数据中心的创新反映并推动了互联网的迅速增长

电子行业一直以来都孕育了虚拟世界的周期变化。在1980年代，更大容量的磁盘驱动器面世，诸如微软这样的软件公司便得以开发出更强大的应用程序，而这些应用程序又进一步需要更多存储空间。进一步扩大的存储空间又使更强大的应用程序成为可能，这些应用程序又对存储空间提出了更高的要求。随着像英特尔®这样的制造商将越来越强大的处理能力装入其微处理器，图形和视频等计算密集型应用应运而生，最终还是会让处理器不够用。当然，我们不能忘了互联网，它所起的推动作用让原先各种周期变化都相形见绌。

数据中心以及最近兴起的云计算不仅从数据中心内各个层面的硬件技术中获利，更推动了硬件技术的创新，这一点并不令人惊讶。云计算的到来使得更快的处理和数据检索速度、更大的存储容量和更快的机器对机器通信速度比以往任何时候都更加重要。

“云计算”这个术语指的是教科书和白板上所述的无形的“云”，正是它构成了互联网背后复杂的计算和通信架构。云计算在1990年代开局并不顺利，当时一些供应商大肆吹捧“瘦客户机”的概念，也就是依赖远程网络服务的简化式个人电脑。然而，当时的网络基础设施速度很慢，无法胜任这样的任务。不过，这种方案现如今已经广为接受，这正是拜更快的网络通信和处理速度所赐。

传统的数据中心通常将服务器、计算资源、应用程序和存储保持在差不多相同的物理位置，而云计算则引入了在虚拟机上进行计算的新模式，并行化和冗余性在这种模式中至关重要。一个应用程序的不同线程可以在世界各地的多台计算机上运行，从诸多网络附加存储(NAS)位置检索信息，并共享不同地理位置的服务器资源和通信渠道。

长途光纤通信的盛行，在很大程度上使云计算变得可行。然而，我们依然需要面对几十年来始终困扰工程师的吞吐量瓶颈——子系统间的互连和芯片间的接口。

数据中心技术

在数据中心市场的服务器部分，硬件创新的空间非常大。由于硬件性能的调整可以带来显著的市场优势，所以并不需要相隔太长时间，就会推出更强大的全新服务器系列。保持领先所带来的回报是巨大的，因为每一个新的数据中心都会部署大量的服务器。新的存储和通信技术也在一定程度上推动着虚拟世界的周期发展。

虽然服务器可能是数据中心的核心技术，但能源消耗、通信以及空调等看似平凡的技术也对整个市场规模做出了经济上的贡献。一个数据中心可能会消耗超过10MW的能源。根据Ernest Orlando Lawrence Berkeley国家实验室发布的美国数据中心能源使用报告，美国数据中心的耗电量约占全美总耗电量的。随着个人和企业消费更多的数据，尤其是更多的视频，这一比例预计将进一步增长。根据《数据中心散热市场——增长、趋势和预测(2019-2024)》报告，数据中心消耗的能源量将继续以每年的速度增长。

对速度的不断追求、更高密度的存储以及对能源效率的更多强调，使得服务器主板的设计成为当今电子领域最具挑战性的设计之一。以下框图所示为典型的服务器主板上的主要部件（图1）。

图1：该框图所示为典型的服务器主板结构。（图源：贸泽电子）

微处理器是服务器设计的核心，通常占主板成本和能源消耗的很大比例，而少花钱多办事是显而易见的追求。微处理器在设计上面临的挑战仍然是如何实现更高效的多处理和多线程。对于微处理器而言，“更高效”一词不仅意味着每个芯片要有更多的MIP，更意味着每瓦要有更多的MIP。实现多处理的最常见技术是设计具有多个嵌入式处理内核的芯片，从而使软件实现多线程运行，使服务器可以同时执行多个代码流。没有它，云计算恐怕就不会成为现实。此外，多线程还能减少能源消耗。

内存和互连

与任何其他计算系统一样，许多创新都可以用来解决处理器、内存和其他I/O之间的瓶颈问题。例如，全缓冲DIMM (FBDIMM) 可以减少延迟，从而缩短读/写访问时间。

FBDIMM内存架构使用单一的串行互连取代了多个并行互连。该架构在内存控制器和内存模块之间添加了一个高级内存缓冲器 (AMB)。内存控制器并不直接写入到内存模块（图1中的DIMM），而是与AMB连接，由AMB通过缓冲和重新发送信号来补偿信号的恶化。此外，AMB还可以在不给处理器或系统的内存控制器带来任何额的开销的情况下执行纠错。

在(图1)中，橙色方块表示接口标准。PCI-Express、HyperTransport、Serial ATA、SAS和USB是高速接口。接口的选择取决于服务器主板上的特定使用场景。所选择的接口必须能够提供足够快的数据，以便与服务器子系统的处理能力保持一致。

使用转接驱动器芯片进行信号调节，在满足处理器对数据的需求方面具有重要作用。更快的信号频率，使设计可靠高性能系统所需的信号余量减少，因而需要由转接驱动器（也称为中继器IC）在接口设备和CPU之间起到协调的作用。

转接驱动器利用均衡、预加重和其他信号调节技术对信号进行再生，以提高信号质量。只需一个转接驱动器即可调整和纠正发射器端已知的通道损耗，并恢复接收器端的信号完整性。最终，接收器端的眼图将会具有实现低误码率可靠通信所需的裕量。

存储

如果没有现成的大量数据，云计算就不会有很大的发展。为了满足这种需求，存储领域正持续推进全球化和虚拟化。从硬件的角度来看，这意味着存储区域网络 (SAN) 和网络附加存储 (NAS) 正处于持续融合的过程中。这两种技术在许多情况下都能发挥作用，它们的主要区别在于其协议：NAS使用TCP/IP和HTTP，而SAN使用FibreChannel上的封装SCSI。

从硬件角度而言，两者都使用独立磁盘冗余阵列 (RAID)，这项存储技术根据所需的冗余和性能水平，将数据分配到不同RAID级别的驱动器上。数据中心级服务器的控制芯片必须符合RAID标准，并且采用了足够“先进”、需要有出口许可证才能出口到美国境外的技术。

尽管有区别，SAN和NAS仍然可能会合并成一个混合系统，同时提供文件级协议 (NAS) 和块级协议 (SAN)。存储虚拟化的趋势是将逻辑存储从物理存储中抽象出来，因而SAN和NAS之间的区别越来越不重要了。

结语

随着云计算的普及，将所有重要部件置于同一物理空间的传统数据中心一直在向其下一代演变，其中冗余和高速通信比以往任何时候都更加关键。尽管硅光子学技术有望在未来实现子系统之间的光速数据传输，但今天的设计工程师依然要优化服务器、存储、通信和计算技术的各个方面。

实现多线程计算架构的多核处理器正不断取得进步。寻找信号完整性问题的解决方案是转接驱动器等技术持续面对的挑战。与此同时，云计算启动了存储技术的重大变革，包括容量和架构。

审核编辑：郭婷