Серверні материнські плати КІС. Архітектура серверних процесорів.

Напевно багато хто з вас знає, що в колекції процесорів Intel і AMD є не тільки 4-х та 8-ядерні моделі, але і процесори з шаленою кількістю ядер. Їх кількість може варіюватися від чотирьох до 32-ох. Як правило, такі системи коштують просто космічних грошей. Наприклад, 24-ядерний 48-потоковий Intel XEON E7 8890 v4 з частотою 2.2 Ггц на ядро і кешем 60Мб призначений для того, що б працювати в сервері. А вартість такої 4-сокетной 96-ядерної 192-поточної конфігурації з 2Тб оперативної пам'яті становить $165 000.

Фото процесора Intel в сокеті материнської плати

Навіщо ж потрібні такі багатоядерні серверні процесори і системи в цілому, а також на скільки вони ефективні в порівнянні із звичайними "домашніми" процесорами.

Коли ж почалася ця гонка ядер. Прийнято вважати, що в даному напрямку першопрохідцем стала компанія AMD, представивши свій перший повноцінний 2-ядерний процесор для серверів - AMD Opteron. Однак, це твердження можна прийняти як за вірне, так і за невірне. Все тому, що ще до AMD компанія IBM в 2001 році представила свій 2-ядерний процесор IBM Power4. Призначався він так само для серверів, але був не зовсім 2-ядерним, тому як на чіпі Power4 було просто розпаяно 2 процесори. Так само були різні варіації цього "каменя", аж до 4-процесорного, що містив 8 ядер на одній платі.

У 2002 році Intel і AMD майже одночасно оголошують про перспективи в майбутньому налагодити виробництво багатоядерних процесорів. Вони випускають їх практично в один і той же час з проміжком у кілька місяців. І ось у квітні 2005 року AMD показує свій перший 2-ядерний Opteron з частотою 2.2 Ггц, створений на 64-бітній архітектурі. У свою чергу Intel випускає свій Pentium D 25 травня 2005 року, який відразу надходить у продаж. 90nm-й Pentium D працював на ядрі Smithfield, мав тактову частоту від 2.6 до 3.2 Ггц, кеш 2Мб і цінник в 250-500$. Але камінь вийшов не досить вдалим, так як розроблявся в поспіху. Незабаром після виходу процесора Intel це визнала. В підсумку, у Intel вийшло просто помістити 2 ядра в один кристал, які не мали ніякої загальної схемотехніки. По-суті, там було 2 окремих процесори які з'єднувала одна загальна шина. Так і було покладено початок багатоядерним процесорам.

Фото внутрішньої будови ядра 18-ядерного процесора сімейства Xeon E5 v3

Дізнавшись трохи про історію створення багатоядерних процесорів, ми плавно переходимо до того, навіщо ж потрібні серверні процесори і сервери в цілому. По-перше, давайте визначимося з тим, що ж це таке і який закладений сенс у серверний комп'ютер (сервер).

Сервер – це комп'ютер, завдання якого – надавати в автоматичному режимі, віддаленим користувачам, деякий набір сервісів або послуг без участі постійного контролю з боку людини.

Тому такі системи повинні бути максимально надійними і безвідмовними. Наприклад, коли ви читаєте цю статті на Senfil, дивитесь відео на YouTube, переписуєтесь з друзями в Telegram - ваш комп'ютер зв'язується цими сервісами через їх сервера і черпає з них всю потрібну для вас інформацію.

Внутрішня будова веб-сервера DELL

Головна вимога до сервера - безвідмовне виконання своїх завдань 24 години на добу, 7 днів в тиждень. Контроль якості у серверних ЦП набагато вищий. Вони проходять через всі види випробувань в стресових умовах: робота при високих температурах, робота при високому обчислювальному навантаженні і т. д. Все тому, що вони повинні бути розраховані на роботу протягом тривалих періодів. Наприклад, AMD оцінює робочий цикл лінійки Opteron в 5 років при 100% навантаженні 24/7, настільні FX в 3 роки при тому ж навантаженні.

