这些系统采用的都是伺服器-用户端模式。在这样的架构中，其中有一个用户端（如浏览器）和一个提供内容或搜集资讯的伺服器。开始运作时，伺服器会被指派一个（或数个）IP位址，接下来伺服器软体将会提供内容给用户端。当某个新的「网站」成立时，伺服器软体就会规划专用的储存空间和资源让新的网站应用。基本上，如果负载呈现稳定状态（即没有很大的波动），一般情形下此模式可以良好的运作。举例来说，假设我们知道伺服器每秒可以提供一千万个网页（假设拥有足够可用的通讯频宽），而且也知道每个网站的「页面点击率」，则可以计算出伺服器上的负载量，以便为客户（代管和使用的客户）维持最高的效能。

Web 2.0 的影响

如果所有的网站都是静态内容（也就是说，它们的内容很少改变）时，这样的模式可以良好地运作。线上字典就是最佳范例，线上字典只需要具备查询单字的能力即可。这种应用的负载就相当容易估算出来。根据统计学的理论，不可能全世界的每个人都在同一个时间想要查询「随机的」的定义，你可以发现负载会随着每天不同的时间而改变，但以全球的规模来看，任何时间总是会有人在进行查询的工作。

网路通讯协定的工作原理是以伺服器开启一个工作连线、接收内容，然后再结束工作连线，并将伺服器资源释放以供其它任务使用，这个时候，内容就会直接呈现于浏览器中。因此，当查询某个单字时，伺服器就会传回该单字的定义和任何图形，使用者便可以阅读这些内容。而当使用者在阅读浏览器的内容时​​，伺服器已继续进行其它工作。

但是，现今的网路应用并非仅止于这类型静态的内容而已。当使用者下载音乐影片时会发生什么事？伺服器不再只是简单地提供网页，然后将资源释放继续提供其他服务。伺服器必须主动地将40MB的档案从网路上移至使用者的电脑。在网页中新增嵌入式播放器物件，伺服器将负责视讯串流处理（即时的），将影片传送到用户端。尽管如此，仍可对负载进行统计监控，而网站也会因这种情形的发生而随之修改。随着网站受欢迎的程度或浏览需求的增加，网站可以搬移到只能处理单一网域的专属伺服器上。

这就是 Web 1.0的应用模式。但是当我们迈入 Web 2.0时代后，我们所面临的问题在于大多数用户端的工作都已经由伺服器端完成了。例如，Google Docs是一套完整的文件编辑和存档系统，但这套系统存放在伺服器端。它会使用电脑的浏览器做为使用者介面的工具，但使用到用户端的资源并不多。现在，当人们开始使用网路时，有更多的工作其实都是在后端的伺服器上运作。伺服器和用户端之间产生更多的互动。除非经由某些方法以确保资源足够，否则这种情形可能会造成伺服器负载剧烈的变化，造成效能的低落。

寻找解决方案

传统用来确保网站不会超出负载的方式（一种能源效率不彰的方式），是对网站的网域提供所统计最大负载的资源。在大多数的时间内，这些伺服器大约只使用40至60％的资源，但在尖峰时段的负载将达到100％，但这样的配置将可以确保该网站还是持续有效地运作。即使如此，我们会发现在大部分时间里，伺服器并没有以最大负载模式运作。这些伺服器只在部分时间运作，直到尖峰负载发生时才会以最大负载模式运作，但何时会发生尖峰负载通常不得而知。例如，新闻网站在平时任何时间都以正常流量运作，但是一旦发生重大事件，使得所有人都进来查看该事件的照片或影片，就可能会使网站负载过重。

要解决这个问题的最佳方法就是将伺服器「虚拟化」，也就是利用软体的方式建立一个类似专属的伺服器，而这个伺服器可以依据需求的变化，动态地调配对资源的运用。当高负载情形消失时，该软体可藉由将多个网站合并到单一机器（现代刀锋伺服器中的任何一片刀锋），使得该伺服器小型化。而其它未使用的刀锋可以设定为待机状态，以大幅降低中心所耗用的电量。这个新的思维可以让伺服器阵列降低能源成本，不仅可减少伺服器所消耗的电力，也降低了散热所需的HVAC成本。

对伺服器的影响

虚拟化的概念确实让资料中心和伺服器阵列朝「节能」迈进了一大步。虚拟化虽然降低了能源消耗，但却使得软体影响到硬体（反之亦然）。电力平均配置对于系统的硬体以及相关的基础架构会造成哪些影响？

首先要查看的是刀锋伺服器的电源供应器。典型的刀锋伺服器具有两个备用电源供应器，负责将输入的供电转换为直流汇流排。汇流排运行于整个基板（所有的刀锋都插在基板上）的长度，而每一片刀锋都具有自己的稳压器，以提供正确的电压和电流。在较大的系统中，直流汇流排的长度可能会和机架的高度相同，并为许多堆叠在其它刀锋上方的刀锋模组提供服务。

