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作者IPSsunning2021-10-11 20:31
系统工程师, 浪潮商用机器有限公司

K1 Power服务器在医疗 HIS 系统的竞争优势及建议方案

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1 、医疗客户信息系统发展特点

   从 20 世纪 80 年代末到 90 年代初,计算机技术逐渐在国内医院投入使用。经过 30 年的发展,医院信息化建设取得了翻天覆地的变化,从最初的功能单一的单机应用已逐步发展为全数字化、全网络化、全关联化为主要特征的数字化医院。随着 5G 、物联网技术的普及和应用,未来医院信息化建设必将向着多元化发展的智慧医疗前进。

   从技术应用来看,基于分布式架构的云计算、大数据和人工智能等技术已在医疗行业取得广泛应用,这些技术的应用不但可以帮助医务人员提高诊疗效率及质量、为患者提供更加精准的医疗服务,同时也有力提升了患者的医疗体验。在此背景下,有些人认为分布式将很快会取代传统集中式,成为医院信息化建设的主流架构,但事实真的是这样吗?

2 、医疗核心业务系统特点

   如果我们对医疗行业及业务系统进行梳理,我们会发现虽然分布式架构在医院信息化建设中取得了很多应用,但目前绝大多数医院依然将以医院信息系统( Hospital Information System ,以下简称 HIS )为代表的核心业务系统部署在传统集中式平台之上。医疗行业客户之所以会做出这样的选择主要还是由于医院核心业务系统自身的特点所决定的。

   首先, 在医院众多的信息化系统中, HIS 作为最重要的医院信息系统,贯穿了业务流程的各个环节,起着核心支撑作用,包含财务、人事、住院、门诊、挂号、医技、收费、分诊、药品管理等多个子系统,是医疗服务和医院管理的核心。 HIS 系统最核心的作用是解决了费用管理问题,在诊疗过程中产生的所有费用都是通过 HIS 系统来收取的,其他包括临床系统, LIS 、 RIS 等医技辅助系统,药事管理等主要业务都需要根据 HIS 系统来对诊疗服务费用进行确认并提供相应的服务;同时 HIS 系统还与银行、医保、社保等系统互联,对患者的医保费用实时结算,是一个典型的具备数据强一致特性的交易类系统。而传统集中式架构的特点恰好可以对数据强一致性提供完美的支持,反之分布式系统由于自身架构的制约只能采用最终一致性的原则,这样很难保障数据的强一致性,因此并不适合这类业务场景。

   此外, HIS 等核心业务系统具有 7x24 小时不间断运行的特点,为保障业务连续性,各级医疗行业客户已经着手或正在规划核心系统灾备建设。而近年来随着业务规模的迅速扩大,各大型三甲医院纷纷建设新的院区,为了更好的分配资源、进一步提高业务连续性保障,很多三甲医院在原灾备建设的基础上提出建立双活数据中心的要求,即在不同院区同时建设两个规模相当、业务功能一致的业务平台组成双活集群同时对外提供服务,两个中心之间利用高可用技术实现数据的同步及冗余。通过双活中心的建设可以有效的保障业务连续性以及数据的完整性和一致性。

   由于客户需求的多样性要求业务基础平台必须能够支持多种灾备手段来满足客户的具体要求。而在传统集中式平台方面提供了包括系统层、存储层、数据库层乃至应用层等不同级别的灾备方案,可以支持包括双活、同步复制、异步复制等不同的灾备技术,可以灵活的满足不同医疗客户、不同业务系统的灾备需求。而分布式系统受自身架构特点所限,对于灾备方案的支持较为单一,通常为降低前端的业务延时,大多都采用异步复制技术来实现双中心之间的数据同步,在某个中心发生灾难时会产生数据丢失,难以满足医疗核心业务的灾备要求。

