ПК vs Сервер: Сравниваем и различаем

Предназначение

ПК — персональный компьютер для личного использования. Технически любой смартфон, планшет и умные часы также относятся к ПК, однако в представлении большинства людей образ компьютера закрепился за десктопами и ноутбуками. Предназначение персонального компьютера — решение задач отдельного пользователя: вычисления, доступ в интернет, мультимедиа, игры, рабочая станция (workstation). Характеристики варьируются от персональных нужд: не имеет смысла ставить в ПК мощный 12-ядерный процессор с разгоном до 5 ГГц, чтобы работать в Word. Для этих задач подойдёт простой двухъядерный процессор, а оставшиеся деньги разумнее потратить на хороший диск, чтобы компьютер и программы запускались быстрее.

Сервер — это отдельный физический компьютер, спроектированный для выполнения тяжёлых специализированных задач с минимальным вмешательством человека и максимальной отказоустойчивостью.

Зачем нужен сервер

• Решение специализированных задач: анализ и планирование торговых операций, автоматизация управленческого учёта, разделение доступа к данным, хранение баз 1С и т. д.
• Запуск приложений с повышенными требованиями к ресурсам: сложное 3D-моделирование в BIM (Building Information Modeling), виртуализация, платформа для веб-сервера крупного интернет-магазина.
• Запуск приложений, которые не могут выполняться на одном компьютере (например, две конфликтующие версии одной программы).

Во многих крупных компаниях есть серверная, где 24/7 работает один или несколько физических серверов. ПК, напротив, в конце рабочего дня выключают. Не все бизнес-процессы останавливаются в течение недели: например, почта должна работать ночью и на выходных. Поэтому серверы выключаются только для ремонта или модернизации.

Сервер — в первую очередь сетевой компьютер, задача которого — распределение ресурсов для обычных компьютеров в своей сети. Если сеть небольшая, сервером может быть и обычный ПК: разница здесь в софте — серверная операционная система и дополнительные службы, которые тоже называют серверами (почтовые, web, DHCP и т. д.). С ростом сети мощь сервера должна пропорционально увеличиваться, и тогда понадобится серверное оборудование:

• Материнские платы серверов значительно больше за счёт избытка подключаемых интерфейсов и числа процессоров.
• Больше блоков питания: часто используются 2–3 блока с горячей заменой.
• Скоростное сетевое оборудование — у серверов проложены самые быстрые кабели и интерфейсы.
• Диски и память: серверные программы прожорливы, поэтому дисковая память измеряется десятками и сотнями терабайт, а оперативная — 32–128 и более гигабайт, причём с контролем ошибок ECC, непригодная для ПК.

Аппетиты сервера растут в зависимости от многих факторов, а цена увеличивается гораздо быстрее, поэтому часто серверы не покупают, а арендуют. Не каждое предприятие может позволить себе профессиональные кадры для настройки и круглосуточного сопровождения, а также серверную с идеальным микроклиматом для оборудования.

Материнская плата

Материнские платы серверного сегмента отличаются формфактором, чтобы подходить под специфические корпуса, и возможностью быстрой замены комплектующих. Большинство производителей серверного оборудования делают платы под конкретные корпуса для оптимизации занимаемого пространства и обдува компонентов.

На многих серверных платах установлены модули удалённого управления питанием, консоли и т. п. И конечно, на них не будет встроенного аудио 7.1 и ориентации на игры.

Процессоры

Серверные процессоры — практически точные копии своих десктопных аналогов: при производстве используются те же технологии и оборудование. Очень часто можно получить процессор с маркировкой Xeon, который является точной копией Core, но в 1,5–2 раза дороже. Секрет прост: при производстве Xeon ведётся более строгий контроль качества, больше продукции уходит в брак.

В чём разница между Xeon и Core i7? Разберём плюсы каждого семейства.

Intel Core i9/i7/i5

• Разгон. Разблокированные процессоры i5, i7 и i9 предназначены для разгона: они могут работать на более высоких тактовых частотах, чем рассчитаны, при правильном напряжении и настройках BIOS. У Xeon этой особенности нет.
• ГГц за доллар. За чистую гигагерцовую скорость за деньги i7 на LGA2011 (X299) и 1151 (Z390) каждый раз выходят на первое место, что делает их лучшим выбором для однопоточных приложений. Например, 8-ядерный i7-9700K с частотой 3,6/4,9 ГГц продаётся по цене около 300 долларов; сравнимый четырёхъядерный Xeon на этой частоте будет стоить на 50–100 долларов больше.
• Встроенная графика. Все Core i7 и i5 поставляются со встроенной графикой, поэтому дискретная видеокарта не требуется, тогда как ПК на Xeon не могут быть сконфигурированы без дискретного видео.

