IBM 首款双架构大型机芯片：同一内核纳秒级切换 z/OS 与 Arm 工作负载

IBM 今日在一年一度的 Hot Chips 大会 上宣布了一项可能成为数十年来大型机架构最具变革性的更新：一款其内核可原生执行 IBM 自有指令集和 Arm 的 指令集——两者之间切换仅需纳秒级时间。

该芯片将为下一代 IBM Z 和 LinuxONE 系统提供动力，是有史以来首款双架构大型机处理器。其设计目标是让企业能够直接在同一系统上并行运行庞大且快速增长的 Arm 原生 Linux 软件生态（包括日益定义现代基础设施的人工智能框架），以及支撑全球银行、保险公司和政府机构的核心 z/OS 事务处理工作负载。

“作为双方的技术爱好者，我们非常兴奋，能推出我认为是目前市面上最强大的商用双架构处理器之一。”IBM Z 与 LinuxONE 首席产品官蒂娜·塔奎尼奥（Tina Tarquinio）在发布前接受 VentureBeat 独家专访时表示。

此次发布标志着 IBM 与 Arm 于今年 4 月宣布的战略合作达成首个硬件里程碑，也为一个多年来萦绕大型机的问题提供了异常直接的答案：这台处理全球大部分受监管金融交易的机器，能否在主要建立于他人芯片之上的 AI 时代，继续保持一流地位？

IBM 如何设计出能理解两种指令集的处理器内核

最引人注目的工程决策在于 IBM 选择 不 做什么。该公司本可在处理器一侧简单地附加若干独立的 Arm 内核——这是一种其他芯片制造商用于异构计算的更简单设计方案。但 IBM 却选择让芯片上的每个内核均具备双语能力。

“这款芯片包含 11 个内核，每个内核均可在 Arm 软件模式与 传统 Z 软件模式之间动态来回切换，" IBM Fellow、IBM 系统开发首席技术官克里斯蒂安·雅各比（Christian Jacobi）在 VentureBeat 独家专访中表示。“这使我们得以在同一芯片上并行运行关键任务型企业软件与更为广泛的 Arm 应用软件生态。”

该机制依赖于开源 KVM 虚拟机监视器（hypervisor）。企业可并行运行 Arm64 Linux 虚拟机与 Linux on Z 虚拟机；当虚拟机监视器将每个虚拟机调度至物理内核时，该内核即自动切换至对应模式。雅各比表示，其性能损耗实际上为零。“这种切换耗时约纳秒量级，”他说，“由于你在虚拟镜像中持续运行达数毫秒之久，此类切换开销几乎被完全摊销为零——几乎毫无影响。”

传统的 z/OS 工作负载在芯片上以独立分区方式运行，且位于 KVM 之外——这意味着一家银行的核心账本、欺诈检测模型以及一套现代化的 Arm 原生监控栈，均可共享同一块硅片、同一内存结构及同一可靠性保障。雅各比坦率承认，IBM 曾认真考虑过更简单的路径，但最终予以否决。“如果我们只是在芯片一角松散地放置几个 Arm 内核，那根本无法真正满足客户的需求，”他表示，“它必须深度集成至整个系统设计之中，才能提供客户所习惯的同等服务质量。”

规格参数凸显了该设计绝非妥协产物。该芯片基于业界领先的 2 纳米制程节点打造，其 11 个高性能内核基础频率超过 5.7 GHz——按行业标准衡量，这一速度极为惊人；芯片还集成片上 AI 推理加速器，用于事务内实时欺诈检测；配备专用数据处理单元以加速 I/O；并采用大容量缓存架构。完整系统可扩展至数百个内核及数十太字节内存。“与其他厂商所能提供的产品相比，这确实快得惊人，”雅各比表示，“这再次印证了大型机技术并非老旧技术，而是极为现代、处于前沿的尖端技术。”

为何大型机需要 Arm 的 2200 万开发者

该芯片背后的战略逻辑关乎软件，而非硬件。IBM 的 s390x 架构 承载着全球大量关键任务型事务，但更广阔的通用企业软件宇宙——包括监控工具、安全代理、云原生中间件，尤其是 PyTorch、ONNX Runtime 及容器化工作负载等人工智能堆栈——则是为 x86 架构构建，且正日益转向 Arm 架构。据 Arm 自身估算，2025 年运抵各大超大规模云服务商的算力中，近半数将基于 Arm，其驱动力来自 AWS Graviton、Google Axion 及微软的 Arm 芯片。Arm 全球开发者数量已逾 2200 万人。

将每款应用移植至 s390x 架构一直是一项艰苦卓绝、逐个独立软件供应商（ISV）推进的工作；IBM Z 与 LinuxONE 首席产品官蒂娜·塔奎尼奥对此直截了当地阐述了权衡取舍：“无论我们的生态系统团队多么优秀，我们都永远无法与所有 ISV 合作并将全部应用完成移植，”她告诉 VentureBeat，“市场上存在大量 ISV，因此我们希望迈出一项根本性、跨越式前进的大步。我们从技术角度果断出手。”

值得注意的是，她表示客户本身并未明确要求一款双架构芯片——他们真正索求的是成果。“我不会说我们的客户曾明确提出‘请为我们打造一款双架构环境’，但他们的确表示：‘请助我以更快上市的方式运行这些周边工作负载，或各类不同性质的工作负载。’”

