【知識分享】 伺服器的架構

伺服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、應用型別等對市場上的伺服器進行分類。

3.1 按產品形態

伺服器按產品形態，可以分為：塔式伺服器、機架伺服器、刀鋒伺服器、機櫃伺服器等。

1）塔式伺服器（ Tower Server）

既常見的立式和臥式機箱結構的伺服器，可放置在普通的辦公環境，機箱結構較大，有較大的內部硬碟、冗餘電源、冗餘風扇的擴容空間，並具備較好的散熱功能。塔式伺服器密度低，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、虛擬桌面基礎架構（VD）等場景。

2）機架式伺服器（Rack Server）

機架結構是傳統電信機房的裝置結構標準，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。機架伺服器是一種外觀按照統一標準設計的伺服器，配合機櫃使用。可以認為機架式是一種最佳化結構的塔式伺服器，它的設計宗旨主要是為了儘可能減少伺服器空間的佔用，而減少空間的直接好處就是在機房託管的時候價格會便宜很多。主要應用在雲端計算、軟體定義儲存、超融合架構、CDN快取、超算中心等場景。

3）刀片式伺服器（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”實際上就是一塊伺服器主機板。刀鋒伺服器通常只需要比機架伺服器更少的機架空間，透過最佳化空間來提供更強的計算能力，是一種更高密度的伺服器平臺。一般包括刀鋒伺服器、刀片機框（含背板）及後插板三大部分。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的標準機櫃上。主要應用在超算中心、異構計算、雲端計算平臺、實時業務處理、商業智慧分析及資料探勘等場景。

4）機櫃式伺服器（Cabinet Server）

是未來資料中心基礎架構的核心形態和發展趨勢。它整合計算、網路、儲存於一體，以及面向不同應用時，可以部署不同的軟體，提供一個整體的解決方案。機櫃式伺服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，功能模組和支撐模組相分離，透過供電、散熱的整合，相比普通機架式伺服器，執行功耗低、且可靠高效。此外，機櫃式伺服器無需繁瑣拆裝，維護便捷，能夠輕鬆實現統一集中管理和業務的自動部署。主要應用在虛擬化、大資料分析、分散式儲存、超算中心等快速一體化部署場景。

3.2 按指令集架構

伺服器按照指令集架構分類，主要分為如下：

CISC伺服器：

（Complexinstruction Set Computing）

即複雜指令集計算

RISC伺服器：

（ReducedInstruction Set Computing）

即精簡指令集計算

EPIC伺服器：

（Explicitlyparallel Instruction Computing）

即顯式並行指令計算

 

1）CISC伺服器

也被稱為X86伺服器，採用Intel、AMD或其它相容X86指令集的處理器晶片以及Windows作業系統的伺服器，是目前主流的伺服器架構。

2）RISC伺服器

RISC伺服器基於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，華為基於ARM架構級授權研發的鯤鵬920處理器。

3）EPIC伺服器

EPIC伺服器基於EPIC處理器，目前主要是Intel研發的安騰處理器等。

使用RISC或EPIC架構的伺服器又稱非X86伺服器。包括：大型機、小型機和UNIX伺服器，並且主要採用UNIX和其它專用作業系統。

3.3 按處理器數量

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

多路伺服器用到了對稱多處理技術（SymmetricalMulti-Processing，簡稱SMP），在一臺伺服器上，多顆CPU共享記憶體子系統以及匯流排結構。在伺服器執行時，多顆CPU同時執行作業系統的單一複本，系統將任務佇列對稱地分佈於每顆CPU之上，所有的CPU都可以平等地訪問記憶體、I/O和外部中斷，從而極大地提高了整個系統的資料處理能力。

3.4 按應用型別

在不同的應用場景，對伺服器的功能要求會有所側重，按照其應用型別，可以分為檔案伺服器、資料庫伺服器、應用程式伺服器。

1）檔案伺服器

在計算機區域網中，以檔案資料共享為目標，將供多臺計算機使用的檔案儲存在一臺伺服器中，這臺主機就被稱為檔案伺服器。檔案伺服器相當於一個資訊系統的大倉庫，保證使用者和伺服器磁碟子系統之間快速資料傳遞。在該型別伺服器的各個子系統中，對系統效能影響大小依次排列為網路系統、磁碟系統、記憶體容量、處理器效能。

2）資料庫伺服器

用於頻繁的讀取和索引資料的伺服器，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。不同型別的企業對資料庫伺服器的要求不同，對於較大的企業，會涉及到分散式併發資料查詢等問題，這對網路系統以及I/O的資料傳輸能力有比較高的要求；而對於較小的企業，併發使用者相對較少，分散式查詢需求不高，磁碟系統更為重要。

3）應用程式伺服器

類似於檔案伺服器為很多使用者提供檔案一樣，應用程式伺服器讓多個使用者可以同時使用應用程式。在該型別伺服器的各個子系統中，對處理器效能的要求會更高。

四、 X86/ARM之爭？

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

 

4.1 X86伺服器：市佔率高

X86伺服器是目前市場的主流選擇。2009年以來，X86伺服器逐步成為伺服器市場的主流選擇，收入方面的優勢相較於Non-X86伺服器不斷擴大。根據Gartner的資料，2019年，全球X86伺服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伺服器。X86伺服器是雲端計算基礎設施的主要構成元素，隨著雲端計算產業的持續發展， X86伺服器的市場規模有望進一步擴大。

中國x86伺服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伺服器市場景氣度有望提升。根據IDC的預測，2020-2024年，中國X86伺服器的出貨量複合增長率為9.1%。

英特爾10nm新一代晶片即將面世，X86伺服器有望迎來新一輪產品迭代。處理器是伺服器的核心，而X86伺服器晶片的霸主為英特爾，英特爾的產品迭代對X86伺服器的產業週期有重要影響。早在1978年，英特爾即推出第一代X86架構處理器—8086，用於PC。此後，英特爾進軍伺服器領域，歷經奔騰、至強產品線。根據英特爾公佈的路線圖，公司將於2020年四季度推出10nm伺服器處理器Ice Lake-SP系列，進一步升級微核心，預計最多為38核76執行緒，支援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伺服器的發展帶來強力催化。

目前，作為市場份額最高的伺服器架構，X86伺服器的核心優勢在於：

1）效能領先。X86架構處理器設計的初衷在於效能，以2U伺服器系統為例，可提供多達48 核的超強計算效能，靈活的儲存擴充套件以及高速網路接入能力，非常適用於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、大資料應用環境等。

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體開發商即進行指令集開放，對桌面軟體相容，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伺服器：潛力很大

ARM伺服器迎來萬物互聯發展良機。ARM處理器的應用始於低功耗、計算量小的移動場景，並專注於嵌入式電子、消費電子、汽車電子等領域發展。因此，ARM在移動端、IOT側佔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、靈活性將成為使用者重點考量因素。ARM伺服器的優點包括：

ARM伺服器的能耗低。X86架構採用效率相對較低的體系架構，功耗較高，而ARM採用精簡指令集的設計理念，具有天生的計算高效能優勢。

單位面積核心數更多、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。由於晶片尺寸限制，ARM的眾核橫向擴充套件更符合分散式業務需求。

以鯤鵬920為例，其採用7nm工藝，可以支援32/48/64核心。此外，Ampere釋出的Altra晶片具有80個核心，Marvell將推出的Thunder X3具有96個核心，相較於Intel至強白金系列的24-56個核心，具有單位面積內更強效能的優勢。

未來，隨著資料中心軟體生態逐步支援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的價格和效能有望改善，將可為使用者提供更低成本的雲端計算服務，實現出貨量的進一步成長。

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