探秘K1 Power：如何打造一臺(tái)堅(jiān)若磐石的高性能小型機(jī)？

【IT168 評(píng)論】熟悉服務(wù)器領(lǐng)域的朋友，必然對(duì)浪潮K1小型機(jī)或多或少有所了解。在當(dāng)年關(guān)鍵業(yè)務(wù)主機(jī)市場(chǎng)寡頭壟斷的格局下，浪潮400多位工程師耗費(fèi)4年時(shí)間，于2010年成功研制出了K1小型機(jī)，為市場(chǎng)注入一股新的血液。使得中國(guó)成為除美國(guó)、日本之外全球第三個(gè)具備關(guān)鍵應(yīng)用主機(jī)研制能力的國(guó)家，浪潮也成為全球第五家具備關(guān)鍵應(yīng)用主機(jī)研制能力的企業(yè)。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，K1小型機(jī)獲得了市場(chǎng)的廣泛接納與認(rèn)可，受到來(lái)自金融、交通、政務(wù)、能源、醫(yī)療等眾多關(guān)鍵行業(yè)客戶(hù)的青睞。與此同時(shí)，K1家族產(chǎn)品也不斷升級(jí)迭代，持續(xù)以強(qiáng)勁性能與靈活可靠的特性，支撐其客戶(hù)關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用的高效平穩(wěn)運(yùn)行。

而隨著2018年浪潮與IBM的合資公司——浪潮商用機(jī)器的成立，K1的發(fā)展路線(xiàn)圖中更是出現(xiàn)了Power的身影。于是，國(guó)產(chǎn)關(guān)鍵業(yè)務(wù)主機(jī)的先行者K1，進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。浪潮K1小型機(jī)領(lǐng)先的核心技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，再加上Power處理器強(qiáng)大的性能表現(xiàn)，浪潮商用機(jī)器K1 Power系列服務(wù)器由此誕生。

浪潮商用機(jī)器有限公司副總經(jīng)理黃家明

據(jù)浪潮商用機(jī)器有限公司副總經(jīng)理黃家明介紹，浪潮商用機(jī)器分別在北京、濟(jì)南兩地建立了Power系統(tǒng)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，都配備了專(zhuān)業(yè)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具(EDA)。K1 Power研發(fā)團(tuán)隊(duì)目前有上百位核心人員，均來(lái)自于浪潮K1小型機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，擁有10年以上高端服務(wù)器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，是目前國(guó)內(nèi)高端服務(wù)器研發(fā)領(lǐng)域最優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)，具備從系統(tǒng)原理到主板PCB設(shè)計(jì)的全流程設(shè)計(jì)能力。此外，實(shí)驗(yàn)室還配備了頂級(jí)硬件研發(fā)測(cè)試平臺(tái)，以快速診斷問(wèn)題，保障產(chǎn)品的高可靠性。

那么，K1 Power服務(wù)器究竟是怎樣煉成的?其卓越的性能與可靠性背后是哪些關(guān)鍵技術(shù)在做支撐?在有幸參加了浪潮商用機(jī)器“探秘K1 Power研發(fā)之旅”活動(dòng)之后，筆者終于對(duì)此有了一個(gè)大體的了解，下面就一一為大家揭秘。

高速內(nèi)核——POWER9帶來(lái)卓越的性能表現(xiàn)

服務(wù)器的性能表現(xiàn)自然取決于CPU。與X86處理器相比，最新的POWER9處理器具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)，可以說(shuō)就是為應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)密集型工作負(fù)載、滿(mǎn)足嚴(yán)苛的高性能計(jì)算需求而生。

上圖是Power 9與X86處理器的橫向?qū)Ρ龋覀兛梢钥吹?，從主頻到帶寬，POWER9均能夠提供兩倍以上的性能提升。與絕大多數(shù)X86處理器不同，POWER9支持最新的PCIe 4.0以及NVLink2.0協(xié)議，以此帶來(lái)極大的內(nèi)存與I/O帶寬優(yōu)勢(shì)，加速CPU與GPU間的通信，滿(mǎn)足更高的應(yīng)用負(fù)載運(yùn)行要求。

像K1 Power這樣的中高端服務(wù)器，通常用于承載組織的核心數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用，因此在判斷其性能優(yōu)劣時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)載的支持是一個(gè)很好的依據(jù)。據(jù)浪潮商用機(jī)器有限公司產(chǎn)品研發(fā)部副總經(jīng)理尹宏偉介紹，在實(shí)際測(cè)試中，K1 Power服務(wù)器對(duì)于EDB、DB2和Oracle、SAP等商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)以及MySQL等開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)，都能帶來(lái)相對(duì)X86服務(wù)器兩倍以上的性能提升。

