业内实测：基于SkyLake的14G有多强悍
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一只南美洲亚马逊河流域
热带雨林中的蝴蝶，
偶尔扇动几下翅膀，
可以在两周以后引起
美国德克萨斯州的一场龙卷风。
驱动整个行业技术变革的触发点
可能只是一个小小的组件，
比如NVMe SSD。
当采用PCIe x8通道的NVMe SSD
带来100万+ IOPS，
终于把CPU变成了瓶颈，
一场主流2U服务器风暴正在登陆中。
NVMe SSD的性能有多高？常见PCIe 3.0 x4通道的NVMe SSD，4KB随机读取性能接近80万IOPS已经不是新鲜事，采用PCIe x8通道的NVMe SSD更是可以获得100万+的IOPS。
风暴前兆 当CPU成性能瓶颈
性能高也有“烦恼”，比如我们突然发现CPU的性能不够了——硬盘时代，大家常说存储是系统的性能瓶颈，经过SATA SSD的过渡，PCIe到NVMe SSD，终于把CPU变成了瓶颈。提高CPU性能有两大手段：高主频与多内核。不管用哪个手段，最终都反应为能耗的一路攀升。今年7月刚刚发布的至强可扩展处理器（Xeon SP）功耗已经突破200W，比上一代的至强E5 v4高出近50%，对普遍采用风冷散热的通用服务器而言，结构设计的功力空前重要。
并且，NVMe SSD的性能发挥的前提是高速的PCIe通道。一个U.2接口的NVMe SSD需要PCIe x4，而每个至强SP提供48条PCIe 3.0通道，比前代提高20%。双路至强SP服务器共有96条PCIe 3.0通道，全部用上正好支持24个U.2的NVMe SSD，刚好对应主流2U服务器的24个前置2.5英寸盘位设计。即使考虑到PCH、网卡以及其他必要组件也要占用PCIe通道，实际上能支持的NVMe SSD数量不会有那么多，但CPU也未必吃得消啊……
考验服务器设计能力的时候到了，尤其是U.2 NVMe SSD的加入。一方面2U标准机箱内的高性能（通常意味着高能耗）组件更多，需要更好的散热设计；另一方面，如何去兼顾NVMe SSD的性能，同时继承双路服务器“多面手”的优良传统？
掀起主流2U服务器风暴
新处理器的推出必然带动新一轮服务器升级，在英特尔正式发布至强SP家族的当天，戴尔也同步推出了基于该系列处理器家族的第一波14G服务器，包括肩负更新主流2U市场重任的PowerEdge R740/R740xd。在2017戴尔科技论坛（DTF）举办之前，企事录实验室获得了一台配置诚意满满的Dell PowerEdge R740xd服务器：双路Xeon Gold 6130处理器（8张图速览新至强：Skylake架构、外貌与型号）、384GB DDR4-2666内存，双M.2 SSD配置的BOSS（Boot Optimized Storage Solution，优化启动存储方案）卡，（支持RoCE的）双端口25GbE网卡，以及最重要的4块U.2 NVMe SSD。
乍一看，作为新一代的R740xd跟以前的13G服务器好像没什么区别，但细看却大有不同。先看前面板，注意最右4块盘，就是高性能的U.2规格NVMe SSD，来个特写：
4块800GB的U.2 NVMe SSD，加上内部的Xeon Gold 6130处理器和384GB内存，让我们充满期待。
R740xd内部照，尾部的两个PCIe ×16插槽上各连接了一个扣着银色散热片的PCIe Card，这实际上是连接前面板U.2 NVMe SSD的PCIe扩展卡。
这是PCIe扩展卡的核心——基于PLX的PCIe Switch芯片，采用PCIe 3.0 x16接口，分为AB两个端口，每个端口是PCIe x8规格，支持两块x4的U.2 NVMe SSD。因此一块卡可以全速连接4块U.2 SSD。
Dell PowerEdge R740xd服务器中的U.2 NVMe SSD连接示意图，最大可支持12个U.2 SSD，或者最大24块SATA/SAS SSD或者HDD，亦或两者按比例混插。
再看看R740xd中的PCIe通道分配情况：
根据企事录手里的这台戴尔 R740xd服务器的配置，我们画了如上的示意图。
CPU1/2分别提供不同的PCIe扩展槽（其余的PCIe通道被PCH、板载网卡等周边设备所使用）：
红色框内的是将处理器原生的16X PCIe桥接成4个x4的U.2通道，一共可以支持12个U.2设备，图中的4块U.2是我们经过测试后优化布置的4块800GB的U.2 NVMe SSD，灰色的是可以扩展的空位；
绿色框是一块PCIe x8的H740p SAS RAID卡，通过磁盘仓背板的SAS Switch提供24个SAS/SATA盘位支持；
橘色框是新一代的25GbE网卡，同样也是PCIe x8的设备；
蓝色框是戴尔14G服务器中所提供的一个全新设计的BOSS卡，在一个PCIe板卡上提供2个M.2（SATA） SSD，支持RAID 1，用于提供高性能、低故障率的系统盘服务。
