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云計算的高效能之路

鄔江興 2011/11/01

　　云計算的核心是信息處理與計算的高效能，它提供的服務(wù)，無論是公有云、私有云，還是混合云，都是為了解決一個效能問題。因此，沒有效能也就沒有云計算。

　　云計算是計算技術(shù)的一次重大變革，但凡應(yīng)用模式的重大創(chuàng)新都伴隨著技術(shù)的重要跨越。無論從商業(yè)運(yùn)作還是從用戶使用層面，或是從服務(wù)理念上，云計算都將開辟一個新的事業(yè)。

　　云計算：不同人群的美好愿景

　　當(dāng)前，云計算之所以如此紅火，就在于不同的人群和利益攸關(guān)方對它寄予了眾多美好的憧憬，而這些美好的憧憬在不同人群中表現(xiàn)出不同的訴求。

　　從個人和企業(yè)用戶角度看，他們對云計算的理解是：希望能夠得到按需使用的服務(wù)，最好不要在計算機(jī)上下載那么多軟件，也不要花很大精力去維護(hù)這些軟件和文件庫。為了實現(xiàn)信息化，人類已經(jīng)付出太過沉重的代價。因此，迫切希望能有一種“信手拈來就用，不用就收回去”的便捷服務(wù)方式。此外，人們已不再止步于大眾服務(wù)業(yè)態(tài)，希望獲得更多的個性化應(yīng)用，而個性化服務(wù)在現(xiàn)今社會如果沒有規(guī)�；�，也就不具備商業(yè)價值。

　　“云”的統(tǒng)計復(fù)用本質(zhì)，能夠在大尺度空間上匯聚某個局部看似非常個性化的應(yīng)用，成為有規(guī)模支撐的商業(yè)服務(wù)。當(dāng)然，“云”的統(tǒng)計復(fù)用也會引發(fā)私密性和安全性等一系列新興問題。在當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)時代，個人計算機(jī)每天都遭到病毒、木馬等肆無忌憚的侵犯，人們?yōu)榇艘ㄙM(fèi)大量的時間維護(hù)系統(tǒng)安全穩(wěn)定，不斷進(jìn)行殺毒軟件和數(shù)據(jù)庫的更新及應(yīng)用軟件的補(bǔ)丁升級等工作。因此，我們也更加熱切期盼“云服務(wù)”能夠幫助人們改變目前的生活方式和作業(yè)模式，大幅度減少使用傳統(tǒng)PC和服務(wù)器所帶來的煩惱。

　　從運(yùn)營商角度來看，他們是“云服務(wù)”的提供者，當(dāng)前遇到的最大矛盾是全局資源利用率低下的問題。IBM公司提供的數(shù)據(jù)表明，實際運(yùn)行時CPU利用率有時甚至不到10%，一般來說也就30%左右。對于運(yùn)營商而言，大量資源被閑置絕對是一件經(jīng)濟(jì)上不合算的事情。此外，現(xiàn)在的新興業(yè)務(wù)都需要快速靈活提供，甚至是爆炸式的部署。所謂爆炸式，就是市場容不得亦步亦趨、一點(diǎn)一點(diǎn)地擴(kuò)張，必須要像原子彈爆炸那樣，在很短的時間內(nèi)以摧枯拉朽之勢橫掃、席卷整個市場。這種市場開拓模式的改變，使得運(yùn)營商面對的市場不僅需要更快的業(yè)務(wù)提供，還要有很好的拓展性，而最重要的還是要有更低的運(yùn)營成本。目前IDC的運(yùn)營方式產(chǎn)生的巨額運(yùn)營成本，使人不堪重負(fù)。而“云服務(wù)”則能幫助運(yùn)營商擺脫這種困境。當(dāng)然，為了公平可信的服務(wù)，確�；镜墓哦龋品⻊�(wù)還必須提供可靠的安全性。