其兼容性承诺雄心勃勃：Arm Linux 二进制文件应无需修改即可运行。“新增的 Arm 功能旨在实现 100% 二进制兼容，”雅各比表示，“例如，一旦你拥有适用于 Arm 的 Red Hat Linux，以及能在该系统上运行的应用程序，它们便无需任何修改即可在本系统上运行。”Arm 定义指令集架构，并提供验证工具套件，以确保 IBM 的实现行为与其他所有 Arm 芯片完全一致；而 IBM 则完全自主设计并制造该硅芯片。“这是一次非常出色的合作，也是一次非常扎实的工程协作，”雅各比如此评价双方合作。

下一代 Spyre 加速器对大型机企业 AI 的意义

IBM 还将在 Spyre AI 加速器 的下一代产品于 Hot Chips 大会上进行预览，二者搭配绝非偶然。当前架构已提供两层 AI 支持：一是随 2022 年发布的 Telum 芯片 引入的片上加速器，用于处理支付交易内部的超低延迟推理（如欺诈评分）；二是位于 I/O 子系统内的 Spyre 加速器卡，专为更重型模型而设。

新款Spyre大幅提升了性能上限。‘我们还推出了一款性能高得多的芯片，能够运行大型语言模型，以支持智能体（agentic）工作流，’雅各比（Jacobi）表示——这些工作流既包括管理系统的AI运维（AI-ops）工作流，也包括面向业务的工作流，‘例如文档理解与保险理赔 adjudication。’这款新型加速器将配备高带宽内存，以满足这些模型的数据吞吐需求。

此处，双架构战略与AI战略交汇融合。企业希望在数据所在地附近执行推理；而数据本身驻留在大型机（mainframe）上；同时，AI工具链又几乎完全原生支持Arm架构。Arm公司负责云AI业务的执行副总裁穆罕默德·阿瓦德（Mohamed Awad）正是以这一逻辑来界定此次发布：‘随着AI规模扩大，计算生态中越来越多的部分正向Arm收敛。将Arm计算能力及其软件生态系统引入这些平台，将把这一势头延伸至任务关键型（mission-critical）企业基础设施，从而赋予组织在AI部署方式上更大的选择权。’

这一时间节点与企业AI当前实际所处阶段相吻合。麦肯锡（McKinsey）最新发布的 《AI现状》（State of AI） 调查发现，尽管目前已有88%的组织在至少一项业务职能中使用AI，但近三分之二的组织尚未在整个企业范围内规模化应用AI；而真正获取最大价值的企业，是那些重构核心工作流而非仅运行孤立试点项目的企业。对于其核心记录系统（systems of record）部署在 IBM Z上的受监管行业而言，在交易发生地直接运行AI，无疑是实现此类整合最直接的路径。

双架构IBM Z系统何时上市——以及为何现有客户无需担忧

买家需保持耐心。该芯片将首发于 z17的继任机型，而z17已于2025年第二季度出货；IBM维持约三年一周期的产品节奏，因此新系统预计将于2028年前后发布。但塔奎尼奥（Tarquinio）强调，该项目早已超越概念阶段。‘这已不止停留在图纸设计层面。我们正全速推进整个系统开发，’她表示，并补充道，IBM将在上市前陆续披露更多细节。

对于IBM现有客户群而言，一个本能反应式的问题是：拥抱Arm是否意味着传统架构正缓慢走向终结？两位高管均对此予以坚决否认。‘这是一项重大的 和。它并非 或，’塔奎尼奥表示。‘我手中握有一份长达10至15年的硬件系统路线图。我们众多团队正在开发下一代系统；也有许多团队正同步开展再下一代、甚至再下一代系统的研发工作。’

雅各比则将此次举措定性为延续而非断裂。‘我们今天所拥有的z17系统这类传统大型机，并非25年前所建系统的简单提速版，’他表示。‘我们过去不具备普遍加密能力，也不具备处理器内AI能力。加入Arm能力，正是这一持续演进过程中的下一次重大迭代。’

其隐含的竞争指向是云计算。当被问及企业为何要在大型机上运行Arm工作负载，而非选择超大规模云服务商（hyperscaler）时，塔奎尼奥援引了该平台的可用性指标：‘我们说的是‘八个九’（eight nines）的可用性——即每年仅0.3秒停机时间。如果你正在运行账本系统，正在运行欺诈检测系统，或运行任何其他任务关键型应用，你都需要这种保障。’她表示，其核心主张在于‘量体裁衣’（fit for purpose）：应根据服务等级协议（SLA）匹配基础设施，而非追逐技术潮流。

但现实存在切实限制。IBM自身新闻稿即指出，有关未来方向的声明‘仅代表目标与意图’。目前Arm支持仅限Linux操作系统；而最具挑战性的工程任务——即在真实客户工作负载下，以生产级性能运行异构指令集，并实现大型机级别的故障检测与恢复能力——仍需在未来两年内经受验证。

但其雄心毋庸置疑。六十年来，大型机成功抵御了每一轮曾被预言将致其消亡的技术浪潮——小型计算机、客户端-服务器架构、云计算——其方式是吸收每一波浪潮中自身所需的关键要素。如今，IBM正尝试迄今最大胆的一次吸收：让这台运行全球资金流的机器，学会以流利且原生的方式，在同一块硅片上讲出AI时代的新语言。‘我们将带来一款真正属于业界首创、并投入实际生产的解决方案，’塔奎尼奥表示，‘这再次彰显了IBM在技术层面所能达到的高度。’事实证明，大型机并未被未来抛下；它正在学习驾驭未来。