x86服务器技术革命 IBM eX5架构揭秘

　　众所周知，今天CPU的速度远远超过了内存、磁盘、网络等I/O系统的发展，使得I/O瓶颈在实际应用中越来越突出。特别是对于虚拟化、数据库等内存密集型的应用而言，更是如此。过去，为了减小内存瓶颈，获得更大的内存容量，用户往往需要购买多台服务器来满足需求，使得服务器越买越多，但CPU利用率都徘徊在20%以下。而今天，随着虚拟化、云计算等应用的发展，随着网络互联设备越来越多，随着数据量、交易量越来越大，服务器需要更多更快的内存，这一点已经成为包括IBM、英特尔、思科等厂商的共识。

　　3月3日，IBM公司在北京举行了其面向下一代X86服务器的eX5体系架构发布会，并现场展示了即将在月底英特尔Nehalem-EX发布之后推向市场的三款eX5服务器新品：4路服务器System x3850 X5、双路服务器System x3690 X5和刀片服务器BladeCenter HX5。

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eX5体系架构发布仪式

　　重新定义X86

　　IBM全球System x服务器总经理Adalio Sanchez出席了发布会。他谈到，今天X86服务器面对的整个应用环境正在发生前所未来的深刻变化，世界变得越来越智慧，数据量不断激增，工作负载不断增长，过去那种添加更多服务器的方法已经不能解决问题，IT基础架构必须也变得更加智慧，否则就无法满足未来的发展。因为x86服务器的蔓延已经带来了许多严峻的挑战，如85%的计算容量闲置未用，电力和冷却成本是12年前的8倍，管理成本更是占据了用户IT预算的七成。

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IBM系统与科技部System x全球总经理Adalio Sanchez

　　他表示，基于x86的PC架构已经有28年的历史，虽然形式上从个人电脑发展到塔式PC服务器，再从机架式服务器到刀片服务器，但x86服务器的本质还是PC，这一架构必须得跟上时代的步伐。为此，在过去三年间，IBM投入了全球的研发力量，总共花费了8亿美元，最终研制成功了新一代的企业级X架构:eX5！而且***将这一架构扩展到了刀片服务器和双路服务器上，不再局限于四路以上的高端产品。

　　据了解，eX5架构主要价值体现在三个方面：实现***的内存容量、降低成本和简化部署。IBM大中华区System x服务器品牌经理徐行现场介绍了eX5架构的五大创新之处，下面我们就来一探究竟：IBM是怎样重新定义X86的。

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　　eX5创新之一：MAX5内存扩展技术

　　内存是虚拟化、云计算和数据库等应用的关键瓶颈，但现有的X86服务器架构却限制了内存的扩展。以至强7000系列处理器为例，虽然每一代处理器的内核、缓存、主频，甚至微处理器架构都有发生变化，但每个内核所能访问的内存DIMM数却相当保守，如下表所示：

　　由于英特尔在Nehalem处理器中开始集成内存控制器，这可以大幅提升性能，但对于内存扩展也带来了一些新的挑战，比如扩充内存先要添加处理器，远端内存的访问性能显著降低，在某些情况下必须使用昂贵的大容量内存。为此，IBM对X86服务器架构进行了大胆的创新：将内存从传统的与服务器处理器紧密捆绑的局限位置中解脱出来，让内存的扩展可以独立于处理器！其方法就是eX5架构中最重要的一块：MAX5内存扩展技术。

IBM MAX5内存扩展单元，上有32个内存DIMM

现场展示的MAX5内存扩展单元

MAX5的关键技术就在于这个散热器下面的eX5芯片，其中包含内存控制器和探听过滤器

　　MAX5内存扩展带来的好处是显而易见的：支持的***虚拟机数量是竞争产品的两倍，支持更高的数据库性能，提高服务器利用率，允许用户用更便宜的内存硬件来满足特定内存容量需求，这么多的内存可以灵活发分配给多个CPU使用或者汇聚成一个内存池，软件许可证费用大大减少，另外，由于MAX5芯片中还集成了探听过滤器，可以更好的管理多个CPU内存与多个内存之间的数据冲突和延迟，提高内存访问性能。

　　比如，一台双路的x3690 X5机箱里本身就可以支持上下两块带有16个DIMM的内存板，即共有32个内存DIMM，如果再配上MAX5内存扩展单元(上有32个内存DIMM)，即一台x3690 X5最终可以扩展到64个DIMM;而如果通过QPI线缆将两台x3690 X5连在一起，形成四路系统，总共内存DIMM数就可以达到128条!

