服務器的組件構成和功耗

丘文博

摘 要：服務器是數據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、內部組成和能耗特點，為數據中心的節能設計提供參考。

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

現代信息社會，互聯網的高效運作得益于其樞紐機構—數據中心的存在，而數據中心的心臟即為服務器。本文介紹服務器的基本工作原理、內部組成等信息，同時介紹了服務器的能耗組成，以期為數據中心的設計優化提供參考。

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：指令和數據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、順序執行存儲器內指令、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，乃至計算機行業時代里程碑都是以CPU性能的重大突破作為標志。例如業內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指令系統為精簡指令架構（RISC）的ARM CPU指令系統。

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據。CPU從內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，并執行指令，周而復始地循環運作直至斷電或休眠。

2.2 總線

總線（Bus）是服務器內部各組件之間的數據交互的橋梁，由總線芯片和連接導線組成，其可以使得CPU按地址來讀寫數據。所謂“總線”意指“統一匯總處理的數據線”：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據交互，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，承載核心器件之間的數據傳輸的功能。一定意義上講，它決定了主板的級別和檔次。

2.4 內存

由內存芯片、電路板、金手指等組成，用于暫時存放CPU中的運算數據，以及與硬盤等外部存儲器交換的數據（操作系統也是從硬盤拷貝到內存之后才能運行）。只要計算機在運行中，CPU就會把需要運算的數據調到內存中進行運算，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，是容納大數據的器件（相對內存而言），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 網卡

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

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EMI隔離、全波整流和簡單濾波變成300 V直流，經過耐壓三極管開關“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）。在以上環節中，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

在服務器內部，CPU功耗占了60%以上的比例，這些功耗最終都會轉化為熱量，故而可說CPU是服務器上發熱最集中的部件。為此，業內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=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，計算型服務器的內存能耗也較為可觀。以一塊內存條8 W的功耗計算，10根內存條的功耗即可達到80 W，可達400 W服務器功耗的20%。

另外，在實際測試中發現，北橋芯片的能耗/發熱量也較為突出，這是因為北橋芯片是CPU對外的數據出口，承擔了繁重的數據傳輸任務，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廠商，散熱片/風扇廠商，以及機箱廠商等等進行系統設計時使用的。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。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熱量。

參考文獻

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