什么是NUMA架構(gòu)？NUMA架構(gòu)或?qū)⒊蔀槲磥硖幚砥靼l(fā)展趨勢

隨著人工智能和云計算等技術(shù)的不斷發(fā)展，處理器需要處理的數(shù)據(jù)量越來越大，對性能和效率的要求也越來越高。另一方面，摩爾定律逼近極限，在過去十幾年中，單個處理器中晶體管數(shù)目的增加速度逐漸放緩，芯片工藝制程接近1nm時，開始接觸到量子效應(yīng)的極限。

當(dāng)制造工藝很難再發(fā)展的時候，人們更多是希望在處理器架構(gòu)設(shè)計多下功夫，以提高計算效率，NUMA架構(gòu)應(yīng)運而生。本篇文章，跟大家介紹一下，什么是NUMA架構(gòu)？

早期的時候，每臺服務(wù)器都是單CPU，隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多CPU共同工作的需求。NUMA(Non-Uniform Memory Access，非一致性內(nèi)存訪問)和SMP(Symmetric Multi-Processor，對稱多處理器系統(tǒng))是兩種不同的解決多CPU共同工作的硬件體系架構(gòu)。

SMP架構(gòu)是比較常見的多CPU構(gòu)建方式。其主要特征是共享，所有的CPU共享使用全部資源，例如內(nèi)存、總線和I/O，多個CPU對稱工作，彼此之間沒有主次之分，平等地訪問共享的資源。但是缺點也顯而易見，這樣勢必引入資源的競爭問題，隨著核數(shù)增多，內(nèi)存控制器讀取內(nèi)存的性能瓶頸越來越明顯，從而導(dǎo)致它的擴展內(nèi)力非常有限。

為了解決這個問題，硬件設(shè)計師們將內(nèi)存控制器平分到每個 die上,從而形成了NUMA 架構(gòu)。

NUMA架構(gòu)通過將CPU劃分成不同的組（Node)，每個Node由一個或多個（物理）CPU組成，并且有獨立的本地內(nèi)存、I/O等資源。在NUMA架構(gòu)中，每個節(jié)點都有自己的內(nèi)存和計算資源，這使得處理器可以更靈活地分配資源，提高了整體性能和效率。此外，NUMA架構(gòu)還可以通過增加節(jié)點數(shù)量來擴展處理器的計算和存儲能力，這使得它成為一種非常適合大規(guī)模并行處理的架構(gòu)。

目前業(yè)界都認為摩爾定律接近極限，NUMA技術(shù)是CPU發(fā)展的一種必然趨勢。

摩爾定律是由英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）提出來的。其內(nèi)容為：當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，處理器的性能大約每兩年翻一倍，同時價格下降為之前的一半。

然而，在過去十幾年中，單個處理器中晶體管數(shù)目的增加速度逐漸放緩，促使許多廠商推出雙核及多核計算機。在這樣的背景下，NUMA架構(gòu)處理器可帶來更高的性能、核心密度和能效，也會適用于更廣泛的計算環(huán)境。

說了這么多，NUMA架構(gòu)處理器表現(xiàn)如何？國內(nèi)外都哪些品牌采用了多NUMA架構(gòu)的方式去設(shè)計處理器？

（1）AMD

AMD 的“Zen”架構(gòu)帶來全新的處理器設(shè)計，較原來的 AMD “推土機”架構(gòu)實現(xiàn)了大幅的性能提升。“Zen”有三大目標(biāo) — 卓越的性能、非凡的可擴展性以及出色的能效。

為實現(xiàn)出色的可擴展性，AMD 在處理器中大膽采用全新理念：小芯片。AMD 沒有構(gòu)建更大、更昂貴的單片芯片，而是采取了稱為小芯片的處理器構(gòu)建塊。每個小芯片都包含許多基于“Zen”的核心，而且封裝的小芯片越多，處理器性能就越強。目前，“Zen”處理器的核心數(shù)少則兩個，多則 128 個。這種創(chuàng)新為消費者帶來可擴展性和靈活性。