Intel Xeon

• Кэш-память третьего уровня. Большинство Xeon имеют 15–30 МБ кэша L3, что почти вдвое больше аналогичных i7, хотя разрыв сокращается с каждой новой архитектурой. Дополнительный кэш — одна из причин, почему Xeon намного быстрее в требовательных приложениях для рабочих станций.
• Поддержка ОЗУ ECC. Память с проверкой и исправлением ошибок обнаруживает и исправляет наиболее распространённые повреждения данных, устраняя причину многих сбоев. Только процессоры Xeon поддерживают ECC RAM.
• Больше ядер. Если приложениям требуется как можно больше ядер, Xeon — то, что нужно: масштабируемые Xeon работают с 24 ядрами (48 потоков с Hyper-Threading), в то время как даже у i9-9980XE — 18. Многопроцессорные конфигурации возможны только с Xeon.
• Срок службы под нагрузкой. Xeon способны работать с тяжёлыми и интенсивными нагрузками изо дня в день, что для серьёзной рабочей станции означает больший срок службы по сравнению с i7.
• Hyper-Threading по более низкой цене. Все Xeon поставляются с Hyper-Threading, по сути удваивающим число ядер за счёт виртуальных.

Оперативная память

Серверная оперативная память предназначена для бизнеса и профессиональных задач, где критически важны работа с данными и точность их обработки и передачи.

ОЗУ с ECC имеет очевидные преимущества: благодаря встроенному исправлению ошибок системы с ECC имеют намного меньше отказов. На практике это меньшая потеря данных, меньше сбоев и больше времени безотказной работы. Из-за дополнительной обработки ECC может незначительно снижать производительность — это вряд ли серьёзная проблема там, где на первом месте минимизация ошибок и максимальное время бесперебойной работы.

Ещё одна очевидная разница — цена: память с коррекцией ошибок стоит дороже обычной и поддерживается только на специализированных материнских платах и серверных процессорах, таких как Intel Xeon. В обычную материнскую плату её вставить можно, но она там не заработает.

ECC (Error-Correcting Code)

Позволяет исправлять некоторые ошибки в процессе работы оперативной памяти, в том числе случайные, возникающие под воздействием электромагнитных помех или высокоэнергетических элементарных частиц. Память без поддержки коррекции ошибок обозначается non-ECC.

ECC-модуль имеет дополнительные микросхемы — по одной на каждые 8 чипов: при одностороннем дизайне модуля задействовано 9 чипов вместо 8, при двустороннем — 18 вместо 16. В дополнительных чипах лежат контрольные суммы машинных слов. ОЗУ с ECC предотвращает однобитовые ошибки, обнаруживая и исправляя их.

Регистровая память (REG)

Регистр выполняет роль буфера между микросхемами памяти на модуле и контроллером ОЗУ. Это снимает электрическую нагрузку с контроллера и позволяет установить большее количество модулей на канал — поэтому максимальный объём памяти, поддерживаемый современными процессорами, достижим только с регистровой памятью.

Вся регистровая память в обязательном порядке поддерживает ECC; такие модули обычно маркируются ECC REG. Отличие памяти с ECC от регистровой — только в отсутствии микросхемы регистра и компоновке чипов на планке.

Накопители SSD и HDD

Жёсткий диск (HDD)

Состоит из круглого диска, на котором установлена система и записаны файлы. Диск вращается, рычаг чтения-записи двигается по нему и считывает или записывает информацию. Чем быстрее вращается диск, тем быстрее работает ПК: загружается система, открываются приложения, записываются и считываются файлы.

Из-за быстрого вращения жёсткий диск шумит и вибрирует, он массивнее твердотельного и чувствителен к вибрациям и ударам. Это более старая технология, поэтому жёсткие диски дешевле твердотельных в соотношении «цена за гигабайт».

Диски для серверов и для ПК

В персональных компьютерах и ноутбуках диск нужен для работы ОС и приложений, включая игры, и используется ежедневно всего пару часов. От корпоративных моделей ожидается, что они будут работать без перерыва и регулярно обслуживать запросы пользователей. Более быстрый доступ к информации обеспечивают диски уровня Enterprise благодаря особому внутреннему механизму: надёжность, моментальный отклик, высочайшая производительность. Основные виды: SAS Near Line и Enterprise; SATA обычные и Enterprise с поддержкой команд RAID-контроллера.

