電子行業(yè)一直以來都孕育了虛擬世界的周期變化。在1980年代，更大容量的磁盤驅(qū)動(dòng)器面世，諸如微軟這樣的軟件公司便得以開發(fā)出更強(qiáng)大的應(yīng)用程序，而這些應(yīng)用程序又進(jìn)一步需要更多存儲(chǔ)空間。進(jìn)一步擴(kuò)大的存儲(chǔ)空間又使更強(qiáng)大的應(yīng)用程序成為可能，這些應(yīng)用程序又對(duì)存儲(chǔ)空間提出了更高的要求。隨著像英特爾?這樣的制造商將越來越強(qiáng)大的處理能力裝入其微處理器，圖形和視頻等計(jì)算密集型應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生，最終還是會(huì)讓處理器不夠用。當(dāng)然，我們不能忘了互聯(lián)網(wǎng)，它所起的推動(dòng)作用讓原先各種周期變化都相形見絀。

數(shù)據(jù)中心以及最近興起的云計(jì)算不僅從數(shù)據(jù)中心內(nèi)各個(gè)層面的硬件技術(shù)中獲利，更推動(dòng)了硬件技術(shù)的創(chuàng)新，這一點(diǎn)并不令人驚訝。云計(jì)算的到來使得更快的處理和數(shù)據(jù)檢索速度、更大的存儲(chǔ)容量和更快的機(jī)器對(duì)機(jī)器通信速度比以往任何時(shí)候都更加重要。

“云計(jì)算”這個(gè)術(shù)語指的是教科書和白板上所述的無形的“云”，正是它構(gòu)成了互聯(lián)網(wǎng)背后復(fù)雜的計(jì)算和通信架構(gòu)。云計(jì)算在1990年代開局并不順利，當(dāng)時(shí)一些供應(yīng)商大肆吹捧“瘦客戶機(jī)”的概念，也就是依賴遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的簡(jiǎn)化式個(gè)人電腦。然而，當(dāng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施速度很慢，無法勝任這樣的任務(wù)。不過，這種方案現(xiàn)如今已經(jīng)廣為接受，這正是拜更快的網(wǎng)絡(luò)通信和處理速度所賜。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心通常將服務(wù)器、計(jì)算資源、應(yīng)用程序和存儲(chǔ)保持在差不多相同的物理位置，而云計(jì)算則引入了在虛擬機(jī)上進(jìn)行計(jì)算的新模式，并行化和冗余性在這種模式中至關(guān)重要。一個(gè)應(yīng)用程序的不同線程可以在世界各地的多臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，從諸多網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)(NAS)位置檢索信息，并共享不同地理位置的服務(wù)器資源和通信渠道。

長(zhǎng)途光纖通信的盛行，在很大程度上使云計(jì)算變得可行。然而，我們依然需要面對(duì)幾十年來始終困擾工程師的吞吐量瓶頸——子系統(tǒng)間的互連和芯片間的接口。

數(shù)據(jù)中心技術(shù)

在數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)的服務(wù)器部分，硬件創(chuàng)新的空間非常大。由于硬件性能的調(diào)整可以帶來顯著的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，所以并不需要相隔太長(zhǎng)時(shí)間，就會(huì)推出更強(qiáng)大的全新服務(wù)器系列。保持領(lǐng)先所帶來的回報(bào)是巨大的，因?yàn)槊恳粋€(gè)新的數(shù)據(jù)中心都會(huì)部署大量的服務(wù)器。新的存儲(chǔ)和通信技術(shù)也在一定程度上推動(dòng)著虛擬世界的周期發(fā)展。

雖然服務(wù)器可能是數(shù)據(jù)中心的核心技術(shù)，但能源消耗、通信以及空調(diào)等看似平凡的技術(shù)也對(duì)整個(gè)市場(chǎng)規(guī)模做出了經(jīng)濟(jì)上的貢獻(xiàn)。一個(gè)數(shù)據(jù)中心可能會(huì)消耗超過10MW的能源。根據(jù)Ernest Orlando Lawrence Berkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的美國(guó)數(shù)據(jù)中心能源使用報(bào)告，美國(guó)數(shù)據(jù)中心的耗電量約占全美總耗電量的。隨著個(gè)人和企業(yè)消費(fèi)更多的數(shù)據(jù)，尤其是更多的視頻，這一比例預(yù)計(jì)將進(jìn)一步增長(zhǎng)。根據(jù)《數(shù)據(jù)中心散熱市場(chǎng)——增長(zhǎng)、趨勢(shì)和預(yù)測(cè)(2019-2024)》報(bào)告，數(shù)據(jù)中心消耗的能源量將繼續(xù)以每年的速度增長(zhǎng)。

對(duì)速度的不斷追求、更高密度的存儲(chǔ)以及對(duì)能源效率的更多強(qiáng)調(diào)，使得服務(wù)器主板的設(shè)計(jì)成為當(dāng)今電子領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)之一。以下框圖所示為典型的服務(wù)器主板上的主要部件（圖1）。