Фото сучасного 72-ядерного Intel Xeon Phi Coprocessor для "суперкомп'ютера"

У свою чергу, компанія Intel має лінійку процесорів Xeon до якої висуваються такі ж вимоги, як і до процесорів від AMD. Якщо повернутися до історії, то виробництво процесорів Xeon почалося ще в далекому 1998 році з розробкою сокету Slot 2, в який трохи незвичайним шляхом вставлявся процесор. Це була окрема плата з процесором, чимось схожа на сучасну відеокарту або на лінійку процесорів Phi. Такий "слот" був презначений для процесорів Pentium 2 Xeon і Pentium 3 Xeon. AMD ж представила свої серверні Opteron на архітектурі К8 тільки у квітні 2003 року. Їх відмітною особливістю стала пряма підтримка 32-бітних програм без втрати продуктивності, а так само 64-бітних за тим же сценарієм. У свій час дані процесори користувалися досить великим успіхом.

Так в чому ж відмінність серверних ПК від звичайних настільних?

1) По-перше, для центрального процесора це кількість ядер і багатопоточність. Важливо, що б системі вистачало ресурсів для обробки декількох завдань паралельно. Так само важливу роль грає кількість кеш-пам'яті. Кеш серверних процесорів значно більше, ніж у звичайних. Так само, процесорів в серверах може бути декілька, від 1 до 4 на одній материнській платі.

4-процесорна материнська плата TYAN S4992 для Opteron Shanghai і 256Гб RAM

2) Другою відмінністю сервера від ПК є великий обсяг оперативної пам'яті. Зараз у звичайних домашніх ПК цей обсяг, в середньому, становить 4-8Гб. У свою чергу, середній об'єм оперативної пам'яті сервера починається від 64Гб аж до космічних nТб.

3) Третьою відмінністю є відсутність відеокарти. Вона просто не потрібна серверу. Тим паче, витрати електроенергії для серверів дуже великі, тому витрачати енергію на зайві цілі просто не потрібно.

4) Так само сервери славляться великою кількістю збережених даних. Але так як жорсткі диски не перестрибнули рубіж в кілька сотень терабайт, то в серверах їх об'єднують в Raid-масиви, а великий обсяг оперативної пам'яті дозволяє зберігати в собі дані які найчастіше використовуються і миттєво отримувати доступ до необхідної інформації.

Фото серверів в дата-центрі CDS

Так само варто відзначити, що якщо на ринку персональних комп'ютерів лідирує Intel і AMD, то в сегменті серверних рішень вагому роль відіграють так само IBM, HP, Oracle і Fujitsu. При цьому, якщо в персональному сегменті популярна архітектура х86, то в серверному ринку всі значимі гравці продовжують пропонувати власні технологічні рішення. Можна згадати Intel-овську ІА-64, IBM-овську Power, сучасну для Oracle і Fujitsu - Sparc. І тут, напевне, ви задастеся питанням... А чому б не використати звичайний процесор для серверних завдань? Звичайно, це можна зробити, але ми не отримаємо тієї ефективності та швидкої роботи, яку могли б отримати з використанням серверного процесора, особливо, якщо до сервера подключаться користувачі. Ваш Core і7 просто не зможе обробити такий потік інформації і даних, що призведе до браку продуктивності зависання. Хоча, все залежить від ваших завдань і потреб. Також варто згадати, що деякі старі серверні процесори дуже вигідні до купівлі, а ігри на них будуть йти так само, як і на і5/і7 2-3 поколінь. Тому серверні процесори можна вважати універсальними "конячками" на яких не тільки можна побудувати сервер, але і самий звичайний домашній ПК для ігор.

Головні особливості серверних материнських плат:

1. Надійність.

