服務(wù)器：概念、組成、分類和架構(gòu)之爭
前言：服務(wù)器是一種為客戶機(jī)提供服務(wù)的高性能計算機(jī)
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服務(wù)器是構(gòu)建云計算的最核心基礎(chǔ)設(shè)備，在“新基建”加快推進(jìn)、公有云持續(xù)放量的背景下，服務(wù)器行業(yè)正迎來景氣拐點。
本文圍繞4個核心問題，由淺入深對服務(wù)器進(jìn)行深入剖析：
1、服務(wù)器是什么？
2、服務(wù)器的構(gòu)成？
3、服務(wù)器的分類？
4、X86/ARM之爭？
一、服務(wù)器是什么？
服務(wù)器的英文名稱為“ Server”，是指在網(wǎng)絡(luò)上提供各種服務(wù)的高性能計算機(jī)。作為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，存儲、處理網(wǎng)絡(luò)上80％的數(shù)據(jù)、信息，因此也被稱為網(wǎng)絡(luò)的靈魂。
服務(wù)器和普通計算機(jī)的功能是類似的。只是相對于普通計算機(jī)，服務(wù)器在穩(wěn)定性、安全性、性能等方面都要求更高，因此CPU、芯片組、內(nèi)存、磁盤系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等硬件和普通計算機(jī)有所不同。
具體來說，服務(wù)器與普通計算機(jī)的主要區(qū)別包括：
1）通信方式為一對多：PC、平板、手機(jī)等固定或移動的網(wǎng)絡(luò)終端，上網(wǎng)、獲取資訊、與外界溝通、娛樂等，必然要經(jīng)過服務(wù)器，服務(wù)器通過“一對多”來組織和領(lǐng)導(dǎo)這些設(shè)備。
2）資源通過網(wǎng)絡(luò)共享：服務(wù)器通過偵聽網(wǎng)絡(luò)上其它終端（Client）提交的服務(wù)請求，在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的控制下，將與其相連的硬盤、打印機(jī)、Modem及各種專用通訊設(shè)備提供給網(wǎng)絡(luò)上的客戶站點共享，也能為網(wǎng)絡(luò)用戶提供集中計算、信息發(fā)表及數(shù)據(jù)管理等服務(wù)。
3）硬件性能更加強(qiáng)大：服務(wù)器的高性能主要體現(xiàn)在高速度的運算能力、長時間的可靠運行、強(qiáng)大的外部數(shù)據(jù)吞吐能力等方面。
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服務(wù)器廠商會根據(jù)不同的應(yīng)用場景，對服務(wù)器進(jìn)行差異化設(shè)計，目前主要的應(yīng)用場景包括文件交互、數(shù)據(jù)存儲和查詢、應(yīng)用程序應(yīng)答與運行等。
二、 服務(wù)器的構(gòu)成？
2.1 服務(wù)器的邏輯架構(gòu)
服務(wù)器的邏輯架構(gòu)和普通計算機(jī)類似。但是由于需要提供高性能計算，因此在處理能力、穩(wěn)定性、可靠性、安全性、可擴(kuò)展性、可管理性等方面要求較高。服務(wù)器的邏輯架構(gòu)中，最重要的部分是CPU和內(nèi)存。CPU對數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運算，內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲管理。
2.2 服務(wù)器的硬件
服務(wù)器硬件主要包括：處理器、內(nèi)存、芯片組、I/O（RAID卡、網(wǎng)卡、HBA卡）、硬盤、機(jī)箱（電源、風(fēng)扇）。
在硬件的成本構(gòu)成上，CPU及芯片組、內(nèi)存、外部存儲是大頭。以一臺普通的服務(wù)器生產(chǎn)成本為例，CPU及芯片組大致占比50% 左右，內(nèi)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。
2.3 服務(wù)器的固件和OS
服務(wù)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(tǒng)，是服務(wù)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(tǒng)啟動自舉程序、系統(tǒng)設(shè)置信息。BIOS是服務(wù)器硬件和OS之間的抽象層，用來設(shè)置硬件，為OS運行做準(zhǔn)備。BIOS設(shè)置程序是儲存在BIOS芯片中的。BIOS的進(jìn)化版本是UEFI（Unified Extensible FirmwareInterface），即統(tǒng)一的可擴(kuò)展固定接口。這種接口用于操作系統(tǒng)自動從預(yù)啟動的操作環(huán)境，加載到一種操作系統(tǒng)上，從而使開機(jī)程序化繁為簡，節(jié)省時間。
2）BMC
（Baseboard Management Montroller）