圖1：該框圖所示為典型的服務(wù)器主板結(jié)構(gòu)。（圖源：貿(mào)澤電子）

微處理器是服務(wù)器設(shè)計(jì)的核心，通常占主板成本和能源消耗的很大比例，而少花錢多辦事是顯而易見的追求。微處理器在設(shè)計(jì)上面臨的挑戰(zhàn)仍然是如何實(shí)現(xiàn)更高效的多處理和多線程。對(duì)于微處理器而言，“更高效”一詞不僅意味著每個(gè)芯片要有更多的MIP，更意味著每瓦要有更多的MIP。實(shí)現(xiàn)多處理的最常見技術(shù)是設(shè)計(jì)具有多個(gè)嵌入式處理內(nèi)核的芯片，從而使軟件實(shí)現(xiàn)多線程運(yùn)行，使服務(wù)器可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)代碼流。沒有它，云計(jì)算恐怕就不會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。此外，多線程還能減少能源消耗。

內(nèi)存和互連

與任何其他計(jì)算系統(tǒng)一樣，許多創(chuàng)新都可以用來解決處理器、內(nèi)存和其他I/O之間的瓶頸問題。例如，全緩沖DIMM (FBDIMM) 可以減少延遲，從而縮短讀/寫訪問時(shí)間。

FBDIMM內(nèi)存架構(gòu)使用單一的串行互連取代了多個(gè)并行互連。該架構(gòu)在內(nèi)存控制器和內(nèi)存模塊之間添加了一個(gè)高級(jí)內(nèi)存緩沖器 (AMB)。內(nèi)存控制器并不直接寫入到內(nèi)存模塊（圖1中的DIMM），而是與AMB連接，由AMB通過緩沖和重新發(fā)送信號(hào)來補(bǔ)償信號(hào)的惡化。此外，AMB還可以在不給處理器或系統(tǒng)的內(nèi)存控制器帶來任何額的開銷的情況下執(zhí)行糾錯(cuò)。

在(圖1)中，橙色方塊表示接口標(biāo)準(zhǔn)。PCI-Express、HyperTransport、Serial ATA、SAS和USB是高速接口。接口的選擇取決于服務(wù)器主板上的特定使用場(chǎng)景。所選擇的接口必須能夠提供足夠快的數(shù)據(jù)，以便與服務(wù)器子系統(tǒng)的處理能力保持一致。

使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器芯片進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)，在滿足處理器對(duì)數(shù)據(jù)的需求方面具有重要作用。更快的信號(hào)頻率，使設(shè)計(jì)可靠高性能系統(tǒng)所需的信號(hào)余量減少，因而需要由轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器（也稱為中繼器IC）在接口設(shè)備和CPU之間起到協(xié)調(diào)的作用。

轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器利用均衡、預(yù)加重和其他信號(hào)調(diào)節(jié)技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行再生，以提高信號(hào)質(zhì)量。只需一個(gè)轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器即可調(diào)整和糾正發(fā)射器端已知的通道損耗，并恢復(fù)接收器端的信號(hào)完整性。最終，接收器端的眼圖將會(huì)具有實(shí)現(xiàn)低誤碼率可靠通信所需的裕量。

存儲(chǔ)

如果沒有現(xiàn)成的大量數(shù)據(jù)，云計(jì)算就不會(huì)有很大的發(fā)展。為了滿足這種需求，存儲(chǔ)領(lǐng)域正持續(xù)推進(jìn)全球化和虛擬化。從硬件的角度來看，這意味著存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (SAN) 和網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ) (NAS) 正處于持續(xù)融合的過程中。這兩種技術(shù)在許多情況下都能發(fā)揮作用，它們的主要區(qū)別在于其協(xié)議：NAS使用TCP/IP和HTTP，而SAN使用FibreChannel上的封裝SCSI。

從硬件角度而言，兩者都使用獨(dú)立磁盤冗余陣列 (RAID)，這項(xiàng)存儲(chǔ)技術(shù)根據(jù)所需的冗余和性能水平，將數(shù)據(jù)分配到不同RAID級(jí)別的驅(qū)動(dòng)器上。數(shù)據(jù)中心級(jí)服務(wù)器的控制芯片必須符合RAID標(biāo)準(zhǔn)，并且采用了足夠“先進(jìn)”、需要有出口許可證才能出口到美國(guó)境外的技術(shù)。

盡管有區(qū)別，SAN和NAS仍然可能會(huì)合并成一個(gè)混合系統(tǒng)，同時(shí)提供文件級(jí)協(xié)議 (NAS) 和塊級(jí)協(xié)議 (SAN)。存儲(chǔ)虛擬化的趨勢(shì)是將邏輯存儲(chǔ)從物理存儲(chǔ)中抽象出來，因而SAN和NAS之間的區(qū)別越來越不重要了。

結(jié)語

隨著云計(jì)算的普及，將所有重要部件置于同一物理空間的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心一直在向其下一代演變，其中冗余和高速通信比以往任何時(shí)候都更加關(guān)鍵。盡管硅光子學(xué)技術(shù)有望在未來實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)之間的光速數(shù)據(jù)傳輸，但今天的設(shè)計(jì)工程師依然要優(yōu)化服務(wù)器、存儲(chǔ)、通信和計(jì)算技術(shù)的各個(gè)方面。

實(shí)現(xiàn)多線程計(jì)算架構(gòu)的多核處理器正不斷取得進(jìn)步。尋找信號(hào)完整性問題的解決方案是轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器等技術(shù)持續(xù)面對(duì)的挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，云計(jì)算啟動(dòng)了存儲(chǔ)技術(shù)的重大變革，包括容量和架構(gòu)。

審核編輯：郭婷