后摩爾定律時代的計算力破局

萬物互聯(lián)、人工智能等技術(shù)的成熟正在重構(gòu)我們的生活方式，數(shù)據(jù)將以前所未有的速度累積增長，今后的智能設(shè)備數(shù)量會越來越多，體積越來越小，重量越來越輕。相應(yīng)的，通過物聯(lián)網(wǎng)，這些設(shè)備會把各式各樣的數(shù)據(jù)源源不斷地傳輸?shù)胶蠖说臄?shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)來源的多樣性、格式的復(fù)雜性和語義的不確定性，都將導(dǎo)致后端的計算量越來越大，對計算力的要求也越來越高。

當(dāng)摩爾定律逐漸失效

過去的半個世紀，得益于半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，在摩爾定律的驅(qū)動下，計算力一直保持著大跨度的發(fā)展。1956年，英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾提出，集成電路的集成度每兩年會翻一番，后這個周期縮短到18個月，微處理器的性能每隔18個月提高1倍。

然而，硅芯片已逼近物理和經(jīng)濟成本上的極限，各界紛紛預(yù)測，摩爾定律在不久的將來面臨失效，半導(dǎo)體工藝升級帶來的計算性能的提升不能再像以前那么快了，每一代制程工藝的研發(fā)和成熟需要的時間將越來越長。制程發(fā)展減緩，新的替代材料和計算方式還未成熟，想要追求更高的計算力，可以從兩個方向發(fā)展。

一個方向是向內(nèi)，借助服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)化，打破數(shù)據(jù)讀取瓶頸，從而提升單機計算力。當(dāng)前，服務(wù)器普遍采用的是馮諾依曼架構(gòu)，即計算和存儲分離，而CPU的處理速度和數(shù)據(jù)的讀取速度卻無法匹配。縱觀整個計算史，處理最緩慢的一部分就是從硬盤獲取數(shù)據(jù)，很多處理性能都浪費在了等待數(shù)據(jù)到達上，數(shù)據(jù)存取問題成為目前提升計算速度的第一大難題。

另一個方向是向外，橫向堆積更多的計算單元，提升數(shù)據(jù)中心的整體計算力。計算單元的堆積意味著數(shù)據(jù)中心內(nèi)的服務(wù)器設(shè)備越來越多，數(shù)據(jù)中心規(guī)模越來越大，但是這又會帶來功耗、散熱和運維管理的挑戰(zhàn)。根據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)Synergy Research發(fā)布的數(shù)顯示，全球服務(wù)器保有量超過5萬臺的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心現(xiàn)在2018年超過430座，這個數(shù)量還將繼續(xù)增。而且，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心多采用分布式架構(gòu)，設(shè)備間的互連網(wǎng)絡(luò)帶寬遠低于板內(nèi)和設(shè)備內(nèi)的互連帶寬，并且網(wǎng)絡(luò)協(xié)議復(fù)雜、層次眾多，協(xié)議的轉(zhuǎn)換和處理占用了大量系統(tǒng)資源，導(dǎo)致業(yè)務(wù)系統(tǒng)擴展性受到嚴重限制，數(shù)據(jù)中心面臨網(wǎng)絡(luò)性能瓶頸。

融合架構(gòu)或成破局點

如果按照傳統(tǒng)的計算模式和數(shù)據(jù)中心運作方式，始終無法打破摩爾定律式微帶來的計算力困局，想要滿足業(yè)務(wù)快速發(fā)展，提升計算力，需要一場由內(nèi)而外的技術(shù)架構(gòu)變革。我們必須重新定義計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的關(guān)系，重新定位軟硬件資源的價值，走一條融合架構(gòu)的道路。

在硬件層面，將計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)分別整合為相應(yīng)的資源池，使得不同設(shè)備之間的同類資源可以任意重組，在軟件層面動態(tài)感知業(yè)務(wù)的資源需求，利用硬件的重組能力，動態(tài)分配和組合資源，滿足各類應(yīng)用需求。數(shù)據(jù)中心最終達到CPU、內(nèi)存等所有硬件資源的完全解耦池化，可以任意組合，根據(jù)業(yè)務(wù)需求智能分配，實現(xiàn)真正意義上的“數(shù)據(jù)中心即計算機”。

浪潮早在2014年就提出了融合架構(gòu)的戰(zhàn)略，強調(diào)硬件重構(gòu)+軟件定義，浪潮的服務(wù)器平臺經(jīng)過多年的演進，也已進入到融合架構(gòu)3.0階段。在硬件重構(gòu)上，通過數(shù)據(jù)中心內(nèi)部如硅光互聯(lián)，Nvlink等高速物理互連技術(shù)，實現(xiàn)包括x86、Power、國產(chǎn)芯片、GPU異構(gòu)計算芯片的融合，實現(xiàn)NVMe，SSD，HDD等異構(gòu)存儲介質(zhì)的融合，真正實現(xiàn)計算、存儲資源的深度池化。軟件定義方面，在可重構(gòu)的硬件資源池基礎(chǔ)上，通過靈活的組織，將不同的資源池組成專業(yè)的服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并實現(xiàn)資源的高效管理和調(diào)度，軟件定義下一步將向著規(guī)模化，智能化方向發(fā)展。