   通过以上分析不难看出目前绝大多数医疗客户依然坚持采用传统集中式平台来承载核心业务数据库完全是业务需求所决定的。

3 、当前医疗核心业务系统典型部署方式

   目前各级医院核心业务系统,包括 HIS 、 LIS 、 RIS 等等基本上都是采用物理机(数据库)和虚拟化(应用)相结合的部署方式。以 HIS 系统为例,基本上都是采用 2 台配置较高的服务器并连接共享磁盘存储、以物理机的形式组成高可用集群来运行核心数据库;采用多台中低端服务器做为应用服务器,其上通过虚拟化软件来整合计算资源并部署应用系统,上层通过云管软件来对虚机进行管理。

   在这种架构中,最核心的部分是由 2 台数据库服务器及 1 台共享存储组成的“核心层”,在系统规划和建设过程中重点需要考虑如何保障系统“核心层”的安全和稳固,一个高可靠、高稳定、高安全、易维护的运行平台将为核心业务系统的持续运行提供有力保障。

   目前医疗客户在核心业务数据库服务器硬件选型上主要分为两大阵营,一部分客户采用以 K1 Power 为代表的 UNIX 服务器,而另一部分客户则采用 x86 服务器。通常医疗客户在进行平台选型时主要从系统的兼容性、可靠性、稳定性、安全性、性能及总体成本等方面进行综合考虑,从以上这些方面的比较来看, K1 Power 服务器的优势还是非常明显的,所以目前很多医疗客户,特别是很多大型三甲医院客户依然坚持采用 K1 Power 服务器做为核心业务数据库平台。

4 、 K1 Power 服务器在医疗核心业务的应用优势

   无论从产品设计、技术指标乃至实际应用效果来比较, K1 Power 服务器在各方面都大幅领先 x86 产品,非常适合做为医疗核心业务基础运行平台。

4.1 、产品设计及制造工艺比较

    K1 Power 服务器在设计之初就是定位于面向各行业关键业务、大业务并发而设计的。在产品设计中采用了很多先进、定制化的技术和工艺来保障产品达到设计目标,从根本上保障了产品的可靠性及质量。

   而 x86 服务器在设计中更多的是从成本角度出发,大量采用低成本的标准工业部件,产品质量难以保障。例如

1) K1 Power 独有的 40 层大规模 PCB 混压主板,保证了高速信号在 CPU ,内存, I/O 以及加速器之间传递的稳定性,所有与高速信号走线层相邻的平面层都是地平面。更好的隔绝电子噪音造成的信号串扰、保障了系统整体可靠性;而 x86 服务器的主板大多采用 18-22 层主板,高速信号走线层是共享的,易造成信号串扰,稳定性较差。

2) K1 Power 在信号设计中大规模采用了 32Gbps 信号传输标准设计,全面保障高速信号在主板的传输;而 x86 服务器目前还停留在 25Gbps 信号标准,在业务高并发时会直接影响信号传输效率。

3) 电压调节模块 (VRM) 是服务器中 CPU 、内存等核心部件的供电模块, K1 Power 在 VRM 设计中的采用多通路独立开关方式,支持 N+2 冗余供电,当两个通路同时出现短路故障时可自动切断供电,并保障整机依然稳定运行;而 x86 服务器的 VRM 模块则缺少相关设计, VRM 模块一旦出现短路故障则有可能烧毁主板

4)服务器时钟信号是保障处理器、内存和 IO 等核心部件协同工作的前提, K1 Power 对时钟信号采用冗余逻辑设计,确保在单路时钟出现问题时,系统自动切换到备用系统时钟继续运行;而传统 X86 服务器在时钟信号出现故障时将立即宕机。**

4.2 、品质保障比较

   每台 K1 Power 服务器都要经过严苛的生产测试并达标后才能出厂,确保了产品的高质量;而 x86 服务器由于产品定位及成本考虑,产品测试标准保持较低的水平,产品质量难以保障。

