服务器：概念、组成、分类和架构之争
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2022-04-12 03:01
前言：服务器是一种为客户机提供服务的高性能计算机
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服务器是构建云计算的最核心基础设备，在“新基建”加快推进、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
（Baseboard Management Montroller）
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，主要分为如下：
CISC服务器：
（Complexinstruction Set Computing）
即复杂指令集计算
RISC服务器：
（ReducedInstruction Set Computing）
即精简指令集计算
EPIC服务器：
（Explicitlyparallel 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（SymmetricalMulti-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。
目前，作为市场份额最高的服务器架构，X86服务器的核心优势在于：
1）性能领先。X86架构处理器设计的初衷在于性能，以2U服务器系统为例，可提供多达48 核的超强计算性能，灵活的存储扩展以及高速网络接入能力，非常适用于具有多重业务负载的复杂基础设施环境，包括企业级部署、云环境部署、大数据应用环境等。
2）生态完善。X86指令集是一个相对开放的指令集，在发展之初英特尔等供应商对独立软件开发商即进行指令集开放，对桌面软件兼容，发展至今，越来越多的玩家进入X86生态圈，形成了广阔、完善的护城河。
4.2 ARM服务器：潜力很大
ARM服务器迎来万物互联发展良机。ARM处理器的应用始于低功耗、计算量小的移动场景，并专注于嵌入式电子、消费电子、汽车电子等领域发展。因此，ARM在移动端、IOT侧占据压倒性的市场及技术优势。叠加其适配500万ARM原生应用，未来，ARM架构与X86架构的竞争值得关注。
5G和物联网推动边缘计算、端侧AI发展，能效、灵活性将成为用户重点考量因素。ARM服务器的有点包括：
ARM服务器的能耗低。X86架构采用效率相对较低的体系架构，功耗较高，而ARM采用精简指令集的设计理念，具有天生的计算高效能优势。
单位面积内核数更多、算力更强。一个ARM核的面积仅为X86核的七分之一，同样尺寸下，ARM 核数是X86的4倍以上。由于芯片尺寸限制，ARM的众核横向扩展更符合分布式业务需求。
以鲲鹏920为例，其采用7nm工艺，可以支持32/48/64内核。此外，Ampere发布的Altra芯片具有80个内核，Marvell将推出的Thunder X3具有96个内核，相较于Intel至强白金系列的24-56个内核，具有单位面积内更强性能的优势。
未来，随着数据中心软件生态逐步支持ARM架构，以及其天生的低成本和低功耗特性，在华为、AWS等ICT巨头的带领下，ARM架构CPU的价格和性能有望改善，将可为用户提供更低成本的云计算服务，实现出货量的进一步成长。
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