服務器概念、組成和架構詳解

目錄

前言：

1、服務器是什麼？

2、服務器的構成？

3、服務器的分類？

4、X86/ARM之争？

一、服務器是什麼？

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 按産品形态

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之争？

4.1 X86服務器：市占率高

4.2 ARM服務器：潛力很大

前言：

服務器是構建雲計算的最核心基礎設備，在“新基建”加快推進、公有雲持續放量的背景下，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、服務器是什麼？

2、服務器的構成？

3、服務器的分類？

4、X86/ARM之争？

一、服務器是什麼？

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。隻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、内存、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别包括：

1）通信方式為一對多：PC、平闆、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，将與其相連的硬盤、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。

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和内存。CPU對數據進行邏輯運算，内存進行數據存儲管理。

2.2 服務器的硬件

服務器硬件主要包括：處理器、内存、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、内存、外部存儲是大頭。以一台普通的服務器生産成本為例，CPU及芯片組大緻占比50% 左右，内存大緻占比 15% 左右，外部存儲大緻占比10%左右，其他硬件占比25%左右。

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，是服務器啟動後最先運行的軟件。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）

即基闆管理控制器，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态下，對機器進行固件升級、查看機器設備等。

3）CMOS

（Complementary metal-oxide-semiconductor）

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

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（随機存取儲存器）處理信息的效率，64位版本比32位的可以處理更多的内存和應用程序。

三、服務器的分類？

服務器的分類标準是多元化的，目前主要可按産品形态、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。

3.1 按産品形态

服務器按産品形态，可以分為：塔式服務器、機架服務器、刀片服務器、機櫃服務器等。

1）塔式服務器（ Tower Server）

既常見的立式和卧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，有較大的内部硬盤、冗餘電源、冗餘風扇的擴容空間，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，非冗餘可靠性較低。主要應用在企業官網、多媒體大流量APP、醫療成像、虛拟桌面基礎架構（VD）等場景。

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标準，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等高度的機架産品出現。機架服務器是一種外觀按照統一标準設計的服務器，配合機櫃使用。可以認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。主要應用在雲計算、軟件定義存儲、超融合架構、CDN緩存、超算中心等場景。

3）刀片式服務器（Blade Server）

通常在一個機箱裡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闆。刀片服務器通常隻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台。一般包括刀片服務器、刀片機框（含背闆）及後插闆三大部分。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的标準機櫃上。主要應用在超算中心、異構計算、雲計算平台、實時業務處理、商業智能分析及數據挖掘等場景。

4）機櫃式服務器（Cabinet Server）

是未來數據中心基礎架構的核心形态和發展趨勢。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。機櫃式服務器一般由一組冗餘電源集中供電，散熱方面由機櫃背部風扇牆集中散熱，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，機櫃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。主要應用在虛拟化、大數據分析、分布式存儲、超算中心等快速一體化部署場景。

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）

即複雜指令集計算

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

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架構級授權研發的鲲鵬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。

3.3 按處理器數量

按照處理器的數量可将服務器分為：單路服務器、雙路服務器、四路服務器、八路服務器等。其中，“路”是指一台服務器内部的CPU個數，比如單路服務器内部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），在一台服務器上，多顆CPU共享内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複本，系統将任務隊列對稱地分布于每顆CPU之上，所有的CPU都可以平等地訪問内存、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。

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标，将供多台計算機使用的文件存儲在一台服務器中，這台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、内存容量、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，比如企業的财務系統、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之争？

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）。從服務器的産業趨勢來看，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，将長期共存。

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别為1249.7萬台和693.6億美元，遠超Non-X86服務器。X86服務器是雲計算基礎設施的主要構成元素，随着雲計算産業的持續發展， X86服務器的市場規模有望進一步擴大。

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服務器的出貨量複合增長率為9.1%。

英特爾10nm新一代芯片即将面世，X86服務器有望迎來新一輪産品叠代。處理器是服務器的核心，而X86服務器芯片的霸主為英特爾，英特爾的産品叠代對X86服務器的産業周期有重要影響。早在1978年，英特爾即推出第一代X86架構處理器—8086，用于PC。此後，英特爾進軍服務器領域，曆經奔騰、至強産品線。根據英特爾公布的路線圖，公司将于2020年四季度推出10nm服務器處理器Ice Lake-SP系列，進一步升級微内核，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。英特爾加快處理器叠代步伐，有望為X86服務器的發展帶來強力催化。

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，非常适用于具有多重業務負載的複雜基礎設施環境，包括企業級部署、雲環境部署、大數據應用環境等。

2）生态完善。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生态圈，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。疊加其适配500萬ARM原生應用，未來，ARM架構與X86架構的競争值得關注。

5G和物聯網推動邊緣計算、端側AI發展，能效、靈活性将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。

• 單位面積内核數更多、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的衆核橫向擴展更符合分布式業務需求。

以鲲鵬920為例，其采用7nm工藝，可以支持32/48/64内核。此外，Ampere發布的Altra芯片具有80個内核，Marvell将推出的Thunder X3具有96個内核，相較于Intel至強白金系列的24-56個内核，具有單位面積内更強性能的優勢。

未來，随着數據中心軟件生态逐步支持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，将可為用戶提供更低成本的雲計算服務，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）