深入浅出:全面解析服务器基础知识

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前言:服务器是一种为客户机提供服务的高性能计算机。

服务器是构建云计算和数据中心的最核心基础设备,在公有云持续放量的背景下,服务器行业正迎来景气拐点。本文围绕 4 个核心问题,由浅入深对服务器进行深入剖析:

1、服务器是什么?

2、服务器的构成?

3、服务器的分类?

4、X86/ARM 架构之争?

一、服务器是什么?

服务器的英文名称为“Server”,是指在网络上提供各种服务的高性能计算机。作为网络的节点,存储、处理网络上 80%的数据、信息,因此也被称为网络的灵魂。

服务器和普通计算机的功能是类似的。只是相对于普通计算机,服务器在稳定性、安全性、性能等方面都要求更高,因此 CPU、芯片组、内存、磁盘系统、网络等硬件和普通计算机有所不同。具体来说,服务器与普通计算机的主要区别包括:

1)通信方式为一对多:PC、平板、手机等固定或移动的网络终端,上网、获取资讯、与外界沟通、娱乐等,必然要经过服务器,服务器通过“一对多”来组织和领导这些设备。

2)资源通过网络共享 服务器通过侦听网络上其它终端(Client)提交的服务请求,在网络操作系统的控制下,将与其相连的硬盘、打印机、Modem 及各种专用通讯设备提供给网络上的客户站点共享,也能为网络用户提供集中计算、信息发表及数据管理等服务。

3)硬件性能更加强大:服务器的高性能主要体现在高速度的运算能力、长时间的可靠运行、强大的外部数据吞吐能力等方面。

服务器厂商会根据不同的应用场景,对服务器进行差异化设计,目前主要的应用场景包括文件交互、数据存储和查询、应用程序应答与运行等。

二、服务器的构成?

2.1 服务器的逻辑架构

服务器的逻辑架构和普通计算机类似。但是由于需要提供高性能计算,因此在处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性、可管理性等方面要求较高。服务器的逻辑架构中,最重要的部分是 CPU 和内存。CPU 对数据进行逻辑运算,内存进行数据存储管理。

2.2 服务器的硬件

服务器硬件主要包括:处理器、内存、芯片组、I/O (RAID 卡、网卡、HBA 卡)、硬盘、机箱(电源、风扇)。

在硬件的成本构成上,CPU 及芯片组、内存、外部存储是大头。以一台普通的服务器生产成本为例,CPU 及芯片组大致占比 50% 左右,内存大致占比 15% 左右,外部存储大致占比 10% 左右,其他硬件占比 25% 左右。

2.3 服务器的固件和 OS

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

1)BIOS

(Basic input/ Output System)即基本输入输出系统,是服务器启动后最先运行的软件。它包括基本输入输出控制程序、上电自检程序、系统启动自举程序、系统设置信息。

BIOS 是服务器硬件和 OS 之间的抽象层,用来设置硬件,为 OS 运行做准备。BIOS 设置程序是储存在 BIOS 芯片中的。BIOS 的进化版本是 UEFI(Unified Extensible FirmwareInterface),即统一的可扩展固定接口。这种接口用于操作系统自动从预启动的操作环境,加载到一种操作系统上,从而使开机程序化繁为简,节省时间。

2)BMC

(BaseboardManagementController)即基板管理控制器,主要是对服务器进行监控和管理。BMC 可以在服务器未开机的状态下,对机器进行固件升级、查看机器设备等。

3)CMOS

(Complementary metal-oxide-semiconductor)是电脑主机板上一块特殊的 RAM 芯片,是系统参数存放的地方。CMOS 存储器用来存储 BIOS 设定后的相关参数。

4)OS

(Operating system)即操作系统,对服务器软硬件及数据资源进行管理调度。OS 主要分为 32 位和 64 位,OS 的位数版本决定了计算机处理器在 RAM(随机存取储存器)处理信息的效率,64 位版本比 32 位的可以处理更多的内存和应用程序。

三、服务器的分类?

