Аудио, радио, диско: уроки музыки для серверной стойки06.10.2023 12:02

Если вы хоть раз были на экскурсии в дата‑центре, то наверняка запомнили длинные галереи сияющих стоек с серверным и сетевым оборудованием. Все, кто знаком с внутренним устройством стойки, также знают о понятии юнита — форм‑фактора для оборудования, которое монтируется в стандартную стойку.

Помимо работы в IT я увлекаюсь звукорежиссурой — и в сфере звука формат юнита открылся новыми гранями. Приборы обработки аудио закономерно унаследовали немало из области связи, в том числе и 19-дюймовый юнит. Но развитие звукового оборудования привело к тому, что юниты здесь зажили своей жизнью — и появились любопытные детали, которые могут заинтересовать даже инженеров дата‑центров.

Взглянем на историю юнита вместе с Антоном Кортуновым, экспертом по видеопроизводству и техлидом Yandex Infrastructure — команды, которая создаёт платформу для работы разработчиков Яндекса, от ЦОДов до внутреннего облака. И в конце покажем несколько параллелей с эволюцией этого формата в дата‑центрах.

Рождение юнита 100 лет назад

Временем появления юнита принято считать 1923 год, когда в созданном AT&T журнале Bell System Technical Journal появилась публикация Чарльза Демареста Telephone Equipment for Long Cable Circuits. Автор обобщает опыт использования стоек для такого телеком‑оборудования, как ретрансляционные модули — в больших инсталляциях их требовалось много, а место нужно было экономить. Предложенное решение позволяло сократить площадь занятого пола с 10 квадратных футов до полутора.

Bell System Technical Journal, 2: 3. July 1923, p.117.

Такая схема позволяла оптимизировать использование вспомогательных устройств: контрольно‑измерительных приборов, батарей и так далее. Например, авторы предложили конфигурацию стойки, в которой достаточно одной панели с вольтметрами и амперметрами на 120 ретрансляционных модулей. Экономили не только место, но и железо, даже в небольших инсталляциях.

Bell System Technical Journal, 2: 3. July 1923, p.118.

Первый опыт таких инсталляций позволил дать рекомендации по унификации модулей по размеру: длина устройства вписывается в пространство 19,5 дюймов, а высота кратна 1,75 дюйма. Здесь же видим знакомые нам монтажные «ушки», за которые крепятся устройства:

Bell System Technical Journal, 2: 3. July 1923, p.134.

А так выглядели несколько стоек в ряд: отдалённо напоминает современные коридоры с серверным и телеком‑оборудованием:

Bell System Technical Journal, 2: 3. July 1923, p.138.

Вскоре после этого, в 1925 году инженерные команды AT&T и Western Electric создали исследовательский центр Bell Telephone Laboratories и продолжили разработки в сфере телекоммуникаций и связи. Но их работа принесла плоды и новым рынкам: кино, ТВ и звукозаписи.

Первые усилители, компрессоры и магнитофоны наследуют стандарты связистов

Вклад инженеров связи в звуковое кино. Развитие звукозаписи в XX веке было тесно связано с развитием киноиндустрии. В 1920-е годы зарождалась эра звукового кино. В СССР созданные Тагером и Шориным «ТагеФон» и «Шоринофон» участвовали в создании первых звуковых репортажей. В Европе в те годы появилась система звукового кино Tri‑Ergon, а в США — Photokinema Орландо Келлума, Phonofilm Ли де Фореста и Теодора Кейса и другие системы, с помощью которых созданы первые короткометражки со звуком.

Прорыв в звуковом кино принято связывать с выходом фильма «Певец джаза» — полнометражной драмы с синхронизированной частичной озвучкой. Для проигрывания использовалась система Vitaphone cо звуком, записанным на пластинку.

Часть реплик в фильме всё ещё сопровождалась титрами, но были речевые и песенные эпизоды, где изображение синхронизировалось с музыкой, пением и речью. Над записью звука работал инженер Джордж Гроувз, который начинал свою карьеру в той самой Bell Telephone Laboratories. За год до этого вице‑президент Bell Telephone Laboratories Эдвард Б. Крафт презентовал разработку системы Vitaphone Нью‑Йоркскому обществу инженеров.

