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          服務器概念、組成和架構詳解

          2022-03-06 01:21Dark_Ice_ 服務器知識

          本文圍繞4個核心問題,由淺入深對服務器進行深入剖析:1、服務器是什么?2、服務器的構成?3、服務器的分類?4、X86/ARM之爭?

          目錄

          前言:

          1、服務器是什么?

          2、服務器的構成?

          3、服務器的分類?

          4、X86/ARM之爭?

          一、服務器是什么?

          二、 服務器的構成?

          2.1 服務器的邏輯架構

          2.2 服務器的硬件

          2.3 服務器的固件和OS

          三、服務器的分類?

          3.1 按產品形態

          3.2 按指令集架構

          3.3 按處理器數量

          3.4 按應用類型

          四、 X86/ARM之爭?

          4.1 X86服務器:市占率高

          4.2 ARM服務器:潛力很大


          前言:

          服務器是構建云計算的最核心基礎設備,在“新基建”加快推進、公有云持續放量的背景下,服務器行業正迎來景氣拐點。本文圍繞4個核心問題,由淺入深對服務器進行深入剖析:

          • 1、服務器是什么?
          • 2、服務器的構成?
          • 3、服務器的分類?
          • 4、X86/ARM之爭?

          一、服務器是什么?

          服務器的英文名稱為“ Server”,是指在網絡上提供各種服務的高性能計算機。作為網絡的節點,存儲、處理網絡上80%的數據、信息,因此也被稱為網絡的靈魂。

          服務器和普通計算機的功能是類似的。只是相對于普通計算機,服務器在穩定性、安全性、性能等方面都要求更高,因此CPU、芯片組、內存、磁盤系統、網絡等硬件和普通計算機有所不同。

          具體來說,服務器與普通計算機的主要區別包括:

          1)通信方式為一對多:PC、平板、手機等固定或移動的網絡終端,上網、獲取資訊、與外界溝通、娛樂等,必然要經過服務器,服務器通過“一對多”來組織和領導這些設備。

          2)資源通過網絡共享服務器通過偵聽網絡上其它終端(Client)提交的服務請求,在網絡操作系統的控制下,將與其相連的硬盤、打印機、Modem及各種專用通訊設備提供給網絡上的客戶站點共享,也能為網絡用戶提供集中計算、信息發表及數據管理等服務。

          3)硬件性能更加強大:服務器的高性能主要體現在高速度的運算能力、長時間的可靠運行、強大的外部數據吞吐能力等方面。

          服務器廠商會根據不同的應用場景,對服務器進行差異化設計,目前主要的應用場景包括文件交互、數據存儲和查詢、應用程序應答與運行等。

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          二、 服務器的構成?

          2.1 服務器的邏輯架構

          服務器的邏輯架構和普通計算機類似。但是由于需要提供高性能計算,因此在處理能力、穩定性、可靠性、安全性、可擴展性、可管理性等方面要求較高。服務器的邏輯架構中,最重要的部分是CPU和內存。CPU對數據進行邏輯運算,內存進行數據存儲管理。

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          2.2 服務器的硬件

          服務器硬件主要包括:處理器、內存、芯片組、I/O(RAID卡、網卡、HBA卡)、硬盤、機箱(電源、風扇)。

          在硬件的成本構成上,CPU及芯片組、內存、外部存儲是大頭。以一臺普通的服務器生產成本為例,CPU及芯片組大致占比50% 左右,內存大致占比 15% 左右,外部存儲大致占比10%左右,其他硬件占比25%左右。

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          2.3 服務器的固件和OS

          服務器的固件主要包括BIOS或UEFI、BMC、CMOS,OS包括32位和64位。

          1)BIOS

          (Basic input/ Output System)