即基板管理控制器，主要是對服務(wù)器進(jìn)行監(jiān)控和管理。BMC可以在服務(wù)器未開機(jī)的狀態(tài)下，對機(jī)器進(jìn)行固件升級、查看機(jī)器設(shè)備等。
3）CMOS
（Complementary metal-oxide-semiconductor）
是電腦主機(jī)板上一塊特殊的RAM芯片，是系統(tǒng)參數(shù)存放的地方。CMOS存儲器用來存儲BIOS設(shè)定后的相關(guān)參數(shù)。
4）OS
（Operating system）
即操作系統(tǒng)，對服務(wù)器軟硬件及數(shù)據(jù)資源進(jìn)行管理調(diào)度。OS主要分為32位和64位，OS的位數(shù)版本決定了計算機(jī)處理器在RAM（隨機(jī)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(nèi)存和應(yīng)用程序。
三、服務(wù)器的分類？
服務(wù)器的分類標(biāo)準(zhǔn)是多元化的，目前主要可按產(chǎn)品形態(tài)、指令集架構(gòu)、處理器數(shù)量、應(yīng)用類型等對市場上的服務(wù)器進(jìn)行分類。
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3.1 按產(chǎn)品形態(tài)
服務(wù)器按產(chǎn)品形態(tài)，可以分為：塔式服務(wù)器、機(jī)架服務(wù)器、刀片服務(wù)器、機(jī)柜服務(wù)器等。
1）塔式服務(wù)器（ Tower Server）
既常見的立式和臥式機(jī)箱結(jié)構(gòu)的服務(wù)器，可放置在普通的辦公環(huán)境，機(jī)箱結(jié)構(gòu)較大，有較大的內(nèi)部硬盤、冗余電源、冗余風(fēng)扇的擴(kuò)容空間，并具備較好的散熱功能。塔式服務(wù)器密度低，多為單處理器系統(tǒng)（有少部分為雙處理器系統(tǒng)）。系統(tǒng)電源和風(fēng)扇一般是單配，非冗余可靠性較低。主要應(yīng)用在企業(yè)官網(wǎng)、多媒體大流量APP、醫(yī)療成像、虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)（VD）等場景。
2）機(jī)架式服務(wù)器（Rack Server）
機(jī)架結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)電信機(jī)房的設(shè)備結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)架產(chǎn)品出現(xiàn)。機(jī)架服務(wù)器是一種外觀按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的服務(wù)器，配合機(jī)柜使用?？梢哉J(rèn)為機(jī)架式是一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)的塔式服務(wù)器，它的設(shè)計宗旨主要是為了盡可能減少服務(wù)器空間的占用，而減少空間的直接好處就是在機(jī)房托管的時候價格會便宜很多。主要應(yīng)用在云計算、軟件定義存儲、超融合架構(gòu)、CDN緩存、超算中心等場景。
3）刀片式服務(wù)器（Blade Server）
通常在一個機(jī)箱里可以插入數(shù)量不等的“刀片”，其中每一塊“刀片”實際上就是一塊服務(wù)器主板。刀片服務(wù)器通常只需要比機(jī)架服務(wù)器更少的機(jī)架空間，通過優(yōu)化空間來提供更強(qiáng)的計算能力，是一種更高密度的服務(wù)器平臺。一般包括刀片服務(wù)器、刀片機(jī)框（含背板）及后插板三大部分。不同廠商有不同高度的機(jī)框。各廠商機(jī)框皆為19英寸寬，可安裝在42U的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜上。主要應(yīng)用在超算中心、異構(gòu)計算、云計算平臺、實時業(yè)務(wù)處理、商業(yè)智能分析及數(shù)據(jù)挖掘等場景。
4）機(jī)柜式服務(wù)器（Cabinet Server）
是未來數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)的核心形態(tài)和發(fā)展趨勢。它集成計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲于一體，以及面向不同應(yīng)用時，可以部署不同的軟件，提供一個整體的解決方案。機(jī)柜式服務(wù)器一般由一組冗余電源集中供電，散熱方面由機(jī)柜背部風(fēng)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(jī)架式服務(wù)器，運行功耗低、且可靠高效。此外，機(jī)柜式服務(wù)器無需繁瑣拆裝，維護(hù)便捷，能夠輕松實現(xiàn)統(tǒng)一集中管理和業(yè)務(wù)的自動部署。主要應(yīng)用在虛擬化、大數(shù)據(jù)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(gòu)