На фото- и видеосвидетельствах за спиной Крафта можно увидеть знакомый прообраз стойки:

Премьера фильма повысила интерес к звукозаписывающему и звуковоспроизводящему оборудованию со стороны киностудий. Поставщиками для них были всё те же телекоммуникационные компании вроде Western Electric и RCA.

Наиболее востребованными юнитами, которые монтировались в стойку, в первую очередь были усилители и предусилители. В начале XX века появились вакуумные трубки, связанные с такими изобретениями, как электронная лампа Флеминга и аудион де Фореста. Они позволяли усилить сигнал и способствовали дальнейшему развитию связи.

Трубки стали использоваться не только в ретрансляционных модулях, но и в первых усилительных системах кинотеатров, а также в ламповых радиоприёмниках — все эти приборы пока были тяжелыми и в больших инсталляциях надёжно монтировались в стойку.

Вклад инженеров связи в телерадиовещание. Чтобы улучшить качество передаваемого звука, инженеры экспериментировали с фильтрацией передаваемых частот. Для этого создавались электро‑механические эквалайзеры: одним из первых отдельных приборов такого рода считается RCA 8B, представленный в 1931 году.

Найти изображение самых первых эквалайзеров мне не удалось, но вот как они выглядели десятилетие спустя. 

В 1930-е годы зарождалось и телевизионное производство. Благодаря исследованиям инженера RCA Владимира Зворыкина появился иконоскоп — передающая телевизионная трубка. Права на изобретение выкупила немецкая Telefunken: она использовала наработки RCA для создания ТВ‑оборудования, которое работало на первой трансляции Берлинской Олимпиады в 1936 году.

Помимо передачи изображения Telefunken вложилась в усовершенствование передачи звука. В 1930-е годы создан Telefunken U3, который считается первым в истории динамическим компрессором. Такой компрессор выполнял техническую роль в процессе трансляции: он позволял избежать нарушений модуляции сигнала, которая использовалась в радиовещании для передачи звука на дальние расстояния.

Последующие модели компрессора от Telefunken стали использоваться на радиостанциях, а затем и в звукозаписи, поскольку способность компрессора сокращать динамический диапазон была полезна при записи громких сигналов.

Что интересно в контексте темы юнитов: размеры компрессоров Telefunken отличались от принятых в США стандартов, поскольку были созданы в соответствие с немецкими DIN. В дальнейшем для помещения такого оборудования в стандартную 19-дюймовую стойку использовались специальные модули. А на аудиофильских форумах периодически появляется вопрос, как смонтировать устройства Telefunken в стойку.

Студии звукозаписи в 1940-е и середине 1950-х: лампа и плёнка. В 1930-е годы в Германии появилась магнитная звукозапись в современном понимании. Это создавало большие возможности для записи музыки, речи и трансляции их по радио. Благодаря экспериментам музыкантов родилась идея многоканальной записи: в 1948 году Лес Пол использует технику наложения звука на плёнку для записи сольных пластинок. А в конце 1940-x компания Ampex представляет первые 3-дорожечные, а затем и 4-дорожечные магнитофоны.

Легенда гласит, что инженеры Ampex создали для Лес Пола первый 8-дорожечный магнитофон, который потребовал отдельной консоли для записи. Создать такую консоль помог молодой инженер Рейн Нарма. Удовлетворённый работой Лес Пол позже вновь обратился к Рейну с просьбой создать компрессор — и именно так в 1950-х появились Fairchild 660 и 670, знаменитые Variable‑MU‑компрессоры.

В те же годы EMI создала микшерную консоль REDD, тоже на основе вакуумных ламп, для студии Abbey Road. Затем появились консоли Universal Audio 610, которые предлагались как готовые решения для звукозаписывающих студий. Распространение таких консолей условно делило студийное звукозаписывающее оборудование на консольное и outboard — то есть, отдельные от консоли устройства, которые по‑прежнему монтировались в стойку. Но эти стойки уже не занимали центральное положение в студии и начали постепенно меняться.

Транзисторы, развитие концертного звука и появление новых стандартов

1950-е годы стали переломными для индустрии в связи с изобретением транзистора. Транзисторные усилители звука были мощнее, дешевле и компактнее, а также меньше нагревались. Это изменило сферу радиовещания: на массовом потребительском рынке с середины 1950-х годов распространились транзисторные радиоприёмники.

