計算系統(tǒng)架構(gòu)概述

    服務(wù)器硬件體系架構(gòu)淺析

本文轉(zhuǎn)載自機器之心，原文標題為《計算機架構(gòu)的新黃金時代，兩位圖靈獎得主最新力作》。先分享我對這篇文章的總結(jié)，或者我得到的啟發(fā)：

    1、DSA（Domain-Specific Architectures，特定領(lǐng)域的體系結(jié)構(gòu)）

將成為未來十年甚至更長時間，計算機體系結(jié)構(gòu)的趨勢。登納德縮放定律結(jié)束、摩爾定律衰退，而阿姆達爾定律正當其時，這意味著低效性將每年的性能改進限制在幾個百分點。獲得更高的性能改進需要新的架構(gòu)方法，就是DSA。

    2、開放的 ISA，處理器領(lǐng)域的Linux

計算機架構(gòu)的第二個機會是開放的 ISA（Instruction Set Architecture，指令集合架構(gòu)），要創(chuàng)建處理器領(lǐng)域的Linux。

這讓我想起了2021年7月27日OCP China Day的第二演播廳（詳見視頻：數(shù)據(jù)處理怎么能變更快？），接受IT大嘴巴（劉策）的采訪時，因西部數(shù)據(jù)Bill 劉總的啟發(fā)，得出：開放計算未來十年，除了在系統(tǒng)級（整機柜、機架服務(wù)器、邊緣服務(wù)器等），組件級（OAI、NVMe SSD、NIC 3.0、DPU等），還將在芯片級（如RISC-V、英偉達NVDLA）大有作為。

    3、硬件也可以敏捷開發(fā)

借助電子計算機輔助設(shè)計（ECAD）工具，使得敏捷開發(fā)成為可能；這種更高水平的抽象增加了設(shè)計的重用性。從設(shè)計交付到返回芯片原來需要幾個月時間，現(xiàn)在可能四周左右。

    4、體系結(jié)構(gòu)的幾個定律

1）摩爾定律（Moore's Law）

摩爾（Gordon Moore）在 1965 年的最初預(yù)測中，稱晶體管密度會每年翻一番；1975 年，他又預(yù)計每兩年翻一番。

2）登納德縮放定律（Dennard scaling）

羅伯特·登納德（Robert Dennard）預(yù)測隨著晶體管密度的增加，每個晶體管的能耗將降低，因此硅芯片上每平方毫米上的能耗幾乎保持恒定。由于每平方毫米硅芯片的計算能力隨著技術(shù)的迭代而不斷增強，計算機將變得更加節(jié)能。然而，登納德縮放定律從 2007 年開始大幅放緩，2012 年左右接近失效（見圖 3）。

1986 年至 2002 年間，指令級并行（ILP）是提高性能的主要架構(gòu)方法。而且隨著晶體管速度的提高，其性能每年能提高 50% 左右。登納德縮放定律的終結(jié)意味著工程師必須找到更加高效的并行化利用方法。

為了保持工作流程完整，需要預(yù)測分支，并根據(jù)推測將代碼放入工作流程中以便執(zhí)行。推測的使用是 ILP 高性能和芯片低能效的源頭所在。如果分支預(yù)測完美，推測就能提高 ILP 性能，但能耗會增加一些——甚至可能節(jié)約能耗——但如果分支預(yù)測出現(xiàn)失誤，處理器就必須拋棄錯誤的推測指令，其計算工作及所耗能量就會付之東流。處理器的內(nèi)部狀態(tài)也必須恢復(fù)到錯誤預(yù)測分支之前的狀態(tài)，這將花費額外的時間和能量。

很少有通用程序能夠如此準確地預(yù)測分支。架構(gòu)師需要一種不同的方法來實現(xiàn)性能改進。于是多核時代就這樣誕生了。

多核將識別并行性和決定如何利用并行性的責(zé)任轉(zhuǎn)移給程序員和語言系統(tǒng)。多核并不能解決由登納德縮放定律終結(jié)帶來的能效計算挑戰(zhàn)。每個活躍的核都會消耗能量，無論其對計算是否具有有效貢獻。一個主要的障礙可以用阿姆達爾定律（Amdahl's Law）表述。

3）阿姆達爾定律（Amdahl's Law）

IBM360系列機的主要設(shè)計者阿姆達爾于1967年提出。

該定律指出：系統(tǒng)中對某一部件采用更快執(zhí)行方式所能獲得的系統(tǒng)性能改進程度，取決于這種執(zhí)行方式被使用的頻率，或所占總執(zhí)行時間的比例。阿姆達爾定律實際上定義了采取增強（加速）某部分功能處理的措施后可獲得的性能改進或執(zhí)行時間的加速比。簡單來說是通過更快的處理器來獲得加速是由慢的系統(tǒng)組件所限制。

阿姆達爾曾致力于并行處理系統(tǒng)的研究。對于固定負載情況下描述并行處理效果的加速比s，阿姆達爾經(jīng)過深入研究給出了如下公式：S=1/(1-a+a/n)

其中，a為并行計算部分所占比例，n為并行處理結(jié)點個數(shù)。這樣，當1-a=0時，(即沒有串行，只有并行)最大加速比s=n；當a=0時（即只有串行，沒有并行），最小加速比s=1；當n→∞時，極限加速比s→ 1/（1-a），這也就是加速比的上限。例如，若串行代碼占整個代碼的25%，則并行處理的總體性能不可能超過4。