服務(wù)器按照指令集架構(gòu)分類，主要分為如下：
CISC服務(wù)器：
（Complexinstruction Set Computing）
即復(fù)雜指令集計算
RISC服務(wù)器：
（ReducedInstruction Set Computing）
即精簡指令集計算
EPIC服務(wù)器：
（Explicitlyparallel Instruction Computing）
即顯式并行指令計算
1）CISC服務(wù)器
也被稱為X86服務(wù)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(tǒng)的服務(wù)器，是目前主流的服務(wù)器架構(gòu)。
2）RISC服務(wù)器
RISC服務(wù)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(fā)的SPARC處理器，華為基于ARM架構(gòu)級授權(quán)研發(fā)的鯤鵬920處理器。
3）EPIC服務(wù)器
EPIC服務(wù)器基于EPIC處理器，目前主要是Intel研發(fā)的安騰處理器等。
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使用RISC或EPIC架構(gòu)的服務(wù)器又稱非X86服務(wù)器。包括：大型機(jī)、小型機(jī)和UNIX服務(wù)器，并且主要采用UNIX和其它專用操作系統(tǒng)。
3.3 按處理器數(shù)量
按照處理器的數(shù)量可將服務(wù)器分為：單路服務(wù)器、雙路服務(wù)器、四路服務(wù)器、八路服務(wù)器等。其中，“路”是指一臺服務(wù)器內(nèi)部的CPU個數(shù)，比如單路服務(wù)器內(nèi)部CPU數(shù)量為1顆，雙路服務(wù)器為2顆，以此類推。目前主流的服務(wù)器是雙路服務(wù)器。
多路服務(wù)器用到了對稱多處理技術(shù)（SymmetricalMulti-Processing，簡稱SMP），在一臺服務(wù)器上，多顆CPU共享內(nèi)存子系統(tǒng)以及總線結(jié)構(gòu)。在服務(wù)器運行時，多顆CPU同時運行操作系統(tǒng)的單一復(fù)本，系統(tǒng)將任務(wù)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(nèi)存、I/O和外部中斷，從而極大地提高了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。
3.4 按應(yīng)用類型
在不同的應(yīng)用場景，對服務(wù)器的功能要求會有所側(cè)重，按照其應(yīng)用類型，可以分為文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器。
1）文件服務(wù)器
在計算機(jī)局域網(wǎng)中，以文件數(shù)據(jù)共享為目標(biāo)，將供多臺計算機(jī)使用的文件存儲在一臺服務(wù)器中，這臺主機(jī)就被稱為文件服務(wù)器。文件服務(wù)器相當(dāng)于一個信息系統(tǒng)的大倉庫，保證用戶和服務(wù)器磁盤子系統(tǒng)之間快速數(shù)據(jù)傳遞。在該類型服務(wù)器的各個子系統(tǒng)中，對系統(tǒng)性能影響大小依次排列為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、磁盤系統(tǒng)、內(nèi)存容量、處理器性能。
2）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器
用于頻繁的讀取和索引數(shù)據(jù)的服務(wù)器，比如企業(yè)的財務(wù)系統(tǒng)、人事系統(tǒng)及各種管理系統(tǒng)均有類似需求。不同類型的企業(yè)對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的要求不同，對于較大的企業(yè)，會涉及到分布式并發(fā)數(shù)據(jù)查詢等問題，這對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及I/O的數(shù)據(jù)傳輸能力有比較高的要求；而對于較小的企業(yè)，并發(fā)用戶相對較少，分布式查詢需求不高，磁盤系統(tǒng)更為重要。
3）應(yīng)用程序服務(wù)器
類似于文件服務(wù)器為很多用戶提供文件一樣，應(yīng)用程序服務(wù)器讓多個用戶可以同時使用應(yīng)用程序。在該類型服務(wù)器的各個子系統(tǒng)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(wù)器可以分為CISC服務(wù)器、RISC服務(wù)器、EPIC服務(wù)器。其中CISC服務(wù)器又被稱為X86服務(wù)器，RISC和EPIC服務(wù)器又被統(tǒng)稱為非X86服務(wù)器（也即Non-X86服務(wù)器）。從服務(wù)器的產(chǎn)業(yè)趨勢來看，目前正形成雙強(qiáng)的局面，其中X86服務(wù)器以Intel/AMD處理器為主導(dǎo)，而非X86服務(wù)器以ARM架構(gòu)處理器為主導(dǎo)。雙方各有優(yōu)劣勢，將長期共存。