K1 Power 与 x86 生产测试比较

K1 PowerX86
系统验证周期约900个测试周期约300个测试周期
稳定性测试72小时-7天48小时
斜面冲击试验增加了棱和突出物冲击测试,以保证产品运输包装完好、功能正常对前、后、左、右面各进行一次斜面冲击
运输堆码试验遵循ASTMD 4169,试验增加4.5倍的应力在运输、存储环境的包装可靠性遵循GB9813.3
热冲击测试每一块主板出厂前,将每块主板的测试条进行CITIC热冲击测试,测试经过了250度高温后,主板依然能稳定运行,保障每块主板在恶劣环境下的可靠性。IST热冲击测试仅采用抽检方式,测试温度只有150度
产品老化测试660余项测试程序确保每台生产的服务器覆盖率务保证100%,测试老化时间长达48时以上测试时间仅4小时

4.3 、可靠性和稳定性比较

   优秀的可靠性和稳定性是 K1 Power 的亮点之一,而且经过了大量成功案例的验证并得到了客户的广泛认可。 K1 Power 具有一套完整的故障检测及隔离机制,能够有效的捕获、纠正随机错误,对于绝大多数不可修复的错误也可做到有效的纪录及故障部件隔离,确保系统整体的可靠性和稳定性。

   K1 Power 的可靠性保障涉及产品设计、制造工艺、品质保障等等多个维度、覆盖系统各个层面,例如

Ø 通过高标准的生产工艺及流程、研发高品质主板、对整机结构和散热的创新设计、以及严苛的产品测试,降低故障发生的可能性;

Ø 独有的服务处理器( FSP )智能侦测并隔离潜在错误,利用首错数据捕捉技术定位随机性故障发生的业务环境;

Ø 在芯片、模块、固件、操作系统层面实现冗余设计,消除系统单点故障,实现故障监测、诊断、恢复、隔离/修复全流程自动处理,保证系统可用性达到 99.999% 以上。

Ø 在系统层面, K1 Power 具备强大的稳定性,在实际海量业务并发场景中, K1 Power 可以长时间保持计算资源 90% 的高占用而维持系统稳定运行,这在各行业客户实际生产中已经得到了充分验证;而对于 x86 平台资源占用超过 60% 通常就会严重影响系统的稳定性。

   再看 x86 服务器,出于节省成本的考虑而缺少体系化的故障检测和隔离措施,虽然 Intel 处理器提供了故障检测和隔离的支持,但如果需要实现则要求服务器厂商做出大量的开发及测试工作,目前国内各 x86 厂商在这方面投入很少。在实际生产中 x86 服务器通常仅能在硬件层面提供电源、散热等模块的冗余支持,而系统故障监测则更多的是依靠第三方专用监控管理软件来实现,而这通常也需要投入大量的开发和测试才能实现,对客户而言无论在成本还是时间上都难以承受。

4.4 、性能比较

   在性能方面, K1 Power 具有明显的优势,在单机处理能力方面的大幅领先包括 x86 服务器在内的其他服务器产品。

   首先, K1 Power 服务器采用最新一代 Power9 处理器。 Power9 处理器是目前功能及性能最为优秀的处理器产品,在各项技术指标上都大幅领先 Intel 处理器。 Power9 处理器最大线程数量是 Intel 处理器的 4 倍、三级缓存超过 3 倍、处理器互联带宽超过 7 倍、内存带宽和 I/O 带宽都超过 2 倍,优秀的技术指标可以为客户大并发业务提供有力的技术保障。

   此外 K1 Power 服务器提供了强大的扩展能力, K1 Power 企业级服务器最大可支持 176 个计算核心、 64TB 内存、 3.6TB/s 的内存带宽、 3TB/s 的 I/O 带宽,是目前综合性能最强大的关键业务服务器。在实际测试中, 1 台配置 44 个计算核心的 K1 Power 服务器在运行 Oracle 等主流数据库场景下性能达到千万 TPS 、大幅领先 x86 平台,平均每个 Power9 计算核心的性能超过 x86 平台近 4 倍。

