丘文博

摘 要：服務器是數(shù)據(jù)中心的主要功能部件和主要能耗部分。該文介紹了服務器的工作原理、內(nèi)部組成和能耗特點，為數(shù)據(jù)中心的節(jié)能設計提供參考。

關鍵詞：服務器 組件 功耗 散熱

中圖分類號：TP319.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（c）-0048-01

現(xiàn)代信息社會，互聯(lián)網(wǎng)的高效運作得益于其樞紐機構—數(shù)據(jù)中心的存在，而數(shù)據(jù)中心的心臟即為服務器。本文介紹服務器的基本工作原理、內(nèi)部組成等信息，同時介紹了服務器的能耗組成，以期為數(shù)據(jù)中心的設計優(yōu)化提供參考。

1 服務器基本工作原理

服務器是計算機的一種，遵循“馮·諾依曼體系體系結構”：由運算器、控制器、存儲器和輸入輸出設備組成，其基本特征是：指令和數(shù)據(jù)無差別地以二進制代碼的形式存放于存儲器中、以運算器和控制器作為計算機結構的中心、順序執(zhí)行存儲器內(nèi)指令、所有的指令都是由操作碼和地址碼組成等。

按照馮·諾依曼體系的闡述，當前的電子計算機均是以CPU為核心，一切外圍主板架構設計均圍繞CPU進行，乃至計算機行業(yè)時代里程碑都是以CPU性能的重大突破作為標志。例如業(yè)內(nèi)稱呼某某系列服務器為“X86服務器”，正是因為其中CPU指令系統(tǒng)是8086 CPU指令體系；而稱呼某某系列服務器為“ARM服務器”，也正是因為其中CPU指令系統(tǒng)為精簡指令架構（RISC）的ARM CPU指令系統(tǒng)。

2 服務器硬件組成

2.1 CPU

CPU（Central Processing Unit，中央處理器）是一臺計算機的運算核心和控制核心，其功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數(shù)據(jù)。CPU從內(nèi)存或高速緩沖存儲器（Cache）中取出指令，放入指令寄存器，并對指令譯碼，并執(zhí)行指令，周而復始地循環(huán)運作直至斷電或休眠。

2.2 總線

總線（Bus）是服務器內(nèi)部各組件之間的數(shù)據(jù)交互的橋梁，由總線芯片和連接導線組成，其可以使得CPU按地址來讀寫數(shù)據(jù)。所謂“總線”意指“統(tǒng)一匯總處理的數(shù)據(jù)線”：如果沒有總線，那么CPU與其他任意組件之間都需要建立專屬的物理導線連接才能進行數(shù)據(jù)交互，主板電路拓撲將異常復雜。

2.3 芯片組

芯片組（Chipset）是“南橋”和“北橋”的統(tǒng)稱，把以前復雜的電路和元件最大限度地集成在幾顆芯片內(nèi)，承載核心器件之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋Ｒ欢ㄒ饬x上講，它決定了主板的級別和檔次。

2.4 內(nèi)存

由內(nèi)存芯片、電路板、金手指等組成，用于暫時存放CPU中的運算數(shù)據(jù)，以及與硬盤等外部存儲器交換的數(shù)據(jù)（操作系統(tǒng)也是從硬盤拷貝到內(nèi)存之后才能運行）。只要計算機在運行中，CPU就會把需要運算的數(shù)據(jù)調(diào)到內(nèi)存中進行運算，當運算完成后CPU再將結果傳送出來。

2.5 GPU

GPU（Graphic Processing Unit，圖形處理單元），是顯卡的核心部分，用來處理計算機的圖像輸出信息。服務器的GPU一般是集成在主板上，不過服務器的顯示功能并不重要（僅維護時需要）。

2.6 硬盤

硬盤也稱外存儲器，是容納大數(shù)據(jù)的器件（相對內(nèi)存而言），其通過接口總線、南橋芯片與CPU連接。當前服務器上所用的硬盤一般由SCSI接口與主板互連，其具有速度高（可達320 MB/s）、可靠性高（可承受300～1000 G的沖擊力）、可熱拔插。

2.7 網(wǎng)卡

網(wǎng)卡又稱網(wǎng)絡適配器（Network Interface Card），用于服務器與交換機等以太網(wǎng)網(wǎng)絡設備之間的連接。網(wǎng)卡一般通過PCI/PCI-E總線（插槽）接入服務器主板系統(tǒng)。

2.8 電源

服務器電源（一般是300～400 W）就是指使用在服務器上的電源（POWER），它和PC（個人電腦）電源一樣，都是一種開關電源，是服務器內(nèi)部影響能量利用率最大的要素。開關電源的工作原理為：輸入220 V交流市電（工頻），經(jīng)EMI隔離、全波整流和簡單濾波變成300 V直流，經(jīng)過耐壓三極管開關“斬波”后變成一定寬度的高壓單極性脈沖陣列（高頻），經(jīng)過變壓器（高頻）隔離、全波整流后濾波輸出（輸出脈沖陣列的直流分量）。在以上環(huán)節(jié)中，輸出的電壓被反饋回PWM控制器進行誤差比較以決定三極管開關的工作脈寬（高頻）。

2.9 主板上的電源體系

在服務器主板上，除了總輸入的12 V電源外，還有5 V、3.3 V、1.3 V等電壓的需求，故而主板上的電源是一個體系，其各級電壓轉(zhuǎn)換是通過樹狀的開關電源芯片拓撲來完成的。

3 服務器的功耗與散熱

在服務器內(nèi)部，CPU功耗占了60%以上的比例，這些功耗最終都會轉(zhuǎn)化為熱量，故而可說CPU是服務器上發(fā)熱最集中的部件。為此，業(yè)內(nèi)在不斷地研制低功耗的CPU，除了“采用ARM架構”這種方法外，還有降低CPU核心電壓、采用更高工藝等。

電源模塊的能量損耗比例僅次CPU。在一般的雙電源、負荷分擔配置的服務器中，AC/DC電源模塊的能量損失率達到了25%（主要損失在高頻開關三極管處），這部分損耗不僅不產(chǎn)=生價值，反而還要消耗額外的制冷能耗。故而電源模塊和CPU是服務器內(nèi)部兩個需要配置獨立風扇的組件。

除此之外，計算型服務器的內(nèi)存能耗也較為可觀。以一塊內(nèi)存條8 W的功耗計算，10根內(nèi)存條的功耗即可達到80 W，可達400 W服務器功耗的20%。

另外，在實際測試中發(fā)現(xiàn)，北橋芯片的能耗/發(fā)熱量也較為突出，這是因為北橋芯片是CPU對外的數(shù)據(jù)出口，承擔了繁重的數(shù)據(jù)傳輸任務，故而一般進行服務器設計時在北橋芯片上敷上散熱片。

另外，需介紹TDP這個概念。TDP的英文全稱是“Thermal Design Power”（散熱設計功耗），一個系列的CPU公用一個TDP值，主要是提供給計算機系統(tǒng)廠商，散熱片/風扇廠商，以及機箱廠商等等進行系統(tǒng)設計時使用的。一般TDP主要應用于CPU，CPU TDP值對應系列CPU的最終版本在滿負荷（CPU利用率為100%的理論上）可能會達到的最高散熱熱量，散熱器必須保證在處理器TDP最大的時候，處理器的溫度仍然在設計范圍之內(nèi)。需要注意的是，TDP并非CPU的實際功耗值，而僅僅是可能的最大發(fā)熱量。

參考文獻

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