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　　eX5创新之二：eXFlash固态存储子系统

　　在一个向上扩展的多核系统中，数据存取的层次是CPU、缓存、内存、硬盘，越往外层，I/O越慢，因此，随着CPU的核心数量越多，CPU喂不饱的现象会更加严重，I/O因此成为多核计算之路上最重要的因素。

　　光解决了内存问题还不够，磁盘I/O也得跟上。eX5架构的第二大创新就是用更快的固态硬盘技术(SSD)来取代传统的机械硬盘。不过，跟其他厂商不同的是，IBM在eX5架构中不是简简单单把普通硬盘换成SSD硬盘了事，而是重新构建了一个包括8块SSD硬盘和带RAID功能的控制器在内的存储子系统，IBM将其命名为eXFlash。

　　如上图，在x3850 X5中，一共提供了8个硬盘位，可以支持8个2.5英寸的SAS普通硬盘，也可以插16个1.8英寸的SSD，甚至可以混搭使用，在不同硬盘上跑不同的应用。

　　eXFlash能带来什么好处呢?比如，某企业的业务部门需要30个100GB的数据库，每个数据库每秒要执行1.5万次I/O运算，即总的每秒要执行45万次I/O运算。如果用传统的机械硬盘存储方案，需要大量的硬盘，3年的硬件、管理 、电力和维护成本算下来要230万美元。显然，随着数据量的继续增长，这种方案很难维持下去。而如果使用SSD技术，由于性能可以提高几百倍，功耗只有1%，TCO成本可以节约97%。

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　　eX5创新之三：I/O虚拟化

　　在比硬盘更远离CPU的网络I/O层面，IBM的eX5架构也进行了创新：I/O虚拟化。

　　过去，X86服务器可选的网络带宽是1Gb或10Gb，没有第三种选择，而且10Gb还远没有普及，但在使用了IBM的Virtual Fabric技术之后，可以将10Gb网络带宽按应用负载进行灵活分配，每个10Gb端口可以虚拟出4个虚拟端口，而且支持以太网和光纤两种不同协议，从而不仅可以提升应用负载或虚拟机的网络性能，也可以大大减少适配器、交换机、线缆等数量，从而节省成本。

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　　eX5创新之四：IBM OnForever的可靠性

　　对于企业级服务器而言，无论是跑数据库、ERP等关键业务，还是用来做虚拟化整合，可靠性、可用性都是系统的生命。据介绍，IBM的eX5架构在这方面的价值主要体现在三个层面：

　　一是预测性故障告警，涉及CPU、内存、硬盘、风扇、电源和QPI线缆，通过监控分析这些部件的运行数据，将出错的风险扼杀在摇篮里。

　　二是多重内存保护技术，包括Chipkill内存(能够在DRAM模块发生故障后有效恢复正常运行)、Memory Protexion(在 Chipkill的基础上，还能纠正 DIMM上更多的位错误，以便提高数据的完整性)、内存镜像和内存备份(能够在发生不可纠正的内存或内存插槽错误时维护数据内容)、内存擦洗(通过内存梳理及时检测并恢复数据错误，提高系统的正常运行时间)。

IBM工程师在介绍x3850 X5上的内存单元

　　三是Node FailOver技术，两块刀片或两个机架服务器组成一台多路系统，可以扩展性能，当其中一块刀片或机架宕机，另一个系统可以接管应用负载，避免了节点层面的单点故障。 

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　　eX5创新之五：灵活扩展能力

　　虽然IBM此次只公布了三款产品，但借助FlexNode节点互联技术和MAX5内存扩展技术，可以进行非常灵活的组合，从而针对不同应用负载的需求，提供更有针对性的产品，具体如下图所示：

面向工作负载优化的扩展系统

工程师介绍将两个节点连接起来的QPI线缆

FlexNode技术让系统的分分合合更灵活

　　三款eX5新产品

　　IBM此番还披露了三款即将推出的eX5服务器的规格，包括4路服务器x3850 X5、双路服务器x3690 X5和刀片服务器BladeCenter HX5。不过，由于英特尔的Nehalem-EX处理器要等到3月底才发布，因此，这三款服务器的正式发布和上市时间也将等到月底之后。

IBM eX5服务器新品

　　下面我们再来看看，IBM的三款eX5新产品如何借助上述五大创新技术，来帮助用户***限度提高内存容量，***限度降低成本和简化部署流程。

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　　IBM System x3850 X5

　　4U高的四路机架服务器x3850 X5是IBM System x产品线中的旗舰产品，为计算密集型和内存密集型工作负载提供***的利用率、可靠性和性能。

    系统规格：

　　——4颗下一代 Intel Xeon Nehalem EX CPU

　　——64个DDR3内存，借助MAX内存扩展单元，最多96个内存

　　——6个开放PCIe插槽 (外加 2个可选插槽 )

　　——最多 8个2.5" SAS HDD或16个 1.8" SSD

　　——标配 RAID 0/1，可选 RAID 5/6

　　——2个集成千兆以太网

　　——可选 2个万兆以太网，支持 Virtual Fabric和FCoEE .