          即基本輸入輸出系統,是服務器啟動后最先運行的軟件。它包括基本輸入輸出控制程序、上電自檢程序、系統啟動自檢程序、系統設置信息。BIOS是服務器硬件和OS之間的抽象層,用來設置硬件,為OS運行做準備。BIOS設置程序是儲存在BIOS芯片中的。BIOS的進化版本是UEFI(Unified Extensible FirmwareInterface),即統一的可擴展固定接口。這種接口用于操作系統自動從預啟動的操作環境,加載到一種操作系統上,從而使開機程序化繁為簡,節省時間。

          2)BMC

          (Baseboard Management Montroller)

          即基板管理控制器,主要是對服務器進行監控和管理。BMC可以在服務器未開機的狀態下,對機器進行固件升級、查看機器設備等。

          3)CMOS

          (Complementary metal-oxide-semiconductor)

          是電腦主機板上一塊特殊的RAM芯片,是系統參數存放的地方。CMOS存儲器用來存儲BIOS設定后的相關參數。

          4)OS

          (Operating system)

          即操作系統,對服務器軟硬件及數據資源進行管理調度。OS主要分為32位和64位,OS的位數版本決定了計算機處理器在RAM(隨機存取儲存器)處理信息的效率,64位版本比32位的可以處理更多的內存和應用程序。

          三、服務器的分類?

          服務器的分類標準是多元化的,目前主要可按產品形態、指令集架構、處理器數量、應用類型等對市場上的服務器進行分類。

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          3.1 按產品形態

          服務器按產品形態,可以分為:塔式服務器、機架服務器、刀片服務器、機柜服務器等。

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          1)塔式服務器( Tower Server)

          既常見的立式和臥式機箱結構的服務器,可放置在普通的辦公環境,機箱結構較大,有較大的內部硬盤、冗余電源、冗余風扇的擴容空間,并具備較好的散熱功能。塔式服務器密度低,多為單處理器系統(有少部分為雙處理器系統)。系統電源和風扇一般是單配,非冗余可靠性較低。主要應用在企業官網、多媒體大流量APP、醫療成像、虛擬桌面基礎架構(VD)等場景。

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          2)機架式服務器(Rack Server)

          機架結構是傳統電信機房的設備結構標準,寬度為19英寸,高度以單位“U”計算,每“U”為1.75英寸(可換算成4.445cm)。通常有1U、2U、4U和8U之分,其中以1U和2U為主,其次是4U和8U。近期市場也有3U和6U等高度的機架產品出現。機架服務器是一種外觀按照統一標準設計的服務器,配合機柜使用??梢哉J為機架式是一種優化結構的塔式服務器,它的設計宗旨主要是為了盡可能減少服務器空間的占用,而減少空間的直接好處就是在機房托管的時候價格會便宜很多。主要應用在云計算、軟件定義存儲、超融合架構、CDN緩存、超算中心等場景。

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          3)刀片式服務器(Blade Server)

          通常在一個機箱里可以插入數量不等的“刀片”,其中每一塊“刀片”實際上就是一塊服務器主板。刀片服務器通常只需要比機架服務器更少的機架空間,通過優化空間來提供更強的計算能力,是一種更高密度的服務器平臺。一般包括刀片服務器、刀片機框(含背板)及后插板三大部分。不同廠商有不同高度的機框。各廠商機框皆為19英寸寬,可安裝在42U的標準機柜上。主要應用在超算中心、異構計算、云計算平臺、實時業務處理、商業智能分析及數據挖掘等場景。

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          4)機柜式服務器(Cabinet Server)

          是未來數據中心基礎架構的核心形態和發展趨勢。它集成計算、網絡、存儲于一體,以及面向不同應用時,可以部署不同的軟件,提供一個整體的解決方案。機柜式服務器一般由一組冗余電源集中供電,散熱方面由機柜背部風扇墻集中散熱,功能模塊和支撐模塊相分離,通過供電、散熱的整合,相比普通機架式服務器,運行功耗低、且可靠高效。此外,機柜式服務器無需繁瑣拆裝,維護便捷,能夠輕松實現統一集中管理和業務的自動部署。主要應用在虛擬化、大數據分析、分布式存儲、超算中心等快速一體化部署場景。