4.5 、使用方式比较

    在设备使用方面, K1 Power 可以提供包括物理机、动态逻辑分区( DLPAR )和虚拟化等不同的使用方式,灵活的满足不同业务需求。在医疗行业,目前大多数客户依然采用物理机的形式,通过部署双机高可用集群来支撑核心业务数据库系统。这种使用方式的优势是具有较高的可靠性、稳定性及业务隔离性,但也存在资源浪费、重复投资的情况,而通过 K1 Power 所提供的动态逻辑分区方式可以有效的帮助客户解决这些问题。

   动态逻辑分区是 K1 Power 所独有的一项分区技术,可以帮助客户方便对业务系统进行整合,降低项目建设成本、简化维护压力。通过动态逻辑分区技术可以将 1 台 K1 Power 服务器划分为多个独立的分区,每个分区分配有独立的硬件资源,包括 CPU 、内存、磁盘、网卡、 HBA 卡等,每个分区部署独立的操作系统、数据库和上层应用,可以分别与不同的业务应用系统对接,做到了业务的有效隔离。通过该技术客户完全可以将包括 HIS 、 EMR 、 LIS 、 PACS 等业务系统数据库部署在一套 K1 Power 双机集群上,充分利用 K1 Power 的高可靠、高稳定、高扩展等特性来为众多核心业务打造一个放心的基础平台。
   同时动态逻辑分区技术还可以实现硬件资源的灵活调配,客户可以根据不同分区的资源使用情况进行动态资源调配。例如当某个分区处于业务高峰期、出现资源紧张的情况时,可以从资源相对空闲的分区调配硬件资源来保障业务的正常开展,而资源调配过程是在线进行的,不会对业务产生影响。

   同时 K1 Power 也支持虚拟化使用方式,通过虚拟化技术可以实现业务环境快速部署,进一步提高资源的使用率和灵活性。

   而 x86 服务器只能提供物理机及虚拟化的使用方式,使用灵活性较差,难以实现多业务系统的整合及隔离,不同的业务系统只能单独建设,这样就不可避免的会出现重复投资的情况,同时也增加了维护压力。

4.6 、安全性比较

    K1 Power 服务器的定位是承载客户关键业务,系统安全性是服务器设计的重要一环, K1 Power 采用了多维度措施来保障系统安全,主要包括以下三个层面

1)底层硬件

    从系统底层硬件入手进行设计和改造,从根本上保障系统安全

Ø 独有的 Secure Boot 固件技术,保障固件代码不被恶意篡改;

Ø 受信任的平台模块 (TPM) 签名

Ø 最高标准 Hash 加密算法实现外置硬件安全模块 (HSM)

Ø 支持国产可信计算模块,符合国家可信计算标准

2)操作系统

    为 AIX 操作系统定制开发了 SSR 加固软件。 SSR(Server Security Reinforcement )是浪潮具有自主知识产权的“操作系统安全增强系统”,是具备国家等保三级认证的系统安全解决方案

    此外浪潮商用机器有限公司还针对有特殊需求的客户,为 K1 Power 专门开发了国产 UNIX 操作系统 K-UX ,满足客户全国产平台建设的需求。 K-UX 操作系统也通过了国家等保三级认证

3)虚拟化软件

   K1 Power 采用 PowerVM 虚拟化软件为客户提供灵活的 IaaS 层云管方案。 PowerVM 集成在 K1 Power 微码层,是目前运行效率最高、最安全的虚拟化软件产品。

   在性能方面, PowerVM 自身占用较少的系统资源( <5% ),对系统的影响可以几乎可以忽略不计;而其他虚拟化软件自身占用资源超过 15% ,对业务的影响较大。

   在安全性方面, PowerVM 是唯一在第三方权威机构测评中没有发现安全漏洞的虚拟化产品,为上层业务安全提供了有力保障。而 x86 平台所采用的虚拟化产品例如 Vmware 、 Xen 、 Hyper-V 等都存在大量安全漏洞,对系统安全造成了很大的隐患。