AMD Zen架構(gòu)誕生于2017年，迄今已經(jīng)先后有了14nm Zen、12nm Zen+、7nm Zen 2、7nm Zen 3，以及現(xiàn)有的已應(yīng)用于AMD 4代服務(wù)器的5nm Zen 4Genoa處理器產(chǎn)品。比如，早期的zen1如下圖所示4個numa的結(jié)構(gòu)

AMD官網(wǎng)上展示的zen4的多numa架構(gòu)

從AMD的產(chǎn)品路線圖上可以發(fā)現(xiàn)，采用多NUMA的架構(gòu)設(shè)計，能擴展更多的物理Core，提供更強的性能，例如：從zen1的32物理核，到zen2/3的64物理核，雖然zen2采用7nm制程，但是多NUMA方式讓zen2集成更多的核心，性能也是提升2+倍不止。

目前最新發(fā)布的zen4多達96核，多NUMA架構(gòu)的方式讓處理器可帶來更高的性能、更高的核心密度和更低的能效。從AMD的產(chǎn)品路線圖上，AMD一直在多NUMA上設(shè)計，產(chǎn)品性能也是遙遙領(lǐng)先。

（2）Intel

英特爾今年創(chuàng)新推出的Sapphire Rapids，也為下一代數(shù)據(jù)中心處理器樹立了標(biāo)準(zhǔn)參考。

據(jù)英特爾Linux工程師Andi Kleen提交的內(nèi)核補丁可知，Sapphire Rapids將采用Golden Cove架構(gòu)核心，而不是目前Tiger Lake使用的Willow Cove架構(gòu)核心，這意味著Sapphire Rapids將于即將到來的Alder Lake擁有同款架構(gòu)核心。Sapphire Rapids芯片采用了與AMD霄龍服務(wù)器處理器類似的“膠水”設(shè)計，4個MCM小芯片有望提供多達80個CPU核心，單顆處理器則由4個NUMA組成。

英特爾在2023年推出了至強鉑金 8490H 是一款 60 核服務(wù)器/工作站處理器，四個DIE（NUMA）的實現(xiàn)方式。通過lscpu可以看到9490H單顆處理器4個NUMA結(jié)構(gòu)。



（3）海光

在海光官網(wǎng)上直觀的看到海光也是4NUMA的設(shè)計，同時，在現(xiàn)有的服務(wù)器驗證結(jié)果來看，海光確實是4NUMA結(jié)構(gòu)，并且在高頻計算方面表現(xiàn)在同行業(yè)中表現(xiàn)出眾，海光在國內(nèi)市場也已經(jīng)擠進主流處理器的行列中。

在NUMA架構(gòu)技術(shù)加持下，海光在諸多場景下都能發(fā)揮出性能優(yōu)勢。

如在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)領(lǐng)域，在大量讀寫的數(shù)據(jù)庫操作中，NUMA架構(gòu)可以顯著提高數(shù)據(jù)庫的性能，許多數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，如Oracle、MySQL等，支持NUMA架構(gòu)，可以利用NUMA特性進行優(yōu)化；在科學(xué)計算領(lǐng)域，常常需要處理大量的數(shù)據(jù)，使用NUMA架構(gòu)可以提高處理器的內(nèi)存訪問速度，從而提高整體性能；在服務(wù)器應(yīng)用領(lǐng)域，NUMA架構(gòu)可以幫助平衡負載，提高服務(wù)器的整體性能；在云計算領(lǐng)域，NUMA架構(gòu)可以用于平衡虛擬機的資源分配，從而提高整個云環(huán)境的性能。

據(jù)說，海光四號將采用Chiplet技術(shù)，在原有的NUMA架構(gòu)上，進一步優(yōu)化互聯(lián)技術(shù)、提升計算能力。海光不斷的技術(shù)創(chuàng)新，以持續(xù)自研迭代，帶來好用、易用的國產(chǎn)處理器。

綜上所述，NUMA架構(gòu)是處理器發(fā)展的一個重要趨勢，產(chǎn)品表現(xiàn)相對而言是不錯的。當(dāng)然，技術(shù)發(fā)展都是任重道遠的，未來處理器架構(gòu)的發(fā)展，還需要不斷的創(chuàng)新優(yōu)化，以克服未知的挑戰(zhàn)。

審核編輯：劉清