当与出师不利，送给了AMD伺机杀入服务器市场的大好机会。相较于英特尔，AMD Opteron不仅享有压倒性的技术优势，其产品编号也极度的清晰易懂，可以想见“有备而来”的程度。

• 1开头：单处理器
• 2开头：双处理器
• 8开头：多处理器（四颗或八颗）
• 迈进DDR2内存后，编码变成x200，以此类推，2即代表“第二世代”。

加上当时正是x86服务器也需要直接定址超过4GB主内存的心理关键时刻，让AMD发布于1999年的x86-64指令集，因具备x86回溯相容性兼具倍增的缓存，变成很具吸引力的64位元方案。

2002年4月24日，AMD公布Opteron品牌，同一天微软也“很巧合”宣布将发行x86-64版Windows，让英特尔钦定的“64位元真命天子”Itanium处理器的未来，蒙上不祥的阴霾。

同时AMD其他K8产品线品牌的发表日期，这也代表着64位元x86指令集，逐步推广到其他应用领域的里程碑。

• Athlon 64（桌面PC）：2002年11月19日。
• Sempron（低价产品）：2004年6月7日。BBS连线硬体版戏称为“散步龙”，和英特尔的“洗地龙”（Celeron）相互辉映，唯一的共同点就是“散步”和“洗地”都象征“跑不快”。
• Turion 64（笔记本电脑）：2005年1月10日，笔者还依稀记得HP还是带头冲第一的笔记本电脑厂商。

AMD当时之所以能在短短两年就席卷伺服器市场，从英特尔手上硬抢下超过30%市场占有率，除了64位元，还有很多重要因素。

服务器等级的侦错容错机制：从ECC单位元纠错的L1缓存与L2缓存、预防内存多位元错误的Chipkill技术、Parity位元侦错的L1指令快取、巨大的转译后备缓冲区（TLB）、到回报系统错误的MCA（Machine Check Architecture）机能，都充分展现了AMD抢攻服务器市场的决心。

HyperTransport总线：Opteron直接提供点对点连接处理器的方式，比特币新闻不像英特尔的传统北桥架构，每个处理器都要共用有限的FSB频宽外，打造大型系统也需要昂贵复杂的芯片组、如桥接芯片，这让实作Opteron多处理器环境远比Xeon轻松。

也因此，大型Opteron多处理器平台享有比Xeon MP更短的研发时间，不仅成本比较低廉，效能和可靠度上更是毫无妥协，一度让AMD在四处理器以上x86服务器，曾有40%以上市占率。英特尔是到2008年的Nehalem有了QPI，才追上AMD。

高效率的高速缓存一致性协定（Cache Coherence Protocol）：这对多处理器环境效能有着举足轻重的影响，而AMD的MOESI协定有极为出色的表现。

和处理器核心同频率的整合型内存控制器：多处理器环境变成CC-NUMA（Cache Coherence-Non Unified Memory Architecture）分散式内存架构，让Opteron整体内存效能，远胜过英特尔的系统前端总线（FSB）连接北桥（North Bridge）的架构。

整合式内存控制器让处理器数量越多，可扩增的内存容量也会更大。2005年，企业需要128GB主内存容量的服务器，采用Itanium的HP SuperDome要价4千万台币，但八颗Opteron的系统，如Sun X4600和Iwill H8501，每颗安装16GB内存，价格却仅十分之一，巨大优势不言可喻。

直冲原生双核心：当北桥内存控制器都位于在处理器晶粒之中，自然也不必担忧双核心至多核心的内部频宽与延迟问题。AMD打从2001年，就宣布让K8直奔原生双核心（请注意下图的CPU 0和CPU 1），更在2004年8月31日（2004年秋季IDF）就公开双核心样品，2005年4月准时登场，这是AMD x86处理器发展史上最重大的战略胜利。

K7演进而来的成熟微架构：K8是以K7为基础进行改良的产物，相较于同时期的英特尔NetBurst体系，也享有压倒性的低功耗。AMD在2002年2月26日（2002年春季IDF）首次展示单核心K8，隔年4月正式上市，屡次用较低的运行频率「屠杀」英特尔NetBurst体系的产品线。

强大动态分支预测和记忆体转译后备缓冲区：足以应付“分支密集且狂吃内存频宽”的服务器端应用软体的行为模式。

值得一提的是，因为K8的L1 / L2缓存“互斥”（Exclusive），AMD还利用“L1指令缓存的数据，被挤回L2时，L2的ECC形同浪费”（L1指令缓存只有Parity）特色，将分支选择器“偷放”在这个栏位，以增强分支预测器的容量，并兼顾效能与成本，堪称非常厉害的巧思，毕竟L1缓存被侦测到数据受损，顶多从内存重新撷取一次就好了。

2003年底上市的Opteron 848，售价高达3，199美元，这对过去只能在个人电脑市场跟英特尔打价格战的AMD来说，简直是连想都不敢想的梦。

2004年6月14日，AMD发新闻稿，昭告天下“我们已经设计完毕原生双核产品”，并大方摊开产品Roadmap给大家看。

2004年7月17日：Cray宣布将建造由10880颗Opteron构建出来的Red Storm超级电脑。

2004年8月23日：AMD与Newisys在IEEE HotChips 16发表Horus芯片组，这是AMD史上首款32处理器的大型系统架构（即使后来胎死腹中）。

2005年4月21日，AMD发布双核心的Opteron 800系列，领先英特尔的Core 2家族整整超过一年，堪称AMD公司当时最意气风发的时刻。

只不。