服务器的分类标准是多元化的,目前主要可按产品形态、指令集架构、处理器数量、应用类型等对市场上的服务器进行分类。

3.1 按产品形态

服务器按产品形态,可以分为:塔式服务器、机架服务器、刀片服务器、机柜服务器等。

1)塔式服务器(Tower Server)

既常见的立式和卧式机箱结构的服务器,可放置在普通的办公环境,机箱结构较大,有较大的内部硬盘、冗余电源、冗余风扇的扩容空间,并具备较好的散热功能。塔式服务器密度低,多为单处理器系统(有少部分为双处理器系统)。系统电源和风扇一般是单配,非冗余可靠性较低。主要应用在企业官网、多媒体大流量 APP、医疗成像、虚拟桌面基础架构(VD)等场景。

2)机架式服务器(Rack Server)

机架结构是传统电信机房的设备结构标准,宽度为 19 英寸,高度以单位“U”计算,每“U”为 1.75 英寸(可换算成 4.445cm)。通常有 1U、2U、4U 和 8U 之分,其中以 1U 和 2U 为主,其次是 4U 和 8U。近期市场也有 3U 和 6U 等高度的机架产品出现。机架服务器是一种外观按照统一标准设计的服务器,配合机柜使用。可以认为机架式是一种优化结构的塔式服务器,它的设计宗旨主要是为了尽可能减少服务器空间的占用,而减少空间的直接好处就是在机房托管的时候价格会便宜很多。主要应用在云计算、软件定义存储、超融合架构、CDN 缓存、超算中心等场景。

3)刀片式服务器(Blade Server)

通常在一个机箱里可以插入数量不等的“刀片”,其中每一块“刀片”实际上就是一块服务器主板。刀片服务器通常只需要比机架服务器更少的机架空间,通过优化空间来提供更强的计算能力,是一种更高密度的服务器平台。一般包括刀片服务器、刀片机框(含背板)及后插板三大部分。不同厂商有不同高度的机框。各厂商机框皆为 19 英寸宽,可安装在 42U 的标准机柜上。主要应用在超算中心、异构计算、云计算平台、实时业务处理、商业智能分析及数据挖掘等场景。

4)机柜式服务器(Cabinet Server)

是未来数据中心基础架构的核心形态和发展趋势。它集成计算、网络、存储于一体,以及面向不同应用时,可以部署不同的软件,提供一个整体的解决方案。机柜式服务器一般由一组冗余电源集中供电,散热方面由机柜背部风扇墙集中散热,功能模块和支撑模块相分离,通过供电、散热的整合,相比普通机架式服务器,运行功耗低、且可靠高效。此外,机柜式服务器无需繁琐拆装,维护便捷,能够轻松实现统一集中管理和业务的自动部署。主要应用在虚拟化、大数据分析、分布式存储、超算中心等快速一体化部署场景。

3.2 按指令集架构

服务器按照指令集架构分类,主要包括:CISC 服务器(Complex Instruction Set Computing)即复杂指令集计算,RISC 服务器(Reduced Instruction Set Computing)即精简指令集计算,EPIC 服务器(Explicitly parallel Instruction Computing)即显式并行指令计算。

1)CISC 服务器

也被称为 X86 服务器,采用 Intel、AMD 或其它兼容 X86 指令集的处理器芯片以及 Windows 操作系统的服务器,是目前主流的服务器架构。

2)RISC 服务器

RISC 服务器基于 RISC 处理器,目前主要包括 IBM 的 Power 和 Power PC 处理器,SUN 和富士通合作研发的 SPARC 处理器,华为基于 ARM 架构级授权研发的鲲鹏 920 处理器。

3)EPIC 服务器

EPIC 服务器基于 EPIC 处理器,目前主要是 Intel 研发的安腾处理器等。

使用 RISC 或 EPIC 架构的服务器又称非 X86 服务器。包括:大型机、小型机和 UNIX 服务器,并且主要采用 UNIX 和其它专用操作系统。

3.3 按处理器数量

按照处理器的数量可将服务器分为:单路服务器、双路服务器、四路服务器、八路服务器等。其中,“路”是指一台服务器内部的 CPU 个数,比如单路服务器内部 CPU 数量为 1 颗,双路服务器为 2 颗,以此类推。目前主流的服务器是双路服务器。

