سخت افزارها

هفت جز اصلی سخت افزاری سرور که لازم است بدانید

مقدمه:

با اینکه گزینه‌هایی مثل مراکز داده مبتنی بر نرم‌افزار وجود دارند، همچنان مهم است که اجزای فیزیکی سرور را بشناسیم. اصطلاحات آورده شده در این مقاله را مرور کنید تا برایتان یاداوری شود.

سرورها نیروگاه پشت هر مرکز داده هستند. این اجزای ماژولار و جعبه‌ای حاوی تمام قدرت پردازش مورد نیاز برای مسیریابی و ذخیره داده‌ها هستند.

سازمان‌ها بر اساس اندازه مرکز داده، از سرورهای تیغه‌ای، چرخ دنده دار یا برج مانند استفاده می‌کنند تا ادمین‌ها بتوانند تعداد سرورها را با توجه به نیاز اندازه کنند، سخت‌افزار را به‌طور مؤثر حفظ کنند و به راحتی آنها را خنک نگه دارند.

هرچند که یک مرکز داده از سرورهای تیغه‌ای، چرخ دنده دار یا برج مانند استفاده کند، اجزای سخت افزاری سرور مرکزی ثابت می مانند و به پشتیبانی از پردازش همزمان داده ها در هر مقیاسی کمک می کنند. در اینجا یک بازنگری سریع در مورد اجزای اصلی یک سرور و نحوه کمک آنها به انتقال داده از نقطه A به نقطه B ارائه شده است.

مادربرد:

این قطعه سخت افزار سرور، برد مدار چاپی اصلی در یک سیستم محاسباتی است. مادربرد دارای حداقل یک واحد پردازش مرکزی (CPU)، سیستم عامل (BIOS) و اسلات‌ها برای ماژول‌های حافظه، همراه با مجموعه‌ای از تراشه‌های ثانویه برای مدیریت I/O و پشتیبانی پردازش، مانند پیوست فناوری پیشرفته سریالی(SATA)، یا رابط ذخیره سازی SCSI متصل به سریال (SAS) است. به عنوان اتصال مرکزی برای همه دستگاه‌های متصل خارجی عمل می‌کند و یک سری اسلات مانند PCIe برای مجموعه‌ای از دستگاه‌های توسعه‌دهنده مانند آداپتورهای شبکه یا گرافیک ارائه می‌دهد.

طراحی استاندارد مادربرد شامل 6 تا 14 لایه فایبرگلاس، ردهای اتصال و صفحات مسی است. این قطعات از توزیع برق و جداسازی سیگنال برای عملکرد روان پشتیبانی می کنند.دو نوع اصلی مادربرد عبارتند از فناوری پیشرفته گسترش یافته (ATX) و (LPX)  افزونه های Low-Profile.   

 ATX نسبت به طرح‌های قدیمی‌ فضای بیشتری برای تنظیمات I/O، شیارهای گسترش (expansion slots) و اتصالات شبکه محلی دارد. مادربرد LPX دارای پورت هایی در پشت سیستم است.

برای فاکتورهای کوچکتر، مادربردهای فناوری تعادل گسترش یافته، Pico BTX و مینی مادربردهای توسعه یافته ی فناوری اطلاعات وجود دارد.

پردازنده یا CPU:

CPU یا پردازنده یک دستگاه ریز‌مدار پیچیده است که به عنوان پایه و اساس تمام عملیات رایانه ای عمل می کند. این نرم افزار از صدها فرمان متصل به صدها میلیون ترانزیستور برای پردازش دستورالعمل های نرم افزاری سطح پایین یا میکروکد و داده ها و همچنین به دست آوردن یک نتیجه منطقی یا ریاضی دلخواه پشتیبانی می کند. پردازنده مستقیماٌ با حافظه کار می کند که هم دستورالعمل ها و داده های نرم افزاری را که باید پردازش شوند و هم نتایج یا خروجی آن عملیات پردازنده را نگه می دارد.

