服务器硬件架构

从性能角度来看，处理器、内存和I/O这三个子系统在服务器中是最重要的，它们也是最容易出现性能瓶颈的地方。目前市场上主流的服务器大多使用英特尔Nehalem、Westmere微内核架构的三个家族处理器：Nehalem-EP，Nehalem-EX 和Westmere-EP。下表总结了这些处理器的主要特性：

在本文中，我们将分别从处理器、内存、I/O三大子系统出发，带你一起来梳理和了解最新英特尔架构服务器的变化和关键技术。

一、处理器的演变

现代处理器都采用了最新的硅技术，但一个单die(构成处理器的半导体材料块)上有数百万个晶体管和数兆存储器。多个die组织到一起就形成了一个硅晶片，每个die都是独立切块，测试和用陶瓷封装的，下图显示了封装好的英特尔至强5500处理器外观。

图 1 英特尔至强5500处理器

插座

处理器是通过插座安装到主板上的，下图显示了一个英特尔处理器插座，用户可根据自己的需要，选择不同时钟频率和功耗的处理器安装到主板上。

图 2 英特尔处理器插座

主板上插座的数量决定了最多可支持的处理器数量，最初，服务器都只有一个处理器插座，但为了提高服务器的性能，市场上已经出现了包含2，4和8个插座的主板。

在处理器体系结构的演变过程中，很长一段时间，性能的改善都与提高时钟频率紧密相关，时钟频率越高，完成一次计算需要的时间越短，因此性能就越好。随着时钟频率接近4GHz，处理器材料物理性质方面的原因限制了时钟频率的进一步提高，因此必须找出提高性能的替代方法。

核心

晶体管尺寸不断缩小(Nehalem使用45nm技术，Westmere使用32nm技术)，允许在单块die上集成更多晶体管，利用这个优势，可在一块die上多次复制最基本的CPU(核心)，因此就诞生了多核处理器。

现在市场上多核处理器已经随处可见，每颗处理器包含多个CPU核心(通常是2，4，6，8个 )，每个核心都有一级缓存(L1)，通常所有的核心会共享二级(L2)、三级缓存(L3)、总线接口和外部连接，下图显示了一个双核心的CPU架构。

图 3 双核心CPU架构示意图

现代服务器通常提供了多个处理器插座，例如，基于英特尔至强5500系列(Nehalem-EP)的服务器通常包含两个插座，每个插座四个核心，总共可容纳八个核心，而基于英特尔至强7500系列(Nehalem-EX)的服务器通常包含八个插座，每个插座八个核心，总共可容纳64个核心。

下图显示了更详细的双核处理器架构示意图，CPU的主要组件(提取指令，解码和执行)都被复制，但系统总线是公用的。

图 4 双核处理器的详细架构示意图

线程

为了更好地理解多核架构的含义，我们先看一下程序是如何执行的，服务器会运行一个内核(如Linux，Windows的内核)和多个进程，每个进程可进一步细分为线程，线程是分配给核心的最小工作单元，一个线程需要在一个核心上执行，不能进一步分割到多个核心上执行。下图显示了进程和线程的关系。

图 5 进程和线程的关系

进程可以是单线程也可以是多线程的，单线程进程同一时间只能在一个核心上执行，其性能取决于核心本身，而多线程进程同一时间可在多个核心上执行，因此它的性能就超越了单一核心上的性能表现。

因为许多应用程序都是单线程的，在多进程环境中，多插座、多核心的架构通常会带来方便，在虚拟化环境中，这个道理一样正确，Hypervisor允许在一台物理服务器上整合多个逻辑服务器，创建一个多进程和多线程的环境。

英特尔超线程技术

虽然单线程不能再拆分到两个核心上运行，但有些现代处理器允许同一时间在同一核心上运行两个线程，每个核心有多个并行工作能力的执行单元，很难看到单个线程会让所有资源繁忙起来。

下图展示了英特尔超线程技术是如何工作的，同一时间在同一核心上有两个线程执行，它们使用不同的资源，因此提高了吞吐量。

图 6 英特尔超线程技术工作原理

前端总线

在多插座和多核心的情况下，理解如何访问内存和两个核心之间是如何通信的非常重要，下图显示了过去许多英特尔处理器使用的架构，被称作前端总线(FSB)架构。在FSB架构中，所有通信都是通过一个单一的，共享的双向总线发送的。在现代处理器中，64位宽的总线以4倍速总线时钟速度运行，在某些产品中，FSB信息传输速率已经达到1.6GT/s。

图 7 基于前端总线的服务器平台架构

FSB将所有处理器连接到芯片组的叫做北桥(也叫做内存控制器中枢)，北桥连接所有处理器共享访问的内存。

这种架构的优点是，每个处理器都可以访问其它所有处理可以访问的所有内存，每个处理器都实现了缓存一致性算法，保证它的内部缓存与外部存储器，以及其它所有处理器的缓存同步。

但这种方法设计的平台要争夺共享的总线资源，随着总线上信号传输速度的上升，要连接新设备就变得越来越困难了，此外，随着处理器和芯片组性能的提升，FSB上的通信流量也会上升，会导致FSB变得拥挤不堪，成为瓶颈。

双独立总线

为了进一步提高带宽，单一共享总线演变成了双独立总线架构(DIB)，其架构如下图所示，带宽基本上提高了一倍。

图 8 基于双独立总线的服务器平台架构

但在双独立总线架构中，缓存一致性通信必须广播到两条总线上，因此减少了总有效带宽，为了减轻这个问题，在芯片组中引入了“探听过滤器”来减少带宽负载。

如果缓存未被击中，最初的处理器会向FSB发出一个探听命令，探听过滤器拦截探听，确定是否需要传递探听给其它FSB。如果相同FSB上的其它处理器能满足读请求，探听过滤器访问就被取消，如果相同FSB上其它处理器不满意读请求，探听过滤器就会确定下一步的行动。如果读请求忽略了探听过滤器，数据就直接从内存返回，如果探听过滤器表示请求的目标缓存在其它FSB上不存在，它

将向其它部分反映探听情况。如果其它部分仍然有缓存，就会将请求路由到该FSB，如果其它部分不再有目标缓存，数据还是直接从内存返回，因为协议不支持写请求，写请求必须全部传播到有缓存副本的所有FSB上。

专用高速互联

在双独立总线之后又出现了专用高速互联架构(Dedicated High-Speed Interconnect，DHSI)，其架构如下图所示。

图 9 基于DHSI的服务器平台架构

基于DHSI的平台使用四个独立的FSB，每个处理器使用一个FSB，引入探听过滤器实现了更好的带宽扩容，FSB本身没多大变化，只是现在变成点对点的配置了。

使用这种架构设计的平台仍然要处理快速FSB上的电信号挑战，DHSI也增加了芯片组上的针脚数量，需要扩展PCB路线，才能为所有FSB建立好连接。

英特尔QuickPath互联

随英特尔酷睿i7处理器引入了一种新的系统架构，即著名的英特尔QuickPath互联(QuickPath Interconnect，QPI)，这个架构使用了多个高速单向连接将处理器和芯片组互联，使用这种架构使我们认识到了：