這些系統採用的都是伺服器-用戶端模式。在這樣的架構中，其中有一個用戶端（如瀏覽器）和一個提供內容或蒐集資訊的伺服器。開始運作時，伺服器會被指派一個（或數個）IP位址，接下來伺服器軟體將會提供內容給用戶端。當某個新的「網站」成立時，伺服器軟體就會規劃專用的儲存空間和資源讓新的網站應用。基本上，如果負載呈現穩定狀態（即沒有很大的波動），一般情形下此模式可以良好的運作。舉例來說，假設我們知道伺服器每秒可以提供一千萬個網頁（假設擁有足夠可用的通訊頻寬），而且也知道每個網站的「頁面點擊率」，則可以計算出伺服器上的負載量，以便為客戶（代管和使用的客戶）維持最高的效能。

Web 2.0 的影響

如果所有的網站都是靜態內容（也就是說，它們的內容很少改變）時，這樣的模式可以良好地運作。線上字典就是最佳範例，線上字典只需要具備查詢單字的能力即可。這種應用的負載就相當容易估算出來。根據統計學的理論，不可能全世界的每個人都在同一個時間想要查詢「隨機的」的定義，你可以發現負載會隨著每天不同的時間而改變，但以全球的規模來看，任何時間總是會有人在進行查詢的工作。

網路通訊協定的工作原理是以伺服器開啟一個工作連線、接收內容，然後再結束工作連線，並將伺服器資源釋放以供其它任務使用，這個時候，內容就會直接呈現於瀏覽器中。因此，當查詢某個單字時，伺服器就會傳回該單字的定義和任何圖形，使用者便可以閱讀這些內容。而當使用者在閱讀瀏覽器的內容時，伺服器已繼續進行其它工作。

但是，現今的網路應用並非僅止於這類型靜態的內容而已。當使用者下載音樂影片時會發生什麼事？伺服器不再只是簡單地提供網頁，然後將資源釋放繼續提供其他服務。伺服器必須主動地將40MB的檔案從網路上移至使用者的電腦。在網頁中新增嵌入式播放器物件，伺服器將負責視訊串流處理（即時的），將影片傳送到用戶端。儘管如此，仍可對負載進行統計監控，而網站也會因這種情形的發生而隨之修改。隨著網站受歡迎的程度或瀏覽需求的增加，網站可以搬移到只能處理單一網域的專屬伺服器上。

這就是 Web 1.0的應用模式。但是當我們邁入 Web 2.0時代後，我們所面臨的問題在於大多數用戶端的工作都已經由伺服器端完成了。例如，Google Docs是一套完整的文件編輯和存檔系統，但這套系統存放在伺服器端。它會使用電腦的瀏覽器做為使用者介面的工具，但使用到用戶端的資源並不多。現在，當人們開始使用網路時，有更多的工作其實都是在後端的伺服器上運作。伺服器和用戶端之間產生更多的互動。除非經由某些方法以確保資源足夠，否則這種情形可能會造成伺服器負載劇烈的變化，造成效能的低落。

尋找解決方案

傳統用來確保網站不會超出負載的方式（一種能源效率不彰的方式），是對網站的網域提供所統計最大負載的資源。在大多數的時間內，這些伺服器大約只使用40至60％的資源，但在尖峰時段的負載將達到100％，但這樣的配置將可以確保該網站還是持續有效地運作。即使如此，我們會發現在大部分時間裡，伺服器並沒有以最大負載模式運作。這些伺服器只在部分時間運作，直到尖峰負載發生時才會以最大負載模式運作，但何時會發生尖峰負載通常不得而知。例如，新聞網站在平時任何時間都以正常流量運作，但是一旦發生重大事件，使得所有人都進來查看該事件的照片或影片，就可能會使網站負載過重。

要解決這個問題的最佳方法就是將伺服器「虛擬化」，也就是利用軟體的方式建立一個類似專屬的伺服器，而這個伺服器可以依據需求的變化，動態地調配對資源的運用。當高負載情形消失時，該軟體可藉由將多個網站合併到單一機器（現代刀鋒伺服器中的任何一片刀鋒），使得該伺服器小型化。而其它未使用的刀鋒可以設定為待機狀態，以大幅降低中心所耗用的電量。這個新的思維可以讓伺服器陣列降低能源成本，不僅可減少伺服器所消耗的電力，也降低了散熱所需的HVAC成本。

對伺服器的影響

虛擬化的概念確實讓資料中心和伺服器陣列朝「節能」邁進了一大步。虛擬化雖然降低了能源消耗，但卻使得軟體影響到硬體（反之亦然）。電力平均配置對於系統的硬體以及相關的基礎架構會造成哪些影響？

首先要查看的是刀鋒伺服器的電源供應器。典型的刀鋒伺服器具有兩個備用電源供應器，負責將輸入的供電轉換為直流匯流排。匯流排運行於整個基板（所有的刀鋒都插在基板上）的長度，而每一片刀鋒都具有自己的穩壓器，以提供正確的電壓和電流。在較大的系統中，直流匯流排的長度可能會和機架的高度相同，並為許多堆疊在其它刀鋒上方的刀鋒模組提供服務。