4.7 、维护性比较

   K1 Power 服务器提供了便捷的体系化管理维护措施,可以帮助客户通过带内、带外不同方式对系统进行维护和管理,客户可以通过专用管理控制台( HMC )、桌面 vhmc 、 KVM 、笔记本终端等不同方式来对服务器进行管理。在产品设计上, K1 Power 服务器提供了丰富的冗余和保护功能,例如磁盘可以支持包括 RAID 0/1/5/6/10 等不同级别保护、电源和风扇提供 N+1 或 N+M 保护,而且都可以实现在线维护和更换;在企业级服务器上除了以上功能之外,还支持 VRM 冗余和故障切换、链路故障监测及切换、 I/O 设备的在线维护和更换等,减少了因部件故障造成的停机时间,减轻了客户的运维压力。

   K1 Power 具有体系化的 RAS 特性和便捷的维护手段,可以显著降低客户的运维压力,主要包括:

• 处理器指令重试

• 备用处理器恢复

• Chipkill 内存

• 内存 DRAM 备用

• 动态三级缓存列修复

• 动态处理器重新分配

• 冗余热插拔电源

• 热插拔 SAS 托架

• 热插拔 PCIe 插槽

• 逻辑分区和 PCIe 总线插槽动态重新分配

• PCIe 插槽上的扩展错误处理

   通过以上 RAS 特性可以覆盖系统底层硬件、链路等各个方面、实时抓取和汇总系统出现的错误信息,并可以自动修复其中绝大部分系统报错。所有信息将汇总到日志文件,客户可通过 ASMI 接口或操作系统来查询日志,随时掌握系统的运行状态。

    在软件方面, K1 Power 所采用的 AIX 操作系统提供了丰富的日志、协议和接口,可以和主流第三方监控软件结合使用,实现系统资源和状态的实时监控、风险及时告警及信息的远程推送等功能,便于客户建设整体、统一、便捷的管理大平台。

    而 x86 服务器提供的运维手段有限,同时为降低成本产品自身的可靠性和稳定性相对较低,对客户的运维会造成较大压力。

4.8 、客户投资保障比较

   在保护客户投资方面,采用 K1 Power 也具有较为明显的优势。 K1 Power 服务器产品在整体设计、制造工艺、品质保障、系统性能等方面都具有明显的优势,产品也具有较长的生命周期。通常 K1 Power 服务器的生命周期可达 5-8 年,有很多客户使用甚至达到 10 年以上。在这期间,浪潮商用都能为客户提供持续的系统升级、备件及服务支持,可以更好的保护客户投资。

  而受到上游 x86 处理器厂商产品策略的影响, x86 服务器的产品迭代周期很短,通常 2-3 年就要完成一次服务器换代。频繁的产品换代对客户的影响较大,最直接的影响就是备件难以为继(有些情况下, Intel 或备件厂商会主动停产一些部件来迫使客户进行升级),这导致客户的 x86 服务器产品在后续的升级及服务很难得到保障。

5 、医疗核心业务场景建议方案

  目前 K1 Power 已在医疗行业取得了大量成功应用,根据我们的经验,按不同的医院规模提出以下方案建议

5.1 、省及市属大型三甲医院或专科医院建议方案

   针对省及市属大型三甲医院或专科医院进行数据库服务器选型时,建议采用 2 台 K1 Power E950 数据库服务器。 K1 Power E950 服务器是浪潮商用机器有限公司生产的企业级 UNIX 服务器产品,具备优秀的综合性能、可靠性及扩展性,是目前国内应用最为广泛、市场占有率最高的 UNIX 服务器产品,在医疗行业也有大量的客户群体。

    K1 Power E950 服务器最大可以支持 4 颗 Power9 处理器,处理器规格包括 8 核、 10 核和 11 核心,即最大可支持 44 个计算核心,内存带宽最大可达 920GB/s ,最大支持 16TB DDR4 内存, 51 个 PCIE 插槽, PCIE 带宽最大可达 640GB/s ,最大分区数量可达 880 个,具备强大的综合性能、扩展性及多平台整合能力,非常适合做为客户关键业务服务器。

