胡德良/編譯

內(nèi)存驅(qū)動(dòng)計(jì)算詳解

胡德良/編譯

惠普（HPE）是一家業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù)公司，該公司能夠使客戶在發(fā)展的道路上走得更快、走得更遠(yuǎn)

● 惠普的愿景是：為大數(shù)據(jù)時(shí)代設(shè)計(jì)一種新型計(jì)算機(jī)。

我們現(xiàn)在讓計(jì)算機(jī)所干的工作是20年前的科學(xué)家無法想象的，更不用說60年前計(jì)算機(jī)時(shí)代剛剛開始的時(shí)候了。如果我們要想把人類送往火星，要想創(chuàng)建對付罕見疾病的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)療法，要想點(diǎn)亮智能城市，那么我們就需要一種新的范式，從緩慢的硅處理法轉(zhuǎn)變到超高速的內(nèi)存處理法。我們管這種方法叫作內(nèi)存驅(qū)動(dòng)計(jì)算，我們正在通過“機(jī)器”（The Machine）研究項(xiàng)目來實(shí)現(xiàn)這種計(jì)算。在我們公司的歷史上，“機(jī)器”是最重大、最復(fù)雜的研究項(xiàng)目。依賴內(nèi)存驅(qū)動(dòng)計(jì)算，我們相信我們能夠甩掉60年的妥協(xié)，實(shí)現(xiàn)專門為大數(shù)據(jù)時(shí)代設(shè)計(jì)的新型計(jì)算方式。

在全世界范圍內(nèi)，可獲取的數(shù)據(jù)量快速增加，超過了我們的處理能力，而且也使我們增長了見識。想一想其中的諷刺意味：在當(dāng)今這個(gè)時(shí)代，連通性和技術(shù)的強(qiáng)力前所未有，但是我們許多人卻在閉目行事。

一些人會認(rèn)為這并不是什么新聞，他們并沒有錯(cuò)。好多年前，權(quán)威人士早已預(yù)測了摩爾定律的終結(jié)。不同的是，在惠普，我們通過從頭開始徹底改變計(jì)算系統(tǒng)最基本的功能來解決問題。這項(xiàng)工作被稱為“機(jī)器”研究項(xiàng)目，旨在實(shí)現(xiàn)我們所稱的內(nèi)存驅(qū)動(dòng)計(jì)算。而且，在2016年11月，我們提供了一臺原型機(jī)。

內(nèi)存驅(qū)動(dòng)計(jì)算

這是如何運(yùn)行的呢？我們從基礎(chǔ)開始解釋吧。內(nèi)存驅(qū)動(dòng)計(jì)算通過賦予系統(tǒng)中的每個(gè)處理器連接一個(gè)巨大的共享內(nèi)存池的權(quán)限而使自身分離，這與當(dāng)今的系統(tǒng)截然不同——在當(dāng)今的系統(tǒng)中，相對較小的內(nèi)存連接著每個(gè)處理器，所產(chǎn)生的低效率限制了計(jì)算性能。

由于處理器要去獲得不在自身內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，可以說計(jì)算機(jī)必須要經(jīng)過一個(gè)低效率的請示步驟：“媽媽，我可以……嗎？”一個(gè)處理器要想完成任何任務(wù)，必須向另一個(gè)處理器請求權(quán)限。更糟糕的是，存儲和內(nèi)存之間的關(guān)系也存在低效性。其實(shí)據(jù)估計(jì)，在當(dāng)今的計(jì)算機(jī)中，有90%的運(yùn)行都耗費(fèi)于內(nèi)存層和存儲層之間的信息轉(zhuǎn)移上。

在惠普，我們認(rèn)為這種狀況應(yīng)該改變。我們想讓所有的處理器都同樣能夠訪問一個(gè)大型的共享內(nèi)存池，從而消除所有的來回轉(zhuǎn)移。我們想利用非易失性內(nèi)存來構(gòu)建這一內(nèi)存池。

我們想讓內(nèi)存成為計(jì)算系統(tǒng)的中心，而不僅僅是連接到處理器上的部件。我們相信，內(nèi)存驅(qū)動(dòng)計(jì)算就是解決方案。

非易失性內(nèi)存

正如上面提到的那樣，內(nèi)存驅(qū)動(dòng)計(jì)算的存儲完美無缺，將當(dāng)今內(nèi)存技術(shù)和存儲技術(shù)的最佳特性結(jié)合起來。我們想要?jiǎng)討B(tài)隨機(jī)存取存儲器（DRAM）的速度（該存儲器在當(dāng)今的計(jì)算機(jī)中用來存取數(shù)據(jù)），還有閃存和硬盤的持久性（非易失性）和低成本。這種方法有另外一個(gè)術(shù)語——“存儲級內(nèi)存”，該術(shù)語正在變得越來越流行。

惠普正在把按字節(jié)編址的非易失性存儲器（NVM）推向市場。利用來自“機(jī)器”研究項(xiàng)目的技術(shù)，該公司開發(fā)了惠普持續(xù)內(nèi)存，這是通往按字節(jié)編址NVM的一

個(gè)步驟，而按字節(jié)編址的NVM具備DRAM的性能以及在傳統(tǒng)的雙列直插內(nèi)存模塊（DIMM）外形尺寸條件下基于電池的永久性。公司在惠普ProLiant DL360和DL380 Gen9兩種服務(wù)器上推出了惠普持續(xù)內(nèi)存。