Вдобавок, это привело к появлению более удобных транзисторных консолей на студиях — первое такое коммерческое решение связано с консолями Руперта Нива.

Также транзисторные устройства позволили рок‑н-ролльным коллективам того времени с гораздо меньшими усилиями привозить и использовать собственную звукоусилительную аппаратуру для организации концертов и много экспериментировать со звуком.

Развитие мобильности звукового оборудования. Во многих музыкальных тенденциях того времени первопроходцами стали, конечно же, The Beatles. В 1965 году у группы прошло выступление на стадионе Ши, которое стало переломным с точки зрения звука на открытых площадках: такие концерты становились всё более массовыми, а усилительные системы явно не отвечали ожиданиям времени.

Это потребовало от звукоинженеров новых решений: так появились новые системы для фестивалей, где пионерами стали Чарли Уоткинс, а затем и Билл Хэнли, известный по Вудстоку. Там уже было не обойтись парой юнитов, понадобилась не одна стойка.

В ту же эпоху масштабные концерты стали транслировать по ТВ: в 1973 году состоялся прямой эфир шоу Элвиса Пресли Aloha from Hawaii, который был доступен в 18 странах мира.

Чтобы такие эфиры были возможны технически, использовались многолетние наработки спортивных трансляций. На шоу работали выездные телестудии, которые требовали много оборудования: отдельные консоли для аудиоинженеров и несколько стоек с телевизионными юнитами в кондиционируемом помещении.

У звукоинженеров крупных фестивалей появилось желание управлять звуком так же, как и в студии — с помощью консолей. Первая консоль для концертов появилась в 1960-е благодаря усилиям всё того же Чарли Уоткинса. Но рождение концертной консоли в современном прочтении связывают с появлением в 1974 году Soundcraft Series 1 — микшерного пульта, который был встроен в специальный кейс для удобной транспортировки.

Стандарты для новых способов транспортировки. С развитием коммерческой авиации для транспортировки звукового оборудования появилось ещё одно важное требование — нужно было проследить, чтобы устройства в целости и сохранности переживали полёты. Поэтому специальные кейсы для их перевозки стали стандартизировать. Ещё в 1960 году появился стандарт ATA Spec 300, который регламентировал устройство таких контейнеров.

Со временем кейсы стали делать уже с юнитами внутри, для перевозки outboard‑оборудования. Особенно актуально это стало в 1980-е: с развитием электроники для создания художественных эффектов гитаристы (да и другие музыканты) стали использовать действительно много оборудования, вмонтированного в стойку.

У артистов появилась потребность в лёгких кейсах‑трансформерах. Такие изобретения можно условно назвать портативными стойками: они позволяют перекатить оборудование на колёсах на концертную площадку, снять переднюю и заднюю панель и всё настроить. В сфере телетрансляций этот подход тоже прижился: с развитием мобильных телестудий такие стойки можно заметить и там.

Например, эти стойки использовались в студии трансляции Yandex Scale»23.

Портативные решения, где всё включено. С эволюцией дорожных кейсов появились модели сразу со встроенными PDU (power distribution unit), которые позволяют защитить устройства от перепадов напряжения. Довольно похоже на хорошо оборудованную серверную стойку —, но совсем в другом контексте.

В таких кейсах встречаются и встроенные устройства для охлаждения, что важно в контексте частых перемещений музыкального и ТВ‑оборудования, для которого не всегда можно организовать внешний воздушный поток.

Развитие электронной музыки потребовало нового уровня доступности и мобильности, что привело к появлению нового формата — 500-й серии. Изначально этот формат унаследован от приборов обработки из консолей API: звукоинженеры извлекали отдельные модули для создания кастомных инсталляций. API решила возглавить эту тенденцию и создала Lunchbox — портативное «шасси», куда можно было вмонтировать до 10 модулей и по доступной цене собрать свой собственный инструментарий из предусилителей, компрессоров, эквалайзеров и так далее. Но это уже была совсем не 19-дюймовая история.

А что насчёт эволюции серверных стоек 

Развитие стоек в сфере телекоммуникаций тоже не стояло на месте, и за столетие с момента появления 19-дюймового формата многое претерпело изменения.