این مدار توابع اساسی مانند واکشی، رمزگشایی، اجرا و بازنویسی را که در یک سیستم محاسباتی رخ می دهد ترجمه و اجرا می کند:. چهار عنصر اصلی موجود در پردازنده عبارتند از: واحد منطق حسابی (ALU)، واحد ممیز شناور (FPU)، رجیسترها و حافظه کش (cache).

اغلب اوقات عبارات واحد پردازش مرکزی و پردازنده حتی اگر استفاده از واحدهای پردازش گرافیکی به این معنی باشد که گاهی اوقات ممکن است بیش از یک پردازنده در یک سرور وجود داشته باشد، با یکدیگر تعویض می شوند.

حافظه دسترسی تصادفی یا RAM:

RAM نوع اصلی حافظه در یک سیستم محاسباتی است. RAM دستورالعمل‌های نرم‌افزار و داده‌های مورد نیاز پردازنده مانند داده‌هایی که قرار است به یک دستگاه ذخیره‌سازی منتقل شوند را به همراه هر خروجی از پردازنده، نگهداری می‌کند. بنابراین، RAM با پردازنده  بسیار از نزدیک کار می کند و باید با سرعت و عملکرد باورنکردنی پردازنده مطابقت داشته باشد. این نوع حافظه سریع معمولاً RAM پویا نامیده می شود. چندین نوع DRAM برای سرورها موجود است.

RAM با سرعت و نوسانات آن تعریف می شود. RAM نسبت به سایر انواع ذخیره‌سازی داده عملکرد خواندن/نوشتن بسیار سریع‌تری را ارائه می‌دهد به این دلیل است که به عنوان پلی بین سیستم‌عامل، برنامه‌ها و سخت‌افزار عمل می‌کند. RAM نیز فرار است و با قطع برق از رایانه محتویات خود را از دست می دهد. از آنجایی که RAM برای ذخیره سازی موقت با کارایی بالا در نظر گرفته شده است، هنگامی که سیستم خاموش یا مجدد راه اندازی می شود، رایانه به ذخیره سازی دائمی یا غیر فرار برای برنامه ها و داده ها نیاز دارد.

تراشه‌های RAM معمولاً سازمان‌دهی شده و در ماژول‌هایی ساخته می‌شوند که از مشخصات ظاهری استاندارد پیروی می‌کنند. این امکان را فراهم می کند که حافظه به راحتی به یک سرور اضافه شود یا در صورت خرابی حافظه، به سرعت جایگزین شود. متداول ترین فرم فاکتور برای DRAM ماژول حافظه دوگانه درون خطی است . DIMM ها در ظرفیت ها و ویژگی های عملکردی بی شماری در دسترس هستند. یک سرور معمولی می تواند صدها گیگابایت حافظه داشته باشد.

هارد دیسک:

این سخت افزار وظیفه خواندن، نوشتن و موقعیت یابی هارد دیسک را بر عهده دارد که یکی از فناوری های ذخیره سازی داده ها بر روی سخت افزار سرور است. هارد دیسک (HDD) که در سال 1953 در IBM توسعه یافت، در طول زمان از اندازه یک یخچال به فرم فاکتورهای استاندارد 2.5 و 3.5 اینچی تبدیل شد.

HDD یک دستگاه الکترومکانیکی است که از مجموعه‌ای از صفحات دیسک انباشته شده در اطراف یک دوک مرکزی در یک محفظه مهر و موم شده استفاده می‌کند. این پلاترها می توانند تا 15000 چرخش در دقیقه بچرخند، و سرهای مختلف موتور هنگام رونویسی و ترجمه اطلاعات (به) و (از) هر پلاتر هدهای خواندن/نوشتن و تبدیل 0 و 1 های الکترونیکی به الگوهای مغناطیسی در صفحات واقعی و بالعکس را کنترل می کنند.

درایوهای دیسک از آنجایی که الگوهای مغناطیسی 0 و 1  به محض قطع برق از دستگاه ذخیره‌سازی به‌طور نامحدود روی پلاترها باقی می‌مانند مدت‌هاست که گزینه اصلی ذخیره‌سازی غیرفرار برای همه رایانه‌ها بوده‌اند. درایوهای دیسک با استفاده از یک رابط استاندارد مانند SATA، SAS یا iSCSI با مادربرد سرور ارتباط برقرار می کنند.