SATA хорошо подходит для объёмных хранилищ, где не нужна максимальная производительность. В ином случае лучше выбирать SAS: они обеспечивают полнодуплексный обмен данными, но требуют соответствующего контроллера. Обычные SATA для ПК не предназначены для серверов:

• невысокая стойкость к вибрациям;
• нет поддержки команд RAID-контроллеров;
• высокий уровень невосстанавливаемых ошибок.

Цена на SATA существенно ниже, чем на SAS, и их можно использовать под обычные задачи. Если важно сохранить скорость доступа к информации, специалисты рекомендуют серверные модели.

Твердотельный накопитель (SSD)

Более новая технология без движущихся частей: информация записывается на микросхемы памяти NAND. Чем больше микросхем, тем больше ёмкость. Главное преимущество SSD — заметное ускорение работы: замена старого жёсткого диска на SSD — один из самых простых и бюджетных способов апгрейда. Твердотельные диски меньше по габаритам и не так чувствительны к вибрациям и ударам.

Важен тип памяти — MLC, TLC или QLC. MLC быстрее и долговечнее, но дороже; TLC медленнее и выдерживает меньше циклов перезаписи, хотя средний пользователь вряд ли заметит разницу; самый доступный, но и самый медленный тип — QLC.

SSD для ПК и для серверов

Клиентский SSD в настольном ПК или ноутбуке обслуживает одного пользователя: даже при нескольких запущенных приложениях нагрузка периодическая, а в основном диск простаивает. Секундная задержка ответа либо не заметна, либо не критична. Серверы и СХД обслуживают множество пользователей одновременно, поэтому даже небольшая задержка от серверного SSD затруднит работу, а для сотен пользователей будет неприемлема.

Кэширование. Малое количество каналов у клиентских SSD до некоторой степени компенсируется кэшированием. Но при записи файла на 8–16 ГБ после наполнения небольшого кэша происходит резкое (в несколько раз) падение производительности, и до окончания записи диск удручающе медлителен: дальше производительность определяется количеством каналов контроллера, которое у клиентских дисков мало. Для большей эффективности кэширование организуется в два уровня:

• небольшой (мегабайты), но очень быстрый кэш на энергозависимой памяти DRAM;
• больший (гигабайты) кэш на износостойкой быстрой одноуровневой памяти SLC NAND.

Клиентские SSD могут совсем не иметь DRAM-кэша, а объём SLC-кэша у них обычно не превышает 8 ГБ. Для удешевления нередко применяется псевдо-SLC кэш — недорогие чипы многоуровневой TLC NAND со специальным ПО для ускорения, что даёт меньшую производительность и срок жизни диска.

SLC-кэш бывает статический и динамический (DSLC). Объём статического кэша составляет около 1 % от объёма SSD, но, как правило, не превышает 8 ГБ (для SSD на 480 ГБ — 4 ГБ); он скрыт от пользователя. В серверных SSD обычно применяют DSLC объёмом до 24 ГБ: если диск заполняется на 70 %, область динамического кэша становится доступной для данных, но кэширование прекращается. Алгоритмы кэширования производители не раскрывают — эффективность кэширования «горячих» данных сильно зависит от приложений и типа нагрузки.

Защита кэша от сбоев электропитания. Для ускорения работы в быстрой энергозависимой DRAM кэшируются таблицы адресации блоков (mapping tables) и блоки контрольных сумм ECC. Если количество изменений не превышает 10 % от объёма диска, блоки файлов не перемещаются, а лишь меняется их адресация в таблице; реальную перезапись производит только «уборка мусора» (garbage collection). При отключении питания данные из DRAM теряются, а потеря таблиц адресации может привести к полной потере данных SSD.

Защита DRAM-кэша реализуется суперконденсаторами: за счёт очень большой ёмкости они обеспечивают питание внутри SSD в течение нескольких секунд после пропадания внешнего — этого достаточно, чтобы переписать данные из DRAM в энергонезависимые чипы NAND. В отличие от клиентских, для серверных SSD защита от сбоя питания — важный и необходимый компонент, что и удорожает корпоративные твердотельные диски.