　　——可扩展到 8颗处理器、192个内存插槽(通过QPI线缆级联两套x3850 X5和MAX5) .

　　——内部 USB支持内嵌的虚拟化系统管理程序 .

　　——IMM、UEFI和 IBM Systems Director

　　***限度地提高内存容量

　　. 支持 64个处理器线程和 1TB内存容量，数据库和虚拟化性能分别是2插槽 x86 (Intel Xeon 5500系列 )系统的 3.3倍和 3.6倍

　　. 采用 MAX5内存扩展技术，可以多支持 50%的虚拟机和提供领先的数据库性能

　　***限度地降低成本

　　. 通过更多的内存插槽，使用成本相对低廉内存即可配置出需要的容量和性能

　　. eXFlash支持高达 48万内部 IOPS(每秒种输入输出操作 )，运行的本地数据库性能是采用传统硬盘的 40倍，而成本远低于磁盘系统

　　简化部署流程

　　. 灵活节点分区和节点自动故障切换技术，用于***限度地提高灵活性并且延长应用的正常运行时间

　　. 预定义的数据库和虚拟化工作负载引擎，用于实现快速部署与创收

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　　IBM System x3690 X5

　　高端 2路服务器、 2U、可扩展的服务器，内存容量是现有 2路服务器的 4倍，并且支持 2倍的处理内核，提供***的性能和内存容量。

　　系统规范

　　——2颗下一代 Intel Xeon Nehalem EX CPU

　　——32– 64个 DDR3内存插槽

　　——2个x8 PCIe插槽， 2个x8低位插槽

　　——最多 16个2.5" HDD或者 32个1.8" SSD

　　——标配 RAID 0/1，可选 RAID 5/6

　　——2个集成千兆以太网卡

　　——可选 2个万兆以太网卡，支持 Virtual Fabric和FCoEE

　　——可扩展到 4颗处理器、 64个或 128个内存插槽

　　——内部 USB支持内嵌的系统管理程序

　　——IMM、uEFI和 IBM Systems Director

　　***限度地提高内存容量

　　. 与两路 Intel Xeon 5500系列产品相比，多33%的处理器内核和 5倍的内存容量，在线交易处理能力提高 1.7倍，虚拟机数量提高 2倍

　　. 使用 MAX5内存扩展技术，可以在原有的系统基础上多支持 46%的虚拟机，并且提供领先的数据库性能

　　***限度地降低成本

　　. 只要支付 2颗处理器的软件许可与 2颗处理器购买成本，即可拥有只有在 4路系统上才能实现的内存容量

　　. eXFlash支持高达 72万内部 IOPS(每秒种输入输出操作 )，运行的本地数据库性能是采用传统硬盘的 40倍，而成本远低于磁盘系统

　　简化部署流程

　　. 灵活节点分区和节点自动故障切换技术，用于***限度地提高灵活性并且延长应用的正常运行时间

　　. 预定义的数据库和虚拟化工作负载引擎，用于实现快速部署与创收

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　　IBM BladeCenter HX5

　　可扩展的刀片服务器，让您在同一个平台上同时满足双路和四路处理器的需求，实施标准化管理以便加快创收，同时在高密度环境中提供***性能和***效率。

　　系统规范

　　——2个下一代 Intel Xeon Nehalem EX处理器

　　——16个 DDR3 VLP DIMM

　　——采用 MAX5内存扩展技术，可扩展到 2颗处理器、 40个内存插槽

　　——可以可扩展到 4颗处理器、 32个内存插槽，或者 4颗处理器、80个内存插槽

　　——每个节点最多支持 8个I/O端口和 2个 SSD

　　——可选的万兆 Virtual Fabric适配器，支持FCoEE

　　—— 内部 USB支持内嵌的系统管理程序

　　——IMM、uEFI和IBM Systems Director

　　***限度地提高内存容量

　　. 性能是目前双路服务器 (Intel Xeon 5500系列 )的1.7倍

　　. 采用 MAX5内存扩展技术内存可在 60mm宽度下扩展为 320GB，与竞争对手相比，每个处理器多支持 25%的虚拟机

　　***限度地降低成本

　　. 最多支持 80个内存插槽，可以使用成本更好的内存获得同样的容量，或者提供更好的性能

　　. 对于内存称为瓶颈的 VMware客户，大内存配置双路服务器可以帮助用户节省软件许可费

　　简化部署流程

　　. 通过单一平台来同时满足双路和四路服务器的需求，简化应用验证过程

　　. 无需更改物理配置，即可将 4路服务器分割成 2个双路服务器，或者提供自动故障切换