    在存储方面建议采用 1 台浪潮全闪存储产品 HF6000G5 做为共享存储。浪潮存储产品在目前国内市场增长率排名第一、出货量排名第二,得到了客户的广泛认可。 HF6000G5 最大可以支持 16 个控制器,每控制器最大支持 2 颗 16 核心处理器、 1.5TB 缓存,支持 Optane 、 NVMe SSD ,最大支持磁盘数量 2400 块;在软件方面支持 InRAID 、智能精简、异构虚拟化、数据分层、在线重删、数据压缩、快照、克隆、远程复制、双活、智能缓存加速等功能,可为客户关键业务数据提供有力保护及灵活的灾备手段。

    除了全闪存储之外,浪潮还提供混闪磁盘存储,例如 AS5800/5500G5 ; SAN 交换机等产品,为客户提供更多选择。

5.2 、其他三甲或专科医院建议方案

   针对其他三甲或专科医院的方案选型,建议采用 2 台 K1 Power S924 做为数据库服务器、 1 台浪潮 AS5800G5 做为共享存储。

    K1 Power S924 服务器属于中端产品,最大可以支持 2 颗 10 核心的 Power9 处理器、 4TB 内存、 26 个 PCIE 插槽,具备优秀的综合性能,完全可以满足一般医疗客户的关键业务需求。 K1 Power S924 在医疗行业同样也有大量应用案例。当然如果客户有多业务整合的需求,建议优先考虑采用 K1 Power E950 产品。

   在存储方面浪潮 AS5800G5 存储最大可支持 16 个控制器,每控制器最多配置 2 颗 16 核处理器、 1.5TB 缓存,可支持 2.5 寸 /3.5 寸 SAS 磁盘、 2.5 寸 SSD 盘,最大支持磁盘数量可达 2500 块。同时根据不同的客户需求,我们还提供 AS5500G5 , SAN 交换机等产品供客户选择。
客户群体角色型号参考配置数量(台)
省及市属大型三甲医院数据库服务器K1 Power E9504颗8核Power9 CPU、512GB内存、4*600GB SAS磁盘、2块4口复合网卡、2块16Gb HBA卡、AIX7.2标准版、PowerVM虚拟化软件2
存储HF6000G5双控制器,1TB缓存、4口SAS卡、16Gb HBA卡、2U25扩展柜、12*1.92TB SSD盘;按需配置智能精简、异构虚拟化、数据分层、在线重删、数据压缩、快照、远程复制、双活等功能1
SAN交换机FS8720/860024端口激活,配置32Gb/16Gb SFP模块、标配zong和集联功能2
其他三甲及专科医院数据库服务器K1 Power S9242颗10核Power9 CPU、256GB内存、2*600GB SAS磁盘、2块4口复合网卡、2块16Gb HBA卡、AIX7.2标准版、PowerVM虚拟化软件2
存储AS5800G5双控制器,512GB缓存、4口SAS卡、16Gb HBA卡、2U25扩展柜、121.92TB SSD盘或122.4TB SAS盘; 按需配置智能精简、异构虚拟化、数据分层、在线重删、数据压缩、快照、远程复制、双活等功能1
SAN交换机FS8720/860024端口激活,配置32Gb/16Gb SFP模块、标配zong和集联功能2

6 、总结

   通过以上分析和比较不难看出 K1 Power 服务器在可靠性、稳定性、综合性能、安全性、扩展性及维护性等各个方面全面领先其他服务器产品,是承载医疗核心业务系统的理想平台。为助力医疗客户信息化健康发展,浪潮打造了以 K1 Power 为核心的,包括存储、 SAN 交换机在内的整体解决方案,为客户提供一站式服务。目前 K1 Power 在国内医疗行业客户装机量超过 200 家,得到了客户的广泛认可;同时浪潮也在研发基于 Power10 处理器的新一代 K1 Power 产品,新产品将在功能、性能及客户体验方面达到一个全新的高度,我们也将与医疗行业客户、各级合作伙伴一起携手为打造一个坚实可靠、性能卓越并可持续发展的优秀平台而共同努力!

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