基于鯤鵬架構的國產化高性能服務器系統關鍵技術

李瑞杰

深圳市寶德投資控股有限公司 廣東 深圳 518000

引言

在我國通用服務器市場上，國內外廠商間的差距在不斷減小。對于國產服務器廠商來說，掌握核心技術、在高端領域占據優勢的企業將會有更好的發展前景。基于國產架構鯤鵬處理器，構建國產化自主安全可控高端服務器產品，實現4U高端服務器國產軟硬件一體化的研發。采用業界最先進的軟硬件，為客戶量身定制，打造企業級融合高效架構。在激發軟硬件潛能的同時，以軟件定義和硬件重構為核心，根據信息處理需求可進行升級擴展。提供企業級的強勁計算性能和擴展能力，多核高并發，匹配海量數據需求，同構部署、零性能損耗，完美對移動應用云化，適用于對信息安全要求較高的處理型需求，為云計算、大數據、分布式存儲、ARM原生應用、高性能計算和數據庫等應用高效加速，滿足企業用戶多樣性計算、綠色計算的需求[1]。

1 服務器規格設計

寶德鯤鵬服務器基于ARM架構鯤鵬處理器為核心，圍繞鯤鵬處理器向外發展實現高性能整機化產品。服務器搭載2顆24/32/48/64核鯤鵬920高性能通用處理器，可提供強大的計算能力，幫助用戶應對較重的計算壓力；內存支持32個DDR4-2933插槽，多種硬盤選擇方式；板載SATA3.0，傳輸速度更快、功耗更低、可靠性更高；最多可支持8個PCIe4.0 x8，2個板載網絡插卡以及8*GE電口或者8*25GE/10GE光口，實現對智能陣列的支持，可顯著增強I/O性能；板載RAID控制器，支持多種RAID保護級別，提供數據處理性能和保護數據功能，兼容SUSE、Ubuntu、CentOS、openEuler、UOS、麒麟軟件、凝思、中科院軟件所、拓林思、泰山國心、普華、湖南麒麟等操作系統。

2 鯤鵬架構高可靠高性能服務器系統關鍵技術

2.1 主板電路功能設計

高可靠高性能服務器產品定位為雙路機架式服務器，為搭載兩塊鯤鵬920處理器，主板需要繼承豐富的通用接口，方便用戶快速搭建硬件演示平臺及連接外部設備。主板核心為兩塊鯤鵬920CPU,每塊鯤鵬920芯片可支持8通道DDR4 DIMMs 內存條，因此，主板上需包含32個DDR4 DIMMs內存插槽口。此外，主板涉及3個模塊化增擴口，即3個Riser卡，主板需搭建一個RAID卡作為服務器數據安全保護功能之一，在內存方面，比對市面上現有的其他型號產品，服務器的設計搭載至少16個熱插拔3.5/2.5英寸SATA/SAS/SSD硬盤，且需要前后搭載。此外，網卡插口為2個，在電口和光口上設計為模塊化設計添加，板載設計兩個FlexIO口、4個USB3.0接口、1個VGA接口，1個COM接口，主板內部PCIe接口設計，達到滿足模塊化需求，實現靈活的客戶定制功能[2]。

2.2 BIOS設計

我國目前的BIOS系統設計幾乎可以說是沒有，包括BIOS在內的計算機系統底層設計長期被國外公司壟斷，對計算機系統性能發揮，國產系統研發進度保證和信息系統安全造成了極大的危害。

本研究中所涉及的BIOS選型上需采用華為公司基于PMON研制出來的高端計算機主板BIOS。其主要原因在于該BIOS可以完美適配鯤鵬920處理器。BIOS系統的結構由總控邏輯進行控制、支持鯤鵬多核處理器和異構特性，涉及外設驅動、可靠性支持、主板及硬件狀態檢測、支持BIOS界面管理系統，并支持主板其他特性。該BIOS的功能邏輯設計如下圖1所示：

圖1 BIOS系統功能邏輯

2.3 高可靠性

本研究的主要目的是為了完善國內信息技術創新產業生態，因此，作為服務器的重中之重是自主創新。在處理器上選擇鯤鵬920而非AMD或Intel公司的x86架構處理器的理由便在此。然而，服務器的安全并非只關注與信息盜取方面，因為不可控因素導致的數據儲存錯誤，數據丟失甚至硬件損壞都是安全可靠性的一部分。本研究中需加裝板載RAID控制器，支持多種RAID保護級別，提供數據處理性能和保護數據功能。除此之外，針對服務器常見的電磁輻射影響因素，本研究進行全屏蔽放電磁輻射、抗干擾、防靜電的設計。另外，針對突發停電狀況，本研究設計了冗余電源，提供掉電保護和多電源備用應急處理方案。同時，還搭配了Web端管理界面，豐富多樣配置存儲管理方式，使得管理人員可以分別在本地或遠程異地實現設備設置、管理、監控和調整產品運行的功能，提供及時性操作，才能避免安全問題不能得到及時處理。在服務器登陸方式上，同樣需要安全管理，客戶端證書和證書密碼雙重因素認證方式作為寶德已有的成熟的安全管理登錄方法，亦需要搭配上此項目產品。

2.4 低功耗設計

在芯片級，鯤鵬處理器具有良好的低功耗特性，通過設計優化實現了動態功耗管理。其核心思想是“按需計算”，即在保證性能的前提下，根據應用需求的變化動態調整芯片中硬件資源的狀態，總是以最合適的資源來服務于當前應用，從而達到降低功耗的目的。