سرورهای مرکز داده همچنین از درایوهای حالت جامد (SSD) استفاده می‌کنند که در یک رابط استاندارد درایو دیسک مانند SATA یا SAS، صفحات مغناطیسی چرخان را با حافظه‌های قابل بازنویسی غیرفرار جایگزین می‌کنند. نتیجه یک دستگاه ذخیره‌سازی بدون قطعات متحرک است که تأخیر کم و I/O بالا را برای موارد استفاده فشرده داده به ارمغان می‌آورد. SSD ها گران تر از هارد دیسک هستند، بنابراین سازمان ها اغلب از ترکیبی از هارد دیسک و فضای ذخیره سازی حالت جامد در سرورهای خود استفاده می کنند تا نیازهای عملکرد منحصر به فرد بار کاری مختلف را برآورده کنند.

اتصال به شبکه یا LAN:

سرورها برای معماری های محاسباتی کاربر-سرور در نظر گرفته شده اند و حداقل به یک اتصال شبکه برای حفظ ارتباط بین سرور و مرکز داده LAN وابسته هستند. فن‌آوری‌های LAN از جمله Cambridge Ring, Ethernet, ARCNETو غیره برای اولین بار در دهه 1970 ظاهر شدند، اگرچه اترنت تا حد زیادی فناوری شبکه‌ای غالب است که امروزه در دسترس است.

اتصال شبکه در درجه اول با فناوری و سرعت پهنای باندش تعریف می شود. آداپتورهای اولیه شبکه اترنت از سرعت 100 مگابیت بر ثانیه پشتیبانی می کردند، در حالی که آداپتورهای اترنت امروزی می توانند به راحتی از 10 گیگابیت در ثانیه پشتیبانی کنند. سرورهای مدرن می توانند از چندین اتصال شبکه برای پشتیبانی از بارهای کاری متعدد مانند چندین ماشین مجازی، پشتیبانی کنند یا چندین آداپتور شبکه را با هم ترانک کنند تا پهنای باند بیشتری را برای بارهای کاری سخت سرور فراهم کنند.

شبکه‌ها برای مدیریت ارتباط بین برنامه‌ها تکامل یافته‌اند، اما ترافیک ذخیره‌سازی که کار خواندن و نوشتن داده‌ها بین برنامه‌ها و دستگاه‌های ذخیره‌سازی انجام می‌دهند می‌تواند به پهنای باند قابل توجهی نیاز داشته باشد. شبکه های ذخیره سازی اختصاصی مانند کانال فیبر (FC)، کانال فیبر روی اترنت (FCoE)، InfiniBand و سایر شبکه های ذخیره سازی برای اتصال سرورها به زیرسیستم های ذخیره سازی مرکز داده در دسترس هستند.

اتصال شبکه سرور از طریق افزودن یک آداپتور شبکه ایجاد می شود که می تواند به عنوان یک تراشه و پورت فیزیکی یعنی دو شاخه روی مادربرد و همچنین یک آداپتور شبکه جداگانه متصل به شکاف توسعه مادربرد مانند اسلات PCIe موجود باشد. یک آداپتور شبکه معمولی و آداپتورهای شبکه ذخیره سازی اختصاصی می توانند به طور همزمان روی یک سرور وجود داشته باشند.

منبع تغذیه:

همه سرورها به برق نیاز دارند و کار تبدیل برق AC به ولتاژ DC مورد نیاز دستگاه های الکترونیکی حساس سرور توسط منبع تغذیه (PS) انجام می شود. PS معمولاً یک زیرسیستم یا مجموعه (جعبه) محصور شده است که در محفظه سرور نصب شده است. AC از یک واحد توزیع برق (PDU) نصب شده در رک سرور به سرور متصل می شود. DC تولید شده توسط منبع تغذیه از طریق مجموعه ای از کابل های برق DC به مادربرد، دستگاه های ذخیره سازی و سپس سایر اجزای موجود در سرور توزیع می شود.