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          3.2 按指令集架構

          服務器按照指令集架構分類,主要分為如下:

          CISC服務器:

          (Complexinstruction Set Computing)

          即復雜指令集計算

          RISC服務器:

          (ReducedInstruction Set Computing)

          即精簡指令集計算

          EPIC服務器:

          (Explicitlyparallel Instruction Computing)

          即顯式并行指令計算

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          1)CISC服務器

          也被稱為X86服務器,采用Intel、AMD或其它兼容X86指令集的處理器芯片以及Windows操作系統的服務器,是目前主流的服務器架構。

          2)RISC服務器

          RISC服務器基于RISC處理器,目前主要包括IBM的Power和Power PC處理器,SUN和富士通合作研發的SPARC處理器,華為基于ARM架構級授權研發的鯤鵬920處理器。

          3)EPIC服務器

          EPIC服務器基于EPIC處理器,目前主要是Intel研發的安騰處理器等。

          使用RISC或EPIC架構的服務器又稱非X86服務器。包括:大型機、小型機和UNIX服務器,并且主要采用UNIX和其它專用操作系統。

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          3.3 按處理器數量

          按照處理器的數量可將服務器分為:單路服務器、雙路服務器、四路服務器、八路服務器等。其中,“路”是指一臺服務器內部的CPU個數,比如單路服務器內部CPU數量為1顆,雙路服務器為2顆,以此類推。目前主流的服務器是雙路服務器。

          多路服務器用到了對稱多處理技術(SymmetricalMulti-Processing,簡稱SMP),在一臺服務器上,多顆CPU共享內存子系統以及總線結構。在服務器運行時,多顆CPU同時運行操作系統的單一復本,系統將任務隊列對稱地分布于每顆CPU之上,所有的CPU都可以平等地訪問內存、I/O和外部中斷,從而極大地提高了整個系統的數據處理能力。

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          3.4 按應用類型

          在不同的應用場景,對服務器的功能要求會有所側重,按照其應用類型,可以分為文件服務器、數據庫服務器、應用程序服務器。

          1)文件服務器

          在計算機局域網中,以文件數據共享為目標,將供多臺計算機使用的文件存儲在一臺服務器中,這臺主機就被稱為文件服務器。文件服務器相當于一個信息系統的大倉庫,保證用戶和服務器磁盤子系統之間快速數據傳遞。在該類型服務器的各個子系統中,對系統性能影響大小依次排列為網絡系統、磁盤系統、內存容量、處理器性能。

          2)數據庫服務器

          用于頻繁的讀取和索引數據的服務器,比如企業的財務系統、人事系統及各種管理系統均有類似需求。不同類型的企業對數據庫服務器的要求不同,對于較大的企業,會涉及到分布式并發數據查詢等問題,這對網絡系統以及I/O的數據傳輸能力有比較高的要求;而對于較小的企業,并發用戶相對較少,分布式查詢需求不高,磁盤系統更為重要。

          3)應用程序服務器

          類似于文件服務器為很多用戶提供文件一樣,應用程序服務器讓多個用戶可以同時使用應用程序。在該類型服務器的各個子系統中,對處理器性能的要求會更高。

          四、 X86/ARM之爭?

