Google Cloud 的 Axion Arm 服务器 CPU：C4A 与 N4A 实例的性价比与能效

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由 ARM 提供

发布于 2026 年 7 月 23 日星期四 // 09:00 UTC

合作内容 Google 是超大规模云厂商中第一家，而且许多人会认为，在过去三十年里推动其整体业务发展的众多业务和工作负载中，它也是最具创新性的一家。这家“巧克力工厂”面临着持续不断的压力：既要降低成本，又要在物理极限之内超越摩尔定律。这对 Google Cloud 客户来说是好消息，因为他们得以收获 Google 整体业务为自身发展所创造的创新成果。

在 Arm 于 2018 年推出其 Neoverse IP 模块之后，该架构与快速扩张的软件生态同步成熟。在先进 Arm 服务器 CPU 部署的推动下，行业转向全面的生态对等——为现代操作系统、开发者工具和关键企业应用提供一流的原生 Arm 支持。正是在那时，Google 两年前携其自研的 Axion Arm 服务器 CPU 入局，降低服务器 CPU 成本，并针对 Google 内部的特定工作负载量身定制性能。

原因很简单。与地球上的其他所有企业一样，这家搜索巨头需要对其服务器机群进行现代化改造，使其更高效、成本更低，从而释放资本再投资于 AI。Google 的 Axion 服务器 CPU 及其相关 Titanium 数据处理单元（DPU）的所有优势，都会惠及任何想要为其能想到的任何工作负载获取虚拟或裸金属计算的客户，而他们只需在 Google Cloud 上购买容量，就能获得 Google 自身使用的最量身定制的计算资源。

Google 正在为我们的数据中心产品投资定制芯片，既用于内部使用，也用于面向客户的使用，”Google Cloud 集团产品经理 Mo Farhat 说道，他负责领导 Axion 产品及上市战略。

Farhat 将 Axion CPU 描述为这一创新的重要阶段之一。从运行无数工作负载中获得的洞察，以及从芯片到服务的垂直整合，都是巨大的优势。

2024 年 4 月，Google Cloud 发布了首款 Axion 处理器，为其 C4A 实例提供动力。Google 选择“Demeter”Arm Neoverse V2 核心作为其设计基础。

Demeter 的一大吸引力在于其强大的向量数学性能，以及基于 Armv9.0-A 架构的强劲 Arm 整数核心。它拥有 64 KB 的 L1 指令缓存、64 KB 的 L1 数据缓存，以及每核心 2 MB 的私有 L2 缓存。此外，该 CPU 的 72 个核心还共享 80 MB 的 L3 缓存。

Demeter 核心不实现同步多线程（SMT）。这有助于提升安全性，因为它限制了攻击面，并在核心层面提供绝对隔离。与实现 SMT 的核心相比，它还能提供更高的每线程确定性性能。

Demeter V2 核心拥有四个 128 位 SVE2 向量单元，颇具讽刺意味的是，它们比“Zeus”V1 核心中的两个 256 位向量单元更容易保持忙碌。SVE2 单元还支持 MatMul（I8MM）运算和指针认证（PAC）。

C4A 实例面向内存缓存、数据库、高流量 Web 和应用服务器、基于 CPU 的高性能计算，以及其他以核心数和复杂数学为常态而非一时风尚的工作负载。C4A 变体在其 72 个核心上支持高达 576 GB 的 DDR5-5600 主内存，而 C4A Metal 版本则在 96 个核心上支持高达 768 GB 的 DDR5-5600 内存。

这些实例的以太网网络带宽为 100 Gb/秒，对于 C4A 实例，最多可配备 6 TB 本地闪存，可提供高达 10.4 GB/秒的读取吞吐量和每秒 240 万次随机读取 I/O 操作。C4A 实例于 2024 年 10 月可用。

Google 通过去年秋季预览、并于今年 1 月可用的 N4A 实例扩展了 Axion 处理器家族。它们支持高达 512 GB 的 DDR5 内存。

N4A 实例支持一项名为自定义机器类型（Custom Machine Types）的 Google Cloud 新技术，这意味着 vCPU 数量和内存容量可以独立配置和定价，因此客户可以根据其应用需求定制实例，而不会留下任何闲置的 vCPU 或内存容量。

N4A 实例通过 Titanium DPU 提供 50 Gb/秒的以太网连接。N4A 实例面向 Web 服务器、GKE 容器化应用、CI/CD 应用开发和轻量级数据分析工作负载。

典型的 Axion 处理器主频在 3.2 GHz 到 3.4 GHz 之间。它由 Titanium DPU 设定并锁定，该 DPU 负责网络虚拟化、存储虚拟化（针对外部 Hyperdisk 块存储服务和某些 Axion 实例节点中的本地 Titanium SSD 闪存），以及通过 DPU 上的 Titan 安全芯片实现基于硬件的信任根安全。

C4A 和 N4A 实例上仍运行着一层轻量级虚拟机监控程序，但 C4A Metal 实例是无需虚拟机监控程序的裸金属。通过将这些功能卸载到 Titanium DPU，Axion 芯片上有更多核心可用于实际工作。在 DPU 出现之前的旧时代，这些网络和存储功能可能会占用芯片上 30% 到 40% 的核心。

性能和价格对比正是 Axion 处理器接受市场其余产品检验的环节。

Google Cloud 表示，与基于 x86 的 C4 实例相比，基于 Arm 的 C4A 实例的性价比最高提升 65%，每瓦性能最高提升 60%。

对于基于 Arm 的 N4A 实例，Google Cloud 表示，在 SPECrate2017 整数测试中，Axion CPU 的性价比比可比的基于 x86 的 N4 实例高出 105%；以 Nginx 反向代理基准为参照，Web 服务器的性价比最高可提升 90%。

对于以 SPECjbb2015 基准衡量的 Java 工作负载，其性价比比基于 x86 的 N4 实例高出 85%。以 MySQL 吞吐量基准衡量，N4A 实例的性价比比基于 x86 的 N4 实例高出 20%。

Google 受益于使用现成的 Arm Neoverse 核心以及可能还有其他 Arm IP，而不是自行设计定制核心——尽管它在技术上完全有能力这样做。由于 Google 可以使用整个 Arm 软件栈，它可以扩展其构建系统，将自家应用从 x86 平台移植到基于 Arm 的 Axion CPU。

要迁移超过 10 万个应用，这确实是一项艰巨无比的任务。截至去年 10 月，已有 3 万个 Google 应用被移植到 Axion 处理器，先从大型应用开始——Spanner 全局文件系统、运行在其上的 BigTable 数据库层、BigQuery 数据仓库，以及 YouTube 视频流和 Gmail。

Arm 物理 AI 部门市场推广与客户解决方案副总裁 Dermot O'Driscoll 对 The Next Platform 表示：“在我们所处的世界里，越来越多的软件生态正围绕 Arm 构建，越来越多的硬件生态也正围绕 Arm 构建。”

他继续说道：“当美国四大云和超大规模厂商都致力于 Arm 架构时，你会看到更多开发者希望工作在 Arm 平台上，而不是停留在具有传统成本结构的传统架构上。Google 设计的定制 SoC 旨在完成公司认为需要做好的事情，而 Google 不必背负对其自身需求及其客户需求无关的架构包袱。因此，这种为满足其软件需求而对硬件进行精细调优的水平是独一无二的。”

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