硬件重構(gòu)導(dǎo)向開放計算

互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的快速發(fā)展，讓互聯(lián)網(wǎng)巨頭公司紛紛建設(shè)自己的數(shù)據(jù)中心，谷歌、亞馬遜、微軟、騰訊、百度和阿里成為全球超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的主要擁有者。他們在硬件采購上更傾向于硬件重構(gòu)，選擇集成度高、模塊化、定制化的服務(wù)器，這就導(dǎo)致傳統(tǒng)的機架式服務(wù)器、刀片式服務(wù)器被逐漸拋棄，以整機柜服務(wù)器為代表的新一代云服務(wù)器成為超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的主流選擇。

整機柜服務(wù)器本質(zhì)上是一個數(shù)據(jù)中心顆粒，而不是傳統(tǒng)的計算設(shè)備，整機柜服務(wù)器通過硬件重構(gòu)，統(tǒng)一集成了計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲以及散熱、供電、管理等模塊，具有完備的數(shù)據(jù)中心功能，而且一體化設(shè)計、一體化部署，部署密度提升1-3倍，能源效率在90%以上，相比之下更大地提升了部署速度，傳統(tǒng)機架式設(shè)備的日部署量約為幾百臺，而整機柜的日部署量能達到上萬臺，浪潮整機柜服務(wù)器SR在百度數(shù)據(jù)中心的部署速度曾達到驚人的1萬節(jié)點/日。

當(dāng)硬件廠商和互聯(lián)網(wǎng)巨頭對硬件重構(gòu)的探索越來越多時，業(yè)界對數(shù)據(jù)中心硬件開源的呼聲也越來越強。軟件層面解決不了的問題必須通過硬件重構(gòu)來實現(xiàn)，可是硬件的升級迭代比軟件要難得多，一般來說一代產(chǎn)品研發(fā)周期要18個月到3年，建立開源數(shù)據(jù)中心的硬件生態(tài)系統(tǒng)，讓所有的參與者，包括CSP、解決方案和設(shè)備提供商，將自己在數(shù)據(jù)中心方面的創(chuàng)新貢獻出來，共同推動數(shù)據(jù)中心的優(yōu)化，提升效率，節(jié)約能耗，降低成本等，才能更好地解決超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心帶來的難題，提升計算力。

浪潮，開放計算的踐行者

當(dāng)下，全球范圍內(nèi)已經(jīng)形成了三個影響力最大的開放計算組織：2011年由Facebook、英特爾等企業(yè)聯(lián)合成立的OCP;2012年由BAT和三大運營商發(fā)起的ODCC，其前身是天蝎計劃;2016年LinkedIn推出的OPEN19，他們的目標都是打造開源數(shù)據(jù)中心硬件生態(tài)系統(tǒng)，改變數(shù)據(jù)中心架構(gòu)設(shè)計和硬件采購方式。

浪潮是OCP、ODCC、OPEN19三大開放計算組織的核心成員，積極參與其中，從貢獻IP、參與開發(fā)標準，到主導(dǎo)標準制定，在開放硬件社區(qū)中的參與度越來越高，符合ODCC標準的SR整機柜服務(wù)器在中國整機柜市場占有率超過60%，貢獻了首批基于Open19 標準的服務(wù)器、第一款OCP標準基于Intel Skylake平臺的主板、第一款Olympus四路服務(wù)器。同時，浪潮還參與了OCP OAM項目，牽頭成立了OpenRMC項目，開發(fā)完成了全球第一個基于OCP標準的整機柜管理架構(gòu)。

當(dāng)摩爾定律失效，CPU性能提升放緩，計算力增長式微，而云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、人工智能等技術(shù)的進一步成熟產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)又加大了對后端數(shù)據(jù)中心計算力的需求，事實證明，融合架構(gòu)和開放計算成為破解當(dāng)前計算力困局的有效之路。開放計算讓身處行業(yè)之中的終端用戶、IT基礎(chǔ)設(shè)施提供商、生產(chǎn)企業(yè)、服務(wù)企業(yè)之間建立起了一種前所未有的緊密關(guān)聯(lián)，開始擁有了一個統(tǒng)一的技術(shù)和應(yīng)用標準，大家不再是各自為戰(zhàn)，在困境中單獨摸索，而是共同應(yīng)對，突破創(chuàng)新。(浪潮服務(wù)器產(chǎn)品部副總經(jīng)理 陳彥靈)

作者簡介：

陳彥靈，畢業(yè)于西安交通大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)任浪潮服務(wù)器產(chǎn)品部副總經(jīng)理。國家科技進步一等獎獲得者，個人申報并受理專利46項，已獲得授權(quán)專利23項，授權(quán)發(fā)明專利8項。2015年承擔(dān)山東省重大專項融合架構(gòu)云服務(wù)器研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化通過驗收。參與制定的《8路(含)以上服務(wù)器功能基本要求》國家標準于2017年11月1號發(fā)布。

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