          正如前文所述,按照指令集類型,服務器可以分為CISC服務器、RISC服務器、EPIC服務器。其中CISC服務器又被稱為X86服務器,RISC和EPIC服務器又被統稱為非X86服務器(也即Non-X86服務器)。從服務器的產業趨勢來看,目前正形成雙強的局面,其中X86服務器以Intel/AMD處理器為主導,而非X86服務器以ARM架構處理器為主導。雙方各有優劣勢,將長期共存。

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          4.1 X86服務器:市占率高

          X86服務器是目前市場的主流選擇。2009年以來,X86服務器逐步成為服務器市場的主流選擇,收入方面的優勢相較于Non-X86服務器不斷擴大。根據Gartner的數據,2019年,全球X86服務器出貨量和廠商銷售額分別為1249.7萬臺和693.6億美元,遠超Non-X86服務器。X86服務器是云計算基礎設施的主要構成元素,隨著云計算產業的持續發展, X86服務器的市場規模有望進一步擴大。

          服務器概念、組成和架構詳解

          中國x86服務器市場需求有望拐點向上。在中國“新基建”政策的推動下,未來5年,中國X86服務器市場景氣度有望提升。根據IDC的預測,2020-2024年,中國X86服務器的出貨量復合增長率為9.1%。

          英特爾10nm新一代芯片即將面世,X86服務器有望迎來新一輪產品迭代。處理器是服務器的核心,而X86服務器芯片的霸主為英特爾,英特爾的產品迭代對X86服務器的產業周期有重要影響。早在1978年,英特爾即推出第一代X86架構處理器—8086,用于PC。此后,英特爾進軍服務器領域,歷經奔騰、至強產品線。根據英特爾公布的路線圖,公司將于2020年四季度推出10nm服務器處理器Ice Lake-SP系列,進一步升級微內核,預計最多為38核76線程,支持64條PCIe 4.0通道,同時降低功耗。英特爾加快處理器迭代步伐,有望為X86服務器的發展帶來強力催化。

          服務器概念、組成和架構詳解

          目前,作為市場份額最高的服務器架構,X86服務器的核心優勢在于:

          1)性能領先。X86架構處理器設計的初衷在于性能,以2U服務器系統為例,可提供多達48 核的超強計算性能,靈活的存儲擴展以及高速網絡接入能力,非常適用于具有多重業務負載的復雜基礎設施環境,包括企業級部署、云環境部署、大數據應用環境等。

          2)生態完善。X86指令集是一個相對開放的指令集,在發展之初英特爾等供應商對獨立軟件開發商即進行指令集開放,對桌面軟件兼容,發展至今,越來越多的玩家進入X86生態圈,形成了廣闊、完善的護城河。

          4.2 ARM服務器:潛力很大

          ARM服務器迎來萬物互聯發展良機。ARM處理器的應用始于低功耗、計算量小的移動場景,并專注于嵌入式電子、消費電子、汽車電子等領域發展。因此,ARM在移動端、IOT側占據壓倒性的市場及技術優勢。疊加其適配500萬ARM原生應用,未來,ARM架構與X86架構的競爭值得關注。

          5G和物聯網推動邊緣計算、端側AI發展,能效、靈活性將成為用戶重點考量因素。ARM服務器的優點包括:

          • ARM服務器的能耗低。X86架構采用效率相對較低的體系架構,功耗較高,而ARM采用精簡指令集的設計理念,具有天生的計算高效能優勢。
          • 單位面積內核數更多、算力更強。一個ARM核的面積僅為X86核的七分之一,同樣尺寸下,ARM 核數是X86的4倍以上。由于芯片尺寸限制,ARM的眾核橫向擴展更符合分布式業務需求。

          以鯤鵬920為例,其采用7nm工藝,可以支持32/48/64內核。此外,Ampere發布的Altra芯片具有80個內核,Marvell將推出的Thunder X3具有96個內核,相較于Intel至強白金系列的24-56個內核,具有單位面積內更強性能的優勢。

          服務器概念、組成和架構詳解

          未來,隨著數據中心軟件生態逐步支持ARM架構,以及其天生的低成本和低功耗特性,在華為、AWS等ICT巨頭的帶領下,ARM架構CPU的價格和性能有望改善,將可為用戶提供更低成本的云計算服務,實現出貨量的進一步成長。

          來源:智能計算芯世界

          (轉載與:開源Linux)

          文章來源:https://blog.csdn.net/weixin_40274679/article/details/106845214

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