在設計電源供應器時，目標負載是一項重要的規格需求。這讓設計者在選擇元件時，知道要在何處放置轉換效率最高的元件。設計方程式可以提供這些元件的值，以便讓系統具有最大的運作效率。目標負載是一個固定值，因此負載提高或下降 （主要是下降） 時，將會改變效率曲線。如果在目標負載下的峰值效率為92％，則將負載降低至目標規格的25％時，可能會使效率下降至75％。

電源供應器的設計者突然間有了一個新的挑戰，必須提供高效率的電源供應器，而且其工作負載的範圍必須非常寬廣。現代的切換式電源供應器產品使用高功率的FET電晶體利用脈衝寬度調變（還有其它方法可以使用）來「切換」電源。這些技術的輸出是一個複雜的波形，其平均值為新的較低電壓。經由電感器和電容器組成的高功率濾波器可以平順輸出以提供乾淨的直流電壓。該輸出受到控制器的監控，並透過 FET 切換的修正，即使在負載以及輸入變化下，都可以保持穩定的輸出。

FET、電感器和電容器的選擇都必須符合負載規格，一旦在電路設計確定之後，就無法動態變更這些元件的數值。因此如果負載下降至低於設計目標時，系統中的能源將會因為這些元件的損失而損失。要解決這個問題的解決方案是建置一個多相轉換器。在高電流電源供應器中（例如那些使用在 PC 主機板上的電源供應器，用於提供核心電壓給處理器），建置三到四個電源供應器一起運作是非常普遍的情形，每個電源供應器輪流為負載提供電流。

這個拓樸的好處是當負載降低時，可以將某個相位關閉，並擴張其餘的相位，以涵蓋遺失的相位，如圖一。這會增加電源供應器的複雜度，以確保在減少或增加相位的轉換期間，輸出不會有所變動。所有電源轉換器會在接近峰值效率時執行或將其關閉。將此想法擴展到大型直流匯流排供應器，現在可讓刀鋒伺服器在廣泛的負載範圍中有效執行。然而，為了解決這些動態負載情形，電源供應器已經開始變得越來越複雜。

《圖一　相位縮減與負載的變動》

對基礎架構的影響

以電源供應器為例，負責傳遞資訊的通訊基礎架構也會受到影響。每一個刀鋒都會經由一個或多個Gigabit乙太網路連線與交換器進行通訊。位於伺服器和交換器中的實體層裝置會消耗許多瓦特的電力，並且會快速地增加。如果將某個刀鋒設定為待命模式，則PHY通常不會關閉電源（即保持其連結，但網路流量已停止）。在大多數情況下，PHY所消耗的能源並不會大幅降低，主要的原因在於它仍需要維持連結。即使伺服器端的PHY已關閉電源，交換器端的PHY仍必須保持開啟狀態，以查看連結的活動情形，這也需要消耗電力。

這個問題有幾種方法可以解決。當連結遺失或是故意將其設定於低電力狀態以降低能源消耗時，PHY可能會轉換到待命狀態。IEEE有一個工作團隊，名為802.3az工作小組。該工作小組的目標是要為新的PHY開發通訊協定，以便在因為使用率偏低而降低電力時，持續保持在連線的狀態。

另一種方法只要調節半導體製程本身即可。CMOS製程耗能與頻率為線性關係，並且與供應電壓成指數關係。

降低這些能源損耗已經存在一些方法，舉例而言，在PC處理器中就採用動態電壓調節（Dynamic Voltage Scaling）技術來降低耗能。美國國家半導體率先推出更現代化的技術，稱為可適性電壓定比（Adaptive Voltage Scaling；AVS），該技術可在 10 Gigabit base-T Teranetics TN2022的PHY中找到。

基本上，AVS技術可持續監控裝置的內部程序效能，並藉由調整供給電壓來自動向上或向下調節。相對於固定的供給電壓，採用AVS可節省20％到50％的能源。此外，它還可以即時彌補溫度和製程的變異（老化）。這項技術與其它技術的結合，可以顯著地降低基礎架構應用的電力消耗，並根據因伺服器加入或離開網路所導致的負載改變進行自動調整。

結語

除了上述的問題之外，還有什麼情形會出現嗎？Netbook的普及可以將使用者端的耗能降至最低，並將更多的資源回到伺服器。不久之後，這些電腦上只會配備非常少的軟體或是磁碟儲存裝置，大多數的軟體和儲存裝置將由雲端架構所提供。我們目前在個人電腦上常用的文件編輯及分享、簡報製作等等傳統應用軟體都將從個人電腦移到伺服器端。

同時，越來越多的虛擬遊戲正要開始流行。大多數用於遊戲的電腦都需要具備極高的運算效能，以呈現這些遊戲中栩栩如生的場景。這些虛擬遊戲也將移至伺服器端，只有即時的影片串流會傳送至用戶端電腦。這種架構可以讓性能較差的Netbook和其它電腦（包括例如iPhone這類手持式行動終端裝置）得以進行高效能的虛擬遊戲。

人類的行動需求和行動終端裝置的快速成長將會促使更多資源的需求回到資料中心和基礎架構上。隨著網路活動的快速變動，虛擬化將持續帶動節能措施，至於硬體的設計上，也需要找出新的方式來適應常常變化的負載。

---作者任職於NS美國國家半導體---