多路服务器用到了对称多处理技术(Symmetrical Multi -Processing,简称 SMP),在一台服务器上,多颗 CPU 共享内存子系统以及总线结构。在服务器运行时,多颗 CPU 同时运行操作系统的单一复本,系统将任务队列对称地分布于每颗 CPU 之上,所有的 CPU 都可以平等地访问内存、I/ O 和外部中断,从而极大地提高了整个系统的数据处理能力。

3.4 按应用类型

在不同的应用场景,对服务器的功能要求会有所侧重,按照其应用类型,可以分为文件服务器、数据库服务器、应用程序服务器。

1)文件服务器

在计算机局域网中,以文件数据共享为目标,将供多台计算机使用的文件存储在一台服务器中,这台主机就被称为文件服务器。文件服务器相当于一个信息系统的大仓库,保证用户和服务器磁盘子系统之间快速数据传递。在该类型服务器的各个子系统中,对系统性能影响大小依次排列为网络系统、磁盘系统、内存容量、处理器性能。

2)数据库服务器

用于频繁的读取和索引数据的服务器,比如企业的财务系统、人事系统及各种管理系统均有类似需求。不同类型的企业对数据库服务器的要求不同,对于较大的企业,会涉及到分布式并发数据查询等问题,这对网络系统以及 I / O 的数据传输能力有比较高的要求;而对于较小的企业,并发用户相对较少,分布式查询需求不高,磁盘系统更为重要。

3)应用程序服务器

类似于文件服务器为很多用户提供文件一样,应用程序服务器让多个用户可以同时使用应用程序。在该类型服务器的各个子系统中,对处理器性能的要求会更高。

四、X86/ARM 之争?

正如前文所述,按照指令集类型,服务器可以分为 CISC 服务器、RISC 服务器、EPIC 服务器。其中 CISC 服务器又被称为 X86 服务器,RISC 和 EPIC 服务器又被统称为非 X86 服务器(也即 Non-X86 服务器)。从服务器的产业趋势来看,目前正形成双强的局面,其中 X86 服务器以 Intel/AMD 处理器为主导,而非 X86 服务器以 ARM 架构处理器为主导。双方各有优劣势,将长期共存。

4.1 X86 服务器:市占率高

X86 服务器是目前市场的主流选择。2009 年以来,X86 服务器逐步成为服务器市场的主流选择,收入方面的优势相较于 Non-X86 服务器不断扩大。根据 Gartner 的数据,2019 年,全球 X86 服务器出货量和厂商销售额分别为 1249.7 万台和 693.6 亿美元,远超 Non-X86 服务器。X86 服务器是云计算基础设施的主要构成元素,随着云计算产业的持续发展,X86 服务器的市场规模有望进一步扩大。

中国 X86 服务器市场需求有望拐点向上。在中国“新基建”政策的推动下,未来 5 年,中国 X86 服务器市场景气度有望提升。根据 IDC 的预测,2020-2024 年,中国 X86 服务器的出货量复合增长率为 9.1%。

英特尔 10nm 新一代芯片即将面世,X86 服务器有望迎来新一轮产品迭代。处理器是服务器的核心,而 X86 服务器芯片的霸主为英特尔,英特尔的产品迭代对 X86 服务器的产业周期有重要影响。早在 1978 年,英特尔即推出第一代 X86 架构处理器—8086,用于 PC。

此后,英特尔进军服务器领域,历经奔腾、至强产品线。根据英特尔公布的路线图,公司将于 2020 年四季度推出 10nm 服务器处理器 Ice Lake-SP 系列,进一步升级微内核,预计最多为 38 核 76 线程,支持 64 条 PCIe 4.0 通道,同时降低功耗。英特尔加快处理器迭代步伐,有望为 X86 服务器的发展带来强力催化剂。

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