　　從設(shè)備供應(yīng)商角度來看，“云服務(wù)”為他們展示了一個極富吸引力的市場前景。對于中小軟件企業(yè)甚至個人，以往進(jìn)入市場有過高的門檻，他們常常只能望而卻步，而現(xiàn)在應(yīng)用軟件市場的經(jīng)營方式使人們看到了小本買賣也有高盈利的希望。也就是說，即使一個人運(yùn)營的軟件公司，也有可能獲得非常可觀的商業(yè)效益。

　　基于“云”的深度統(tǒng)計服務(wù)，將從根本上改變我們現(xiàn)階段的經(jīng)濟(jì)理念和商業(yè)模式，也將深刻地轉(zhuǎn)變我們的產(chǎn)品設(shè)計思想。比如，以往衡量ASIC專用電路能不能投產(chǎn)的重要因素，是以市場能有多少銷量預(yù)測為依據(jù)�？墒窃谠朴嬎銜r代，一切皆為服務(wù)，硬件也是服務(wù)，芯片也是服務(wù)（CaaS）。因此，芯片的價格即使昂貴，但在云服務(wù)的環(huán)境下這種成本也將被平攤到服務(wù)提供的次數(shù)上，而不是市場銷售的芯片數(shù)量上。這種改變將使設(shè)備供應(yīng)商可從過去的產(chǎn)品設(shè)計理念和約束條件中解放出來，將產(chǎn)品銷售數(shù)量轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)上收費(fèi)服務(wù)次數(shù)，將設(shè)備銷售轉(zhuǎn)變?yōu)榉⻊?wù)租賃。同時，云計算還將促使售后服務(wù)方式發(fā)生改變，從面向個人或單位轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦颉霸坪！�，軟件產(chǎn)品也將進(jìn)入“永遠(yuǎn)都是α版本”的時代。

　　總之，不同人群的美好愿景都寄托在“云”的身上。

　　云計算不容回避的問題：高效能

　　目前，關(guān)于云計算的嚴(yán)格科學(xué)定義還沒有達(dá)成共識，有關(guān)它的種種說法不過都是從不同需要或目的出發(fā)所作的詮釋。有人基于web來理解云計算，也有人認(rèn)為云計算將是虛擬機(jī)的時代，凡此種種，不一而足。從和諧發(fā)展的角度視之，“云計算”的理想目標(biāo)，至少應(yīng)包括用全新的技術(shù)和商業(yè)模式來實現(xiàn)用戶、服務(wù)運(yùn)營商和設(shè)備供應(yīng)商三個層面上的共贏。

　　云計算作為一種專門的規(guī)模化提供的服務(wù)，它的高效能問題是計算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域必須面對的現(xiàn)實，必須通過改革創(chuàng)新來解決。改革不同于發(fā)展，發(fā)展往往可以迂回地去解決問題，而改革必須是攻堅克難，破舊立新�？梢杂靡粋�當(dāng)今時髦的字“囧”來描述“云計算”現(xiàn)狀，人們現(xiàn)在說云計算是人云亦“云”、“云”里霧里、眾說紛“云”、不知所“云”，用“囧”來描述它目前的這種困境再貼切不過。高效能問題不僅是云計算，也是互聯(lián)網(wǎng)計算、高性能計算，乃至計算技術(shù)中的一個基本問題，這些問題若得到解決，云計算就有了落地生根的基礎(chǔ)。