組構(gòu)

在這種情況下，“組構(gòu)”是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不同元件之間促進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ殴ぞ摺?/p>

當(dāng)今，每個(gè)計(jì)算機(jī)組件都是通過不同類型的互聯(lián)方式連接起來的：內(nèi)存是通過雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR）連接的，硬盤驅(qū)動(dòng)器是通過串行高級技術(shù)附件（SATA）連接的，閃存驅(qū)動(dòng)器和圖形處理單元是通過周邊裝置互連高速接口（PCIe）連接的，等等。

內(nèi)存驅(qū)動(dòng)計(jì)算采用的方法大不相同：每個(gè)組件都使用相同的高性能互連通信協(xié)議進(jìn)行連接。這是構(gòu)建計(jì)算機(jī)的一個(gè)更簡單、更靈活的方式。其速度更快的一個(gè)主要原因就是：使用跟訪問內(nèi)存時(shí)相同的簡單命令——只有“加載”（load）和“存儲”（store）兩個(gè)命令，實(shí)現(xiàn)了一次一個(gè)字節(jié)地訪問數(shù)據(jù)。這樣就沒有必要移動(dòng)周邊的許多大型數(shù)據(jù)塊，效率就會高得多。

從以處理器為中心的計(jì)算轉(zhuǎn)變到內(nèi)存驅(qū)動(dòng)的計(jì)算

這種組構(gòu)是將物理內(nèi)存包捆綁在一起的工具，形成的巨大內(nèi)存池位于內(nèi)存驅(qū)動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)的中心。在我們于11月份公開的原型機(jī)中，運(yùn)用了我們的組構(gòu)研究成果。但我們并不是該行業(yè)中唯一認(rèn)識到有必要?jiǎng)?chuàng)建快速組構(gòu)的團(tuán)體。我們正在把這些發(fā)現(xiàn)提供給一個(gè)被稱為Gen-Z的行業(yè)主導(dǎo)聯(lián)盟，該聯(lián)盟的任務(wù)是為這類技術(shù)制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

光子學(xué)

目前的計(jì)算系統(tǒng)利用穿行于銅線中的電子在計(jì)算組件之間傳輸數(shù)據(jù)。問題是塞入銅線的數(shù)據(jù)太多，高達(dá)99%的能量由于放熱和笨重的電纜而損失掉了。

彌補(bǔ)方案是利用光來替代，這一技術(shù)叫作光子學(xué)。利用微小的激光器，我們可以將數(shù)百倍于傳統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塞進(jìn)光纖帶中，而耗費(fèi)的能量要少得多。此外，光纖也很細(xì)小，物理安裝也相對容易。在最新的原型機(jī)中，我們已經(jīng)利用光子學(xué)互連替代了計(jì)算板（被稱為“節(jié)點(diǎn)”）之間的通信。這個(gè)方法使我們能夠更加高效、更加快速地傳播更大量的數(shù)據(jù)，而使用的電能更少，占用的空間更小。

在“機(jī)器”研究項(xiàng)目中，對光子學(xué)和組構(gòu)工具的研究將會繼續(xù)，包括將這些發(fā)現(xiàn)劃分得更加精細(xì)，比如如具體到晶體管本身。

生態(tài)系統(tǒng)啟動(dòng)軟件

即使是最先進(jìn)的硬件，沒有軟件也是無用的。全新的內(nèi)存驅(qū)動(dòng)計(jì)算架構(gòu)并沒有什么不同。我們已經(jīng)編寫了無數(shù)行代碼，使開發(fā)人員利用熟悉的編程語言和無處不在的Linux操作系統(tǒng)來掌握內(nèi)存驅(qū)動(dòng)計(jì)算的威力，并強(qiáng)化至“理解”新架構(gòu)。

為了幫助開發(fā)人員為未來的內(nèi)存驅(qū)動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)編寫應(yīng)用程序，我們已經(jīng)做了許多工作。2016年，惠普啟動(dòng)了和Hortonworks公司Spark內(nèi)存分析平臺的協(xié)作，將內(nèi)存驅(qū)動(dòng)計(jì)算的軟件推向市場。此外，2016年6月，公司開始在Github托管平臺上發(fā)布軟件包，逐步使開發(fā)人員熟悉基于內(nèi)存驅(qū)動(dòng)新型架構(gòu)的編程。

安全性

作為惠普對內(nèi)存驅(qū)動(dòng)計(jì)算研究的一部分，公司的目標(biāo)是改變我們對當(dāng)今硬件安全性所持有的觀念。從傳統(tǒng)上來講，可以說安全性是跟系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的。新型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)為把安全性嵌入所有軟件和硬件中提供了新機(jī)會。

2016年11月，隨著原型機(jī)的推出，惠普展示出在所有硬件和軟件中嵌入安全性的能力。然而這只是第一步，惠普計(jì)劃于明年利用新的硬件安全功能推進(jìn)這項(xiàng)工作，隨后在接下來的三年中延伸出新的軟件安全功能。從2020年開始，該公司計(jì)劃將這些解決方案與目前處于研究階段的其他安全技術(shù)結(jié)合在一起。

[資料來源：hpe.com][責(zé)任編輯：朝 云]