此外還有非常值得一提的一點(diǎn)，是K1 Power對(duì)計(jì)算資源的高利用率。由于K1 Power服務(wù)器具備強(qiáng)大的性能，因此可以在單臺(tái)服務(wù)器中以分區(qū)的形式滿(mǎn)足更多應(yīng)用負(fù)載——作為對(duì)比，x86服務(wù)器往往是一臺(tái)服務(wù)器運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用，通過(guò)部署更多服務(wù)器來(lái)運(yùn)行更多應(yīng)用。因此在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，K1 Power服務(wù)器的整機(jī)硬件負(fù)載效率更高，資源利用率更高。

極致可靠——全?？煽啃栽O(shè)計(jì)理念，保障業(yè)務(wù)持續(xù)運(yùn)行

對(duì)于K1 Power服務(wù)器而言，在提供優(yōu)越性能的前提下，保證整個(gè)系統(tǒng)的高度可靠是一個(gè)同樣重要的課題。K1 Power服務(wù)器系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)遵循高RAS(可靠性Reliability、可用性Availability、可服務(wù)性Serviceability)特性理念，此外還加入了獨(dú)立的服務(wù)處理器FSP，全方位偵測(cè)潛在故障，幫助及時(shí)修復(fù)，確保系統(tǒng)持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。

K1 Power系統(tǒng)全堆棧可靠性設(shè)計(jì)包括：冗余、捕獲、重試、隔離、修復(fù)。針對(duì)每一個(gè)環(huán)節(jié)，都通過(guò)領(lǐng)先的技術(shù)保證有效性，從而在整體上提供高達(dá)99.9994%的可靠性。

·冗余。K1 Power服務(wù)器通過(guò)冗余設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行：1、在硬件上，包括DRAM內(nèi)存芯片、CPU與內(nèi)存/CPU與CPU之間的鏈路等都是冗余的;2、每個(gè)系統(tǒng)控制單元中有兩個(gè)冗余的時(shí)鐘卡，當(dāng)任意一個(gè)時(shí)鐘卡出現(xiàn)故障，另一組時(shí)鐘可以無(wú)縫切換;3、電源時(shí)序控制信號(hào)如Enable，Power good等做冗余設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)更加可靠的電源開(kāi)關(guān)控制;4、電源穩(wěn)壓模塊(VRM)實(shí)現(xiàn)N+2冗余設(shè)計(jì)，以減少單點(diǎn)故障率;5、K1 Power系統(tǒng)關(guān)鍵部件如電源、 SMP線(xiàn)纜、時(shí)鐘、FSP模塊、I/O控制器等全部冗余設(shè)計(jì)。

·捕獲。K1 Power服務(wù)器裝載了多達(dá)16萬(wàn)個(gè)故障檢查器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。此外，還采用首錯(cuò)數(shù)據(jù)捕獲(FFDC，F(xiàn)irst Failure Data Capture)的機(jī)制，在設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行錯(cuò)誤模擬，在實(shí)際運(yùn)行階段進(jìn)行錯(cuò)誤捕獲。而發(fā)生錯(cuò)誤之后，還可以在維護(hù)階段進(jìn)行錯(cuò)誤重現(xiàn)。將所有可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤提前做到預(yù)警、備案和處理。

·重試。通過(guò)校驗(yàn)與重試設(shè)計(jì)，讓軟錯(cuò)誤不影響整體系統(tǒng)運(yùn)行。除了內(nèi)存或者緩存本身的糾錯(cuò)機(jī)制外，K1 Power服務(wù)器還設(shè)計(jì)了重試機(jī)制，判斷某個(gè)故障是不是偶發(fā)性的。其中，內(nèi)存的控制器或指令集的重試機(jī)制，是Power服務(wù)器特有的。

·隔離與修復(fù)。在發(fā)生故障時(shí)，K1 Power服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度的隔離，如單個(gè)CPU核心隔離，邏輯內(nèi)存塊隔離。x86服務(wù)器CPU內(nèi)部某一個(gè)區(qū)域或某一個(gè)功能發(fā)生故障時(shí)，往往整個(gè)CPU就會(huì)故障。Power處理器可以將發(fā)生故障的核心單獨(dú)隔離，同時(shí)處理器能繼續(xù)工作，從而實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)修復(fù)/更換。