鯤鵬處理器通過采用7nm多閾值壓設計、自動門控時鐘、動態關閉cache等多種邏輯設計與物理設計手段來降低功耗。此外，處理器使用若干功耗管理措施來降低功耗，包括對處理器的動態時鐘降頻（核心時鐘可以運行在全速時鐘的1/8, 2/8,..7/8等模式，且通過軟件讀寫寄存器進行頻率切換，具有控制簡單，切換速度快，沒有切換延遲開銷的特色）。此外，CPU可以通過軟件對不必要運算的處理器核或IO模塊進行動態的關閉，以進一步降低處理器功耗。與之強大的雙精度浮點運算性能相比，其能效達到了1.6Gflops/Watt和6.4Gflops/watt。

2.5 國產安全操作系統

針對本項目產品，因為主打高可靠，鯤鵬高性能服務器選取較為成熟的麒麟操作系統作為主要搭載OS（Operating System），其他操作系統，例如UOS作為備選，滿足客戶需要。

麒麟操作系統應作為最成熟的選項。中標麒麟桌面操作系統產品以中標軟件多年的UNIX/Linux研發經驗為依托，可以為政府用戶、行業用戶、金融用戶、PC生產商等大客戶提供定制服務，開發特定的產品，并基于此類產品為客戶提供解決方案，技術支持，產品服務。中標麒麟桌面操作系統采用開放的、架式系統設計方案，提供最新的穩定核心、硬件驅動及上層軟件包，能夠支持目前市場主流硬件，將提供更完善的CPU、主板、顯卡、聲卡、網卡、打印機等硬件的支持。同時中標麒麟桌面操作系統也提供良好的硬件適配，為用戶方調整開發所需要的驅動程序以及周期性的進行軟件驅動的更新升級。同時，中標麒麟桌面操作系統提供日常辦公、娛樂所需的應用軟件，如瀏覽器、郵件客戶端、即時通訊、視頻會議、辦公軟件、PDF閱讀器、Java環境、多媒體播放器等，滿足用戶網絡瀏覽、多媒體播放、辦公、圖像處理等多種應用需求。同時軟件倉庫中包含豐富的應用軟件可供用戶選擇。

2.6 可靠性技術研究

RAS（reliability, availability，and serviceability可靠性，可用性和可維護性）是一體機中服務器系統最重要的特征之一。從RAS的角度看，系統的RAS都是建立在CPU的基礎之上。基于CP1的計算系統的RAS將結合Processor、Memory、IO三個方面來實現。本研究使用國產處理器及零部件的高端服務器，根據以往的經驗，勢必會在硬件適配上出現可靠性問題。系統RAS不僅僅是Processor RAS和Memory RAS。使用這些組件的系統架構也是避免應用終止的關鍵。基于CP1的算機系統的RAS特點在設計的時候，也是要考慮基于系統的尺寸和使用的場景[3]。

本系統設計采用基于Linux改進的操作系統，同時使用了OPAL來提供硬件的抽象層能夠直達操作系統，或者通過KVM也可以直接訪問到操作系統。系統通過IPMI來提供系統管理，鑒于此，我們使用BMC而不是FSP來進行錯誤的處理。

2.7 硬件一體化可信安全機制

服務器在應用中面臨各種安全問題，如非法用戶登錄、敏感數據泄露、系統完整性被破壞以及數據機密性。本研究采用如下關鍵技術以解決：

2.7.1 安全加密技術。服務器設計通過標準PCIE 8X接口擴展特定安全加密卡，主機可以通過安全加密芯片實現高速的對稱加解密計算功能。系統支持兩組SATA接口可以利用對稱加密芯片及對稱加解密控制邏輯實現SATA硬盤的透明加解密存儲。

2.7.2 硬件支持的安全登錄。采用多層次保護的安全登錄機制。利用硬件USB-Key對用戶進行身份認證，防止服務器被非法開機。同時，利用TCM芯片來保證BIOS的完整性，防止BIOS可寫部分被非法改寫。通過軟硬件的相互配合，建立一個可信任的、可度量的計算機硬件固件環境，保證計算機登錄的安全性。

2.7.3 可信計算密碼支撐平臺研究。利用TCM芯片設計可信計算密碼支撐平臺的硬件核心，將安全保密相關運算和關鍵數據從計算機分離出來，增加計算機系統的安全性。通過對TCM的調用，可信計算密碼支撐平臺能夠實現平臺的完整性，完成平臺的身份可信驗證，保護平臺數據的安全。

2.7.4 安全應用中間件研究。將采用安全應用中間件技術實現外設端口管理、用戶認證、安全存儲、安全審計功能。在系統內核中增加相關控制模塊，利用這些控制模塊完成用戶權限檢查，只允許通過檢查的用戶獲得物理外設端口的訪問權。使用USB key認證方式防止非法用戶訪問。提供基本的加解密API接口，滿足操作系統之上應用的安全存儲需求。提供安全審計手段和日志信息保護機制，建立可追溯的安全審計體系[4]。

3 結束語

本研究基于鯤鵬架構處理器，構建高可靠高端服務器產品，實現高端服務器國產軟硬件一體化的研發。適用于對信息安全要求較高的處理型需求，為云計算、大數據、分布式存儲、ARM原生應用、高性能計算和數據庫等應用高效加速，滿足企業用戶多樣性計算、綠色計算的需求，在關系民生的重要行業陸續布局，助力構建“國產化”生態圈。