Оборудование для связи прошло ту же эволюцию от ламповых ретрансляционных модулей до цифровой электроники. Но при этом у серверной стойки появилась своя «ветка» развития, связанная с ростом центров обработки данных. Вот как вкратце выглядели эти параллельные процессы развития.

Развитие стандартов. После публикации AT&T стандарт в сфере телекоммуникаций неоднократно пересматривался. Например, в 1992 году были пересмотрены расстояния между отверстиями для крепления вдоль юнитов (½″ + 5/8″ + 5/8″). Это произошло под эгидой Electronic Industries Alliance и было закреплено в стандарте EIA-310, на который ссылаются до сих пор.

С ежегодным увеличением объёма информации в мире для её обработки потребовались новые мощности. У гиперскейлеров — крупных сетей дата‑центров наподобие Google или Amazon — возникли новые запросы на повышение эффективности работы.

Такие компании начали видеть несколько ограничений в 19-дюймовом формате стоек:

• Несмотря на то, что EIA не задавали габариты самой стойки, стандартная стойка под 19-дюймовое серверное оборудование чаще всего имела ширину 600 мм и предусматривала свободное пространство сбоку для коммутации устройств: проще говоря, проложить все провода можно было именно сбоку.

  
  Фото из интернета для примера.
  Источник: Flickr, лицензия CC 2.0.

  Но если для телеком‑стоек такое решение оправдано, то для серверов с меньшим количеством кабелей это часто выглядело расточительно. Экономия пары дюймов на каждой стойке складывалась в приличные цифры в масштабах гиперскейлеров. 

• Вдобавок, запасные несколько сантиметров могли создавать проблемы с циркуляцией воздуха. Нужно было следить, чтобы боковые панели были надёжно закрыты и горячий воздух с тыльной стороны не проникал назад через возникающие сбоку щели.

Эти соображения привели в 2013 году к тому, что ассоциация гиперскейлеров Open Compute Project Foundation (OCP) предложила новый стандарт стойки — The Open Rack. Что интересного там появилось:

1. Фокус на быстрое и простое подключение. OCP предложили сделать у́же сами стойки: в них всё подключение к питанию предусмотрено в задней части с помощью специальной шины питания на 48В. Блоки питания при этом располагаются непосредственно в стойке, и провода питания больше не нужно подключать к серверу: достаточно подключить его к сети и можно использовать.

1. Повышение КПД дата‑центра. За счёт того, что блоки питания вынесены из серверов, можно делать резервирование по схеме N+1 вместо распространённой 1+1 — таким образом, каждый блок питания работает с лучшим КПД. Сам юнит поменял свои размеры: ширина увеличилась до 21″, а высота достигла 48 мм. Это способствует более эффективному охлаждению компонентов сервера, позволяет использовать бо́льшие по размеру вентиляторы и уменьшить при этом скорость их вращения. В результате экономится электричество на вентиляторах и снижается расход воздуха.

1. Наработки для безопасного переезда серверов. Новый стандарт предполагает и упрощение транспортировки. Общая жёсткость стойки увеличена, а некоторые производители даже оснащают их колёсиками. Подобные стойки можно собирать заранее, делать внутри всю коммутацию и затем быстро распаковывать и размещать в дата‑центре. Набитая серверами стойка может весить больше тонны, так что производителям приходится задумываться даже о такой простой вещи, как тара. К примеру, в коробке со стойкой передняя дверца может использоваться как откидной пандус.

   Это важно по неочевидной на маленьких масштабах причине: гиперскейлеры начали считать основной единицей всю стойку, а не отдельный юнит. Отсюда появилась необходимость заказывать у производителей стойку целиком и принимать её уже в собранном виде (немного напоминает историю гастролирующих музыкантов, правда?).

Стандарт в большей степени нацелен на потребности гиперскейлеров, но в контексте нашего разговора он интересен новым витком эволюции 19-дюймового стандарта. Посмотрим, куда это приведёт нас дальше.   

А если вы интересуетесь винтажным оборудованием и вдохновились столетней историей юнита, можно ещё заглянуть в первоисточники вот сюда:

© Habrahabr.ru