鋼鐵之軀——高品質(zhì)工藝，更嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)試

服務(wù)器的高可靠性的實(shí)現(xiàn)不止依靠系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同樣還取決于優(yōu)秀的制造工藝。K1 Power服務(wù)器采用了嚴(yán)格的元器件和部件選型標(biāo)準(zhǔn)，并在極限環(huán)境下進(jìn)行嚴(yán)苛的測(cè)試，力求打造高品質(zhì)平臺(tái)。從物理層面上，進(jìn)一步提升系統(tǒng)整體可靠性。

由于POWER處理器都是高速信號(hào)，因此為了保證信號(hào)在CPU、內(nèi)存、I/O以及加速器之間傳遞的穩(wěn)定性，K1 Power服務(wù)器采用了高達(dá)40層的高復(fù)雜主板設(shè)計(jì)，所有與高速信號(hào)走線(xiàn)層相鄰的平面層都是地平面，保證高速信號(hào)良好的完整性。此外，主板也需經(jīng)過(guò)更嚴(yán)苛的板機(jī)測(cè)試，以保證100%可靠出貨。

在散熱方面，K1 Power服務(wù)器采用了更高效的散熱設(shè)計(jì)和散熱管理。其導(dǎo)熱材質(zhì)選用銦金屬片，將導(dǎo)熱效率提升了近10倍。而且銦金屬片相對(duì)于傳統(tǒng)x86采用的導(dǎo)熱膏來(lái)說(shuō)，導(dǎo)熱穩(wěn)定性更強(qiáng)，保障長(zhǎng)期使用。K1 Power服務(wù)器散熱管理采用了動(dòng)態(tài)分區(qū)散熱控制技術(shù)。這種動(dòng)態(tài)、智能化的散熱控制，既提高了散熱的利用效率，也保障了CPU等元器件的壽命以及性能穩(wěn)定。

K1 Power服務(wù)器采用了高標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)，生產(chǎn)測(cè)試功能覆蓋率100%，高端機(jī)型測(cè)試大項(xiàng)共計(jì)660多項(xiàng)，同時(shí)測(cè)試?yán)匣瘯r(shí)間達(dá)到48小時(shí)以上。通過(guò)自動(dòng)化的測(cè)試系統(tǒng)，確保每臺(tái)機(jī)器的檢測(cè)的有效性。基于嚴(yán)苛的測(cè)試環(huán)境，確保每臺(tái)服務(wù)器都能夠在極限電壓和動(dòng)態(tài)頻率下穩(wěn)定工作，保證品質(zhì)達(dá)到業(yè)界最高水準(zhǔn)。

不懼威脅——自下而上的安全加固，保護(hù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)

在關(guān)鍵業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，系統(tǒng)安全性是至關(guān)重要的。K1 Power服務(wù)器在系統(tǒng)安全方面也進(jìn)行了充分的考慮，支持多種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)政府認(rèn)證。與此同時(shí)，并不僅僅依賴(lài)于操作系統(tǒng)層面的安全性，還會(huì)在更底層的技術(shù)層面進(jìn)行加固。

一個(gè)非常具有代表性的舉措是，K1 Power服務(wù)器所有部件的維護(hù)都需要通過(guò)認(rèn)證，新更換的部件在沒(méi)有認(rèn)證之前是無(wú)法運(yùn)行的，這樣可以有效避免非認(rèn)證部件導(dǎo)致的可靠性問(wèn)題，保證整個(gè)系統(tǒng)的一致性。

在操作系統(tǒng)方面，包括浪潮KUX在內(nèi)的多家本地安全可信操作系統(tǒng)廠商認(rèn)證了Power服務(wù)器平臺(tái)，并取得了產(chǎn)品兼容性認(rèn)證證書(shū)。另外，通過(guò)浪潮具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的操作系統(tǒng)安全加固模塊SSR(國(guó)家等保三級(jí)認(rèn)證)，進(jìn)一步保障系統(tǒng)安全無(wú)虞。

最后

不難看出，繼承了浪潮K1小型機(jī)核心技術(shù)積累和自主創(chuàng)新能力，再融合POWER處理器出色計(jì)算能力的K1 Power服務(wù)器，既立足于實(shí)際場(chǎng)景需求，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)化的設(shè)計(jì);同時(shí)在生產(chǎn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都以高標(biāo)準(zhǔn)、高水準(zhǔn)嚴(yán)格要求。這樣的服務(wù)器平臺(tái)，無(wú)疑能夠成為支撐關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的可靠基石。

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