2. Багатопроцесорність (хоча бувають і однопроцесорні).

3. Підтримується установка регістрової оперативної пам'яті з контролем парності ECC.

Особливості серверних материнських плат

Серверні материнські плати мають ряд особливостей, які відрізняють їх від звичайних настільних. Ось деякі з основних характеристик, що роблять їх більш підходящими для використання в серверних системах:

1. Підтримка багатоядерних процесорів і великої кількості процесорів

Серверні материнські плати зазвичай підтримують два або більше процесорів, що дозволяє збільшити обчислювальну потужність. Ці плати також підтримують процесори з високим числом ядер і потоків, що є важливим для паралельних обчислень, віртуалізації та інших серверних задач.

2. Підтримка великої кількості оперативної пам'яті

Серверні плати зазвичай підтримують значно більший обсяг ОЗП (від 64 ГБ до кількох терабайтів). Вони також часто використовують технології, такі як ECC (Error Correcting Code), для забезпечення високої надійності пам'яті, що важливо для запобігання помилок при обробці великих обсягів даних.

3. Порти для підключення великої кількості накопичувачів

У серверних материнських платах є безліч портів для підключення жорстких дисків, SSD, а також можливість реалізації RAID-масивів (Redundant Array of Independent Disks), що дозволяє підвищити надійність зберігання даних та збільшити швидкість доступу до них.

4. Розширюваність через слоти для карт розширення

Серверні материнські плати мають більше слотів для додаткових карт, таких як мережеві адаптери, карти захоплення даних, графічні карти для обробки візуалізації, та інші спеціалізовані компоненти. Вони також підтримують більш високі швидкості передачі даних через слоти, наприклад, PCI Express 3.0 або 4.0.

5. Надійність і довговічність

Серверні плати спроектовані для роботи в умовах безперервної роботи 24/7. Вони мають покращену систему охолодження, захист від перегріву та стабільну електроживлення, що забезпечує їх надійність і довговічність в умовах високих навантажень.

6. Розширені функції моніторингу та управління

Більшість серверних материнських плат мають вбудовані системи для моніторингу температури, напруги, стану вентиляторів та інших критичних параметрів. Також доступні можливості для віддаленого керування через такі технології, як IPMI (Intelligent Platform Management Interface) або BMC (Baseboard Management Controller), що дозволяють адміністратору сервера керувати системою навіть якщо ОС не завантажено.

7. Висока якість живлення

Для серверів важлива стабільність електроживлення, тому серверні материнські плати мають складніші схеми живлення з високим коефіцієнтом ефективності (Система VRM (Voltage Regulator Module)). Це дозволяє забезпечити стабільну роботу при великих навантаженнях та знизити ймовірність поломок.

8. Підтримка високошвидкісних мережевих з'єднань

Серверні материнські плати часто включають кілька портів Ethernet з підтримкою високих швидкостей (10GbE, 40GbE), а також підтримують технології, як iSCSI, Fibre Channel для зв'язку з іншими серверами або зберіганням даних.

9. Підтримка віртуалізації

Завдяки підтримці технологій віртуалізації, таких як Intel VT-x та AMD-V, серверні материнські плати дозволяють ефективно запускати кілька віртуальних машин на одному фізичному сервері, що є важливим для хмарних обчислень та використання серверів у великих дата-центрах.

10. Різноманітні форми і розміри

Серверні материнські плати можуть мати різні розміри, такі як E-ATX, ATX, XL-ATX, що дозволяє вибрати оптимальний варіант для конкретних потреб у вигляді сервера або стійки.

11. Високий рівень безпеки

Серверні материнські плати часто оснащені спеціалізованими засобами безпеки, такими як TPM (Trusted Platform Module), апаратне шифрування даних і контроль доступу, щоб забезпечити захист даних і відповідність стандартам безпеки для бізнесу.