RAID-контроллер

RAID-контроллер — это плата или чип между операционной системой и накопителями, управляющий массивом RAID. Массив RAID — группа дисков, которые вместе действуют как единая система хранения; RAID — метод повышения производительности и надёжности, позволяющий хранить одни и те же данные на нескольких дисках. Контроллеры содержат инструкции и протоколы для выполнения этой задачи.

Конфигурации RAID-контроллеров

Плата контроллера. Аппаратный RAID на плате — обычный тип для систем начального уровня. Специализированная карта устанавливается в ПК или сервер, к ней подключаются диски массива. По сути, она заменяет хост-адаптер SCSI или контроллер IDE/ATA, взаимодействует с дисками по SCSI или IDE/ATA и отправляет данные остальной части системы по шине PCI. Некоторые материнские платы, особенно серверные, поставляются со встроенным RAID-контроллером — он работает так же, как отдельная плата, но снижает общую стоимость.

Внешние контроллеры. Автономные устройства для систем более высокого уровня: RAID-контроллер полностью выносится в отдельный корпус, управляет дисками массива и представляет логические диски серверу через стандартный интерфейс. Сервер видит массив как один или несколько очень быстрых жёстких дисков; RAID полностью скрыт от машины. По сути, такое устройство — целый компьютер с выделенным процессором, который управляет массивом и служит каналом между сервером и дисками.

Аппаратный и программный RAID

Преимущества аппаратных RAID-контроллеров

• Архитектура. Дороже программного RAID, но увеличивает производительность системы и не подвержена ошибкам загрузки.
• Кэш-память. Контроллер обычно предоставляет дополнительную кэш-память, ускоряющую операции RAID.
• Выделенная обработка. Контроллер управляет конфигурацией RAID независимо от ОС и не требует вычислительной мощности хоста, поэтому ёмкость и скорость выигрывают у программного RAID.
• Отсутствие ошибок загрузки. Программный RAID находится в ОС и подвержен ошибкам загрузки, которые могут поставить под угрозу весь массив; на аппаратный контроллер они не влияют.

Блоки питания

Блок питания формирует напряжение, необходимое компонентам, из напряжения электрической сети: в России — из переменного тока 220 В, 50 Гц в несколько низких значений постоянного тока (3,3 В, 5 В, 12 В и т. д.).

Отличие серверного БП от обычного — в специфике работы: серверные БП предназначены для бесперебойного функционирования 24/7, а к классическим блокам для офисных и домашних компьютеров такие требования не предъявляются.

Даже супернадёжный блок питания может выйти из строя, а чем дольше простаивает сервер, тем больше теряются данные и деньги компании. Отсюда второе отличие: серверный БП должен поддерживать горячую замену, чтобы неисправный блок можно было поменять, не отключая сервер от питания.

Система управления сервером

IPMI (Intelligent Platform Management Interface) — интеллектуальный интерфейс управления платформой. Через IPMI можно удалённо подключиться к серверу и управлять его работой:

• мониторинг физического состояния оборудования: температура компонентов, уровни напряжения, скорость вращения вентиляторов;
• восстановление работоспособности в автоматическом или ручном режиме: удалённая перезагрузка, включение/выключение питания, загрузка ISO-образов и обновление ПО;
• управление периферийными устройствами;
• журнал событий и информация об используемом оборудовании.

IPMI — полностью автономный компонент серверной платформы, который не зависит ни от операционной системы, ни от BIOS, ни от CPU. Можно удалённо перезагрузить сервер, если зависла ОС, или найти причину выхода из строя CPU в журнале событий. Управлять можно даже выключенным сервером — достаточно, чтобы он был подключён к электрической сети.

Спецификация IPMI стандартизирует интерфейс общения, а не конкретную реализацию в «железе», поэтому не требует специальных запатентованных устройств. Производители, придерживаясь спецификаций, разрабатывают собственные реализации, встроенные в серверные платформы:

Решения производителей отличаются наглядностью информации о состоянии оборудования, набором приложений для восстановления работоспособности при отказе комплектующих, возможностью собирать статистику по всем компонентам, в том числе подключённым через карты расширения PCI, NVM и т. д., а также применимостью не только в серверах, но и в обычных компьютерах через платы расширения PCI-Express.

Благодаря IPMI затраты на обслуживание серверных систем сокращаются, а жизнь системных администраторов становится проще: нет необходимости постоянного присутствия рядом с оборудованием — его работа контролируется удалённо по сети.

Итог: ПК и сервер по компонентам