在设计电源供应器时，目标负载是一项重要的规格需求。这让设计者在选择元件时，知道要在何处放置转换效率最高的元件。设计方程式可以提供这些元件的值，以便让系统具有最大的运作效率。目标负载是一个固定值，因此负载提高或下降 （主要是下降） 时，将会改变效率曲线。如果在目标负载下的峰值效率为92％，则将负载降低至目标规格的25％时，可能会使效率下降至75％。

电源供应器的设计者突然间有了一个新的挑战，必须提供高效率的电源供应器，而且其工作负载的范围必须非常宽广。现代的切换式电源供应器产品使用高功率的FET电晶体利用脉冲宽度调变（还有其它方法可以使用​​）来「切换」电源。这些技术的输出是一个复杂的波形，其平均值为新的较低电压。经由电感器和电容器组成的高功率滤波器可以平顺输出以提供干净的直流电压。该输出受到控制器的监控，并透过 FET 切换的修正，即使在负载以及输入变化下，都可以保持稳定的输出。

FET、电感器和电容器的选择都必须符合负载规格，一旦在电路设计确定之后，就无法动态变更这些元件的数值。因此如果负载下降至低于设计目标时，系统中的能源将会因为这些元件的损失而损失。要解决这个问题的解决方案是建置一个多相转换器。在高电流电源供应器中（例如那些使用在PC 主机板上的电源供应器，用于提供核心电压给处理器），建置三到四个电源供应器一起运作是非常普遍的情形，每个电源供应器轮流为负载提供电流。

这个拓朴的好处是当负载降低时，可以将某个相位关闭，并扩张其余的相位，以涵盖遗失的相位，如图一。这会增加电源供应器的复杂度，以确保在减少或增加相位的转换期间，输出不会有所变动。所有电源转换器会在接近峰值效率时执行或将其关闭。将此想法扩展到大型直流汇流排供应器，现在可让刀锋伺服器在广泛的负载范围中有效执行。然而，为了解决这些动态负载情形，电源供应器已经开始变得越来越复杂。

《图一　相位缩减与负载的变动》

对基础架构的影响

以电源供应器为例，负责传递资讯的通讯基础架构也会受到影响。每一个刀锋都会经由一个或多个Gigabit乙太网路连线与交换器进行通讯。位于伺服器和交换器中的实体层装置会消耗许多瓦特的电力，并且会快速地增加。如果将某个刀锋设定为待命模式，则PHY通常不会关闭电源（即保持其连结，但网路流量已停止）。在大多数情况下，PHY所消耗的能源并不会大幅降低，主要的原因在于它仍需要维持连结。即使伺服器端的PHY已关闭电源，交换器端的PHY仍必须保持开启状态，以查看连结的活动情形，这也需要消耗电力。

这个问题有几种方法可以解决。当连结遗失或是故意将其设定于低电力状态以降低能源消耗时，PHY可能会转换到待命状态。 IEEE有一个工作团队，名为802.3az工作小组。该工作小组的目标是要为新的PHY开发通讯协定，以便在因为使用率偏低而降低电力时，持续保持在连线的状态。

另一种方法只要调节半导体制程本身即可。 CMOS制程耗能与频率为线性关系，并且与供应电压成指数关系。

降低这些能源损耗已经存在一些方法，举例而言，在PC处理器中就采用动态电压调节（Dynamic Voltage Scaling）技术来降低耗能。美国国家半导体率先推出更现代化的技术，称为可适性电压定比（Adaptive Voltage Scaling；AVS），该技术可在 10 Gigabit base-T Teranetics TN2022的PHY中找到。

基本上，AVS技术可持续监控装置的内部程序效能，并藉由调整供给电压来自动向上或向下调节。相对于固定的供给电压，采用AVS可节省20％到50％的能源。此外，它还可以即时弥补温度和制程的变异（老化）。这项技术与其它技术的结合，可以显著地降低基础架构应用的电力消耗，并根据因伺服器加入或离开网路所导致的负载改变进行自动调整。

结语

除了上述的问题之外，还有什么情形会出现吗？ Netbook的普及可以将使用者端的耗能降至最低，并将更多的资源回到伺服器。不久之后，这些电脑上只会配备非常少的软体或是磁碟储存装置，大多数的软体和储存装置将由云端架构所提供。我们目前在个人电脑上常用的文件编辑及分享、简报制作等等传统应用软体都将从个人电脑移到伺服器端。

同时，越来越多的虚拟游戏正要开始流行。大多数用于游戏的电脑都需要具备极高的运算效能，以呈现这些游戏中栩栩如生的场景。这些虚拟游戏也将移至伺服器端，只有即时的影片串流会传送至用户端电脑。这种架构可以让性能较差的Netbook和其它电脑（包括例如iPhone这类手持式行动终端装置）得以进行高效能的虚拟游戏。

人类的行动需求和行动终端装置的快速成长将会促使更多资源的需求回到资料中心和基础架构上。随着网路活动的快速变动，虚拟化将持续带动节能措施，至于硬体的设计上，也需要找出新的方式来适应常常变化的负载。

---作者任职于NS美国国家半导体---