12. Підтримка системи резервного копіювання та відновлення

Багато серверних материнських плат мають вбудовані функції для автоматичного резервного копіювання та відновлення систем, що є критично важливим для забезпечення безперервної роботи в корпоративних середовищах.

Ці особливості роблять серверні материнські плати оптимальними для використання в складних обчислювальних середовищах, де важливі високі вимоги до надійності, масштабованості та потужності обчислень.

Архітектура серверних процесорів

Архітектура серверних процесорів визначає їхню здатність ефективно виконувати обчислення, масштабувати обробку даних і забезпечувати надійність та безперебійність роботи серверних систем. Основні характеристики та типи архітектур серверних процесорів включають наступне:

1. x86-64 (AMD64, Intel 64)

Ця архітектура є найпоширенішою у серверному сегменті завдяки своїй гнучкості та широкій підтримці програмного забезпечення.

• Переваги:

  • Сумісність із широким спектром операційних систем (Windows Server, Linux, FreeBSD тощо).

  • Велика кількість ядер (до 128 у процесорах AMD EPYC).

  • Підтримка апаратної віртуалізації (Intel VT-x, AMD-V).

  • Потужні SIMD-інструкції (AVX-512, AVX2).

• Популярні представники:

  • AMD EPYC

  • Intel Xeon

2. ARM (ARMv8, ARMv9)

ARM-архітектура стає дедалі популярнішою у серверному сегменті завдяки низькому енергоспоживанню та високій масштабованості.

• Переваги:

  • Енергоефективність, що знижує вартість роботи дата-центрів.

  • Простота масштабування (підтримка великої кількості обчислювальних ядер).

  • Висока продуктивність на ват споживаної енергії.

  • Перспективна для хмарних обчислень.

• Популярні представники:

  • AWS Graviton

  • Ampere Altra

  • Apple Silicon (у серверних застосунках менш поширений).

3. RISC-V

Відкрита архітектура, яка набирає популярності завдяки можливості гнучкої модифікації.

• Переваги:

  • Ліцензійна прозорість (немає ліцензійних зборів).

  • Легка адаптація для спеціалізованих серверних завдань.

  • Потенціал для розробки спеціалізованих серверних процесорів.

  • Перспективна для хмарних обчислень.

• Обмеження: менша підтримка програмного забезпечення порівняно з x86 або ARM.

4. SPARC (Scalable Processor Architecture)

Колись популярна архітектура для серверів, створена Sun Microsystems.

• Особливості:

  • Оптимізована для високонадійних корпоративних серверів.

  • Відмінна підтримка багатопотоковості.

  • Застосовується у високонадійних системах, наприклад, у банківському секторі.

• Обмеження: зниження популярності через домінування x86 та ARM.

5. POWER (IBM POWER Architecture)

Розроблена IBM, використовується в потужних серверах для обчислювальних центрів.

• Переваги:

  • Висока продуктивність у завданнях HPC (High-Performance Computing).

  • Підтримка великої кількості потоків.

  • Використовується в суперкомп'ютерах (наприклад, Summit).

• Недоліки: висока вартість і обмежена екосистема.

6. MIPS

Менш популярна архітектура, яка переважно використовується в мережевому обладнанні. У серверному сегменті поступається іншим архітектурам.

Основні тенденції у серверних процесорах:

1. Збільшення кількості ядер для обробки багатопотокових завдань.

2. Інтеграція спеціалізованих обчислювальних блоків (для AI/ML, криптографії, шифрування).

3. Оптимізація енергоспоживання для зменшення витрат дата-центрів.

4. Розширення використання ARM і RISC-V через їхню гнучкість і енергоефективність.

5. Збільшення пропускної здатності пам'яті (HMB, DDR5) та шин вводу/виводу (PCIe Gen 5/6, CXL).

Архітектура процесора визначає ключові можливості сервера, тому вибір залежить від конкретних завдань: від баз даних і віртуалізації до HPC і хмарних обчислень.