　　云計算高效能的解決良方

　　目前能夠提高云計算效能的辦法包括以下幾種：

　　一種是虛擬機(jī)VM，這是一個當(dāng)今廣泛被人們接受的辦法。其實虛擬機(jī)不外乎是以虛擬化手段來提高資源的利用率。眾所周知，在Server Farm服務(wù)器領(lǐng)域，是用大量PC、簡單且廉價的服務(wù)器來堆疊成為IDC這樣的一個基本組織形態(tài)。實踐表明，在這樣一個組織形態(tài)下資源利用率會很低，運(yùn)營成本則很高，運(yùn)營保障付出的代價也很大。于是人們就產(chǎn)生如下思考：能否用高端的服務(wù)器甚至定制的服務(wù)器來替代目前的服務(wù)提供形態(tài)，然后用層層虛擬出的虛擬機(jī)來提供比較個性化或分眾化的用戶服務(wù)？這就是虛擬化的基本思想。但是我們也應(yīng)看到，虛擬化相對于一個計算實體來說，它所付出代價也并不小，因為任何計算環(huán)境的虛擬化都是以本征計算資源的開銷為基礎(chǔ)的。有研究表明，一個確定的計算實體，僅做一次架構(gòu)或環(huán)境的虛擬化就至少要花掉30%以上的開銷，深層次的虛擬化所付出的代價將更加高昂。

　　傳統(tǒng)的計算機(jī)本身就是一個虛擬化的典范，它的計算實體是基于圖靈-哥德爾可計算理論和馮•諾依曼體系結(jié)構(gòu)來構(gòu)建的，基本實現(xiàn)思路就是用最簡單的加法運(yùn)算和與非邏輯運(yùn)算，進(jìn)行組合與迭代，最后實現(xiàn)各種復(fù)雜運(yùn)算和功能，其本身就是一個經(jīng)典的程序化的虛擬過程，所解算問題的內(nèi)在結(jié)構(gòu)與計算機(jī)本征結(jié)構(gòu)的差異愈大，需要虛擬化的層級就越多，計算效率也就愈低。

　　另一種方法就是低功耗的設(shè)計和管理。如今綠色低耗已成為世界性潮流。據(jù)說僅信息通訊網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)提供的能耗，已經(jīng)占到了世界總能耗的6%左右，并且還有繼續(xù)增加的趨勢，而這6%中還不包括所有的用戶終端。近年來低功耗設(shè)計與管理應(yīng)該說取得了長足進(jìn)步，在一個會產(chǎn)生很大熱量的高密度運(yùn)算環(huán)境里，引入綠色低功耗設(shè)計和系統(tǒng)功耗管理技術(shù)，確實可以大幅度減少高功耗帶來的運(yùn)營成本的提升。因此，低功耗綠色電路設(shè)計技術(shù)的進(jìn)步，包括半導(dǎo)體制程工藝的進(jìn)步、極低或超低電壓使用，也包括自主休眠和激活技術(shù)，以及基于任務(wù)的系統(tǒng)功耗管理技術(shù)的進(jìn)步，都可以在一定程度上提高或改善計算平臺的服務(wù)效能。

　　除了虛擬化和低功耗以外，計算體系結(jié)構(gòu)的根本改變與創(chuàng)新，或許是一個比較徹底的解決效能的方法。有這樣一個自然法則及其推論，就是：結(jié)構(gòu)決定功能，結(jié)構(gòu)決定性能，更重要的是結(jié)構(gòu)也能決定效能。一個確定功能可以有多種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，不同的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)則會有不同的使用性能。由此，只有應(yīng)用與功能、性能直接匹配時的結(jié)構(gòu)才是高效能的結(jié)構(gòu)，即由應(yīng)用來決定計算環(huán)境的本征結(jié)構(gòu)。

　　基于這樣的認(rèn)識再推廣開來，倘若在編制程序時只考慮功能而不琢磨性能，那么程序編制或設(shè)計人員的工作會簡單很多，軟件生產(chǎn)也會方便得多。然而不考慮性能的服務(wù)是不可能的，但考慮了性能的服務(wù)又會使軟件編制非常復(fù)雜繁瑣。能否讓系統(tǒng)自動地根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)來配置性能呢？答案是肯定的。這就是說，今后編程時只需進(jìn)行功能描述，而性能將由系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)營狀態(tài)來自主識別和選擇算法結(jié)構(gòu)與配置計算環(huán)境，使運(yùn)行性能與負(fù)載狀況及服務(wù)質(zhì)量達(dá)到最佳匹配，盡可能減少虛擬層次，從而達(dá)到效能提高的目標(biāo)。