منابع تغذیه معمولاً بر حسب توان بر حسب وات رتبه بندی می شوند و یک سرور معمولی بسته به میزان و پیچیدگی دستگاه های موجود در سرور می تواند از 200 تا 500 وات (گاهی اوقات بیشتر)  استفاده کند. بخش اعظم این نیرو به صورت گرمایی که باید از سرور تهویه شود، دفع می شود. منابع تغذیه معمولاً شامل حداقل یک فن است که برای کشیدن گرما از سرور به داخل رک طراحی شده است، جایی که هوای گرم شده را می توان به طور موثر از رک و مرکز داده خارج کرد.

از آنجایی که منبع تغذیه کل سرور را تغذیه می کند، PS تنها یک نقطه خرابی در سرور است. قابلیت اطمینان سیستم را می‌توان با استفاده از منابع تغذیه با کیفیت بالا، منابع تغذیه با رتبه‌بندی بیش از حد (که می‌توانند برق بیشتری از نیاز واقعی سرور ارائه دهند) و منابع تغذیه اضافی که در آن منبع تغذیه پشتیبان می‌تواند در صورت از کار افتادن منبع تغذیه اصلی، کار را بهبود بخشد.

طراحی‌های سرور پیشرو از منابع تغذیه داخلی صرفنظر می‌کنند و به نفع DC عرضه شده در سراسر رک با استفاده از یک گذرگاه برق DC معمولی هستند. سرورها و شاسی‌های تیغه‌ای معمولاً از این نوع رویکرد استفاده می‌کنند، ولی عوامل سنتی شکل سرور شروع به استفاده از این طراحی کرده‌اند که متکی بر منبع تغذیه مشترک قرار گرفته در رک سرور یا شاسی تیغه است.

واحدهای پردازش گرافیکی یا GPU:

واحدهای پردازش گرافیکی (GPU) به طور سنتی قلمرو رایانه‌های شخصی بوده‌اند، اما سرورها شروع به استفاده از GPU برای عملیات‌های پیچیده و ریاضی مورد نیاز با تجسم، شبیه‌سازی و حجم‌های کاری فشرده گرافیکی مانند AutoCAD کرده‌اند. به طور مشابه، ظهور زیرساخت دسکتاپ مجازی نیاز به قابلیت های گرافیکی اختصاص داده شده به نمونه های دسکتاپ مجازی را به همراه دارد.

یک GPU شکل اختصاصی از تراشه‌های پردازشگر است که یک یا چند هسته پردازش گرافیکی را در خود جای می‌دهد که می‌تواند وظایف محاسباتی را که توسط نرم‌افزار گرافیکی زیرین هدایت می‌شوند، به اشتراک بگذارد. پردازنده های گرافیکی مانند NVIDIA M60 4096 هسته CUDA موثر را ارائه می دهند.

پردازنده‌های گرافیکی اغلب بر حسب ترافلاپ ها رتبه‌بندی می‌شوند که نشان‌دهنده توانایی GPU برای محاسبه یک تریلیون عملیات ممیز شناور در ثانیه است. هنگامی که تراشه GPU بر روی کارت گرافیک آداپتور قرار می گیرد، مشخصات اضافی مانند تعداد فریم در ثانیه و مقدار و نوع حافظه گرافیکی اختصاصی که گاهی به 32 گیگابایت حافظه GDDR6 می رسد را از حافظه سرور جدا می سازد.

سرورها معمولاً پردازنده‌های گرافیکی را از طریق یک کارت آداپتور گرافیکی نصب شده در یکی از شیارهای گسترش موجود سرور، مانند یک اسلات PCIe، ترکیب می‌کنند. آداپتور گرافیکی می تواند تا 300 وات برق اضافی نیاز داشته باشد و نیاز به اتصال برق DC جداگانه از منبع تغذیه سرور دارد. تقاضای برق بالا گرمای قابل توجهی تولید می کند که به استفاده از حداقل یک فن خنک کننده روی آداپتور گرافیکی نیاز دارد. اندازه بزرگ یک آداپتور گرافیکی کلاس سرور می تواند تعداد شیارهای گسترش  موجود در سرور را محدود کند.