由此可见，尽管双路平台R740xd有96条PCIe通道，但仍有不够用的感觉，除了BOSS卡（x4）、H740p SAS RAID卡（x8）、25GbE网卡（x8）、PCH和板载网卡（10GbE和1GbE）之后，也仅给高速的NVMe SSD留下了48条PCIe通道可供使用，恰好满足12个NVMe SSD所需要的PCIe通道数。（选择PCIe卡桥接U.2相比板载U.2接口，灵活性更好。在服务器上将更多的PCIe总线留给扩展性更好的PCIe插槽，会方便用户的使用。）
在企事录实验室中的这台 Dell PowerEdge R740xd服务器配备了4块三星PM1725系列的U.2 NVMe SSD：
Dell PowerEdge R740xd服务器中所使用的NVMe SSD，800GB容量，属于三星PM1725系列：最大3.1GB/s带宽，4k随机读写IOPS分别为75万和12万。
突围200万TPM魔咒
数据库类应用是目前最能充分发挥NVMe SSD性能优势的企业应用场景之一，尤其是关键业务数据库。因为NVMe SSD具有很好的单位IOPS成本，又具有数据库类应用所需要高性能和低延迟。同时考虑到R740xd服务器配备了两颗英特尔Xeon Gold 6130处理器和384GB内存，具有很好的性能，所以企事录实验室首先部署了一个单实例的Oracle数据库环境，以此来评估这台PowerEdge R740xd的性能表现。
在构建好Oracle 12c数据库之后，考虑到R740xd中配备了384GB的内存，而4块NVMe SSD的容量之和为3.2TB，为避免大内存容量导致的数据库I/O性能虚高，企事录在创建数据库过程中稍微限制了Oracle所能使用的内存容量，即将SGA的内存容量限制为64GB，同时写入200GB的测试数据。稳定运行1小时之后，获得Oracle数据库性能：
在4块NVMe SSD下，配备Xeon Gold 6130处理器的R740xd服务器获得了172.5万的平均TPM，峰值TPM超过186万，接近200万TPM；平均TPS接近3万左右，峰值TPS超过3.2万，且平均响应时间仅为3ms。
单纯就性能而言，平均3万TPS的Oracle数据库性能已经接近了某些全闪存阵列的性能水平。但结合企事录实验室以往的测试经验来看，计算能力应该达到了瓶颈，毕竟Oracle数据库也是非常消耗计算能力的应用，从上图可以看到，R740xd的CPU占用率已经超过了80%。
尽管黄金版的6130处理器在至强SP家族中只处于中上游水平，但其结合NVMe SSD构建的单实例Oracle数据库性能已经接近上一代顶级至强E5-2699 v4处理器的性能。200万TPM对于双路服务器而言，似乎是一个不过逾越的难关，但在新一代Xeon处理器中却有望破除。
上图是在Oracle数据库测试过程中，从（Oracle Linux 7.4）操作系统上获得的截图，虽然有些核心的利用率为50%左右，但有些核心已经高达90%，从最上面的CPU History曲线来看，已经有部分核心的利用率接近100%，这应该是Oracle数据库性能无法进一步提升的瓶颈所在。
为了证实4块NVMe SSD并未达到性能瓶颈，企事录实验室利用Oracle数据库本身的命令行脚本测试了在1块SSD和4块SSD情况下，Oracle数据库随机读取的性能情况：
图上为1块NVMe SSD情况下，Oracle数据库的随机读取性能，接近42万IOPS，带宽在3.3GB/s左右，这基本是单个U.2版本PM1725的极限性能；图下则为4块NVMe SSD情况下，Oracle数据库随机读取性能高达170万IOPS，带宽约13GB/s。简单推算，随着NVMe SSD的增加，其IOPS性能是线性增长的。
这一测试结果基本可以确定并非NVMe SSD出现瓶颈，接下来，企事录实验室分别针对1、2、3块NVMe SSD下的Oracle数据库性能进行了测试，并结合4块NVMe SSD下的Oracle数据库性能：
分别在1~4块NVMe SSD作为数据库存储下，基于R740xd服务器构建的Oracle数据库性能表现，可见在2块NVMe SSD情况下，Oracle数据库已经获得最高性能，随着NVMe SSD的增加，其性能表现并没有明显变化。究其原因，即这台R740xd的两个Xeon Gold 6130处理器计算性能达到上限，如果使用更高计算能力的处理器，Oracle数据库的性能还有提升的空间。
在后续，企事录实验室将继续基于R740xd服务器进行测试Oracle数据库测试，但会将现在的黄金版6130处理器替换为铂金版8180，进一步发掘PowerEdge R740xd服务器的极限性能，敬请期待！
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“真枪实弹 单机竟然近300万TPM！”
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