　　當(dāng)前計算機(jī)技術(shù)是通過剛性的計算基礎(chǔ)（本征）結(jié)構(gòu)和軟件實現(xiàn)算法來解決應(yīng)用問題，這種結(jié)構(gòu)與多樣化的應(yīng)用需求之間存在矛盾是必然的，只緣于當(dāng)初僅為解決可計算（還不是高效可計算）問題而創(chuàng)立的。倘若要在這樣一個基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之上虛擬出多種多樣的功能與性能，難度不亞于用元素周期表里的元素來構(gòu)建整個大千世界，其效能如何也是可想而知的。目前的通用計算機(jī)都按照運(yùn)算器、控制器、總線、存儲器、外存儲器的結(jié)構(gòu)模式構(gòu)造。假如要在數(shù)據(jù)庫里修改一個年齡數(shù)據(jù)，就要從數(shù)據(jù)庫里調(diào)出數(shù)據(jù)，從磁盤到內(nèi)存，從內(nèi)存到高速緩存，從高速緩存到運(yùn)算器，在運(yùn)算器上做一個簡單運(yùn)算，結(jié)果數(shù)據(jù)然后再沿途返回。通過如此漫長的傳輸和計算路徑上的運(yùn)作還有什么效率可言？所以說，在單一、剛性的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，通過層層迭代與合成而構(gòu)建出的虛擬機(jī)，來應(yīng)對多樣化、規(guī)模化、無確定模型表征的云計算應(yīng)用需要的功能和性能，是很難達(dá)到理想的高效能目標(biāo)的。

　　基于認(rèn)知的主動重構(gòu)云計算體系A(chǔ)RC3

　　通過上述觀察，我們可以得出結(jié)論，只有功能和性能與運(yùn)算狀態(tài)和負(fù)荷情況相一致時的結(jié)構(gòu)才是高效的，換句話說，就是要由應(yīng)用來決定本征計算環(huán)境或結(jié)構(gòu)，很自然就會導(dǎo)出我們所提出的基于主動認(rèn)知的主動重構(gòu)基礎(chǔ)計算架構(gòu)這種創(chuàng)新體系。該體系結(jié)構(gòu)是一種函數(shù)結(jié)構(gòu)，它可以用一個復(fù)雜函數(shù)來表達(dá)，其自變量可以是時間t、負(fù)載狀態(tài)a（t）、業(yè)務(wù)類型Si、資源狀況r、計算方式md、功能粒度gt、互聯(lián)拓?fù)鋞p等等。函數(shù)結(jié)構(gòu)公式為：

　　f=λ ( t, a ( t ), Si, r, md, gt, tp, … ) ( x )。

　　這樣，傳統(tǒng)的用一個固定的、剛性的結(jié)構(gòu)，通過虛擬化過程實現(xiàn)各種業(yè)務(wù)的方法，就演變成了用一個可變的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)運(yùn)行狀況自主改變執(zhí)行結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)功能性能與運(yùn)算負(fù)載相匹配的計算方式。從理論上說，這種體系結(jié)構(gòu)能夠保證計算的高效能。

　　傳統(tǒng)的固定結(jié)構(gòu)以及業(yè)務(wù)承載情況是：上層有網(wǎng)銀、即時通訊、游戲、電子商務(wù)、社交網(wǎng)絡(luò)、個性化服務(wù)等所謂各種云業(yè)務(wù)的應(yīng)用；中間有安全、管理中間件、工具鏈、操作系統(tǒng)、驅(qū)動等；下層是我們傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施，中央處理器、各種存儲器、輸入輸出設(shè)備等。

　　傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機(jī)系統(tǒng)就是一個固定結(jié)構(gòu