4.1 X86服務(wù)器：市占率高
X86服務(wù)器是目前市場的主流選擇。2009年以來，X86服務(wù)器逐步成為服務(wù)器市場的主流選擇，收入方面的優(yōu)勢相較于Non-X86服務(wù)器不斷擴(kuò)大。根據(jù)Gartner的數(shù)據(jù)，2019年，全球X86服務(wù)器出貨量和廠商銷售額分別為1249.7萬臺和693.6億美元，遠(yuǎn)超Non-X86服務(wù)器。X86服務(wù)器是云計算基礎(chǔ)設(shè)施的主要構(gòu)成元素，隨著云計算產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展， X86服務(wù)器的市場規(guī)模有望進(jìn)一步擴(kuò)大。
中國X86服務(wù)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(wù)器市場景氣度有望提升。根據(jù)IDC的預(yù)測，2020-2024年，中國X86服務(wù)器的出貨量復(fù)合增長率為9.1%。
英特爾10nm新一代芯片即將面世，X86服務(wù)器有望迎來新一輪產(chǎn)品迭代。處理器是服務(wù)器的核心，而X86服務(wù)器芯片的霸主為英特爾，英特爾的產(chǎn)品迭代對X86服務(wù)器的產(chǎn)業(yè)周期有重要影響。早在1978年，英特爾即推出第一代X86架構(gòu)處理器—8086，用于PC。此后，英特爾進(jìn)軍服務(wù)器領(lǐng)域，歷經(jīng)奔騰、至強(qiáng)產(chǎn)品線。根據(jù)英特爾公布的路線圖，公司將于2020年四季度推出10nm服務(wù)器處理器Ice Lake-SP系列，進(jìn)一步升級微內(nèi)核，預(yù)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(wù)器的發(fā)展帶來強(qiáng)力催化。
目前，作為市場份額最高的服務(wù)器架構(gòu)，X86服務(wù)器的核心優(yōu)勢在于：
1）性能領(lǐng)先。X86架構(gòu)處理器設(shè)計的初衷在于性能，以2U服務(wù)器系統(tǒng)為例，可提供多達(dá)48 核的超強(qiáng)計算性能，靈活的存儲擴(kuò)展以及高速網(wǎng)絡(luò)接入能力，非常適用于具有多重業(yè)務(wù)負(fù)載的復(fù)雜基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境，包括企業(yè)級部署、云環(huán)境部署、大數(shù)據(jù)應(yīng)用環(huán)境等。
2）生態(tài)完善。X86指令集是一個相對開放的指令集，在發(fā)展之初英特爾等供應(yīng)商對獨立軟件開發(fā)商即進(jìn)行指令集開放，對桌面軟件兼容，發(fā)展至今，越來越多的玩家進(jìn)入X86生態(tài)圈，形成了廣闊、完善的護(hù)城河。
4.2 ARM服務(wù)器：潛力很大
ARM服務(wù)器迎來萬物互聯(lián)發(fā)展良機(jī)。ARM處理器的應(yīng)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(lǐng)域發(fā)展。因此，ARM在移動端、IOT側(cè)占據(jù)壓倒性的市場及技術(shù)優(yōu)勢。疊加其適配500萬ARM原生應(yīng)用，未來，ARM架構(gòu)與X86架構(gòu)的競爭值得關(guān)注。
5G和物聯(lián)網(wǎng)推動邊緣計算、端側(cè)AI發(fā)展，能效、靈活性將成為用戶重點考量因素。ARM服務(wù)器的有點包括：
ARM服務(wù)器的能耗低。X86架構(gòu)采用效率相對較低的體系架構(gòu)，功耗較高，而ARM采用精簡指令集的設(shè)計理念，具有天生的計算高效能優(yōu)勢。
單位面積內(nèi)核數(shù)更多、算力更強(qiáng)。一個ARM核的面積僅為X86核的七分之一，同樣尺寸下，ARM 核數(shù)是X86的4倍以上。由于芯片尺寸限制，ARM的眾核橫向擴(kuò)展更符合分布式業(yè)務(wù)需求。
以鯤鵬920為例，其采用7nm工藝，可以支持32/48/64內(nèi)核。此外，Ampere發(fā)布的Altra芯片具有80個內(nèi)核，Marvell將推出的Thunder X3具有96個內(nèi)核，相較于Intel至強(qiáng)白金系列的24-56個內(nèi)核，具有單位面積內(nèi)更強(qiáng)性能的優(yōu)勢。
未來，隨著數(shù)據(jù)中心軟件生態(tài)逐步支持ARM架構(gòu)，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(lǐng)下，ARM架構(gòu)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(wù)，實現(xiàn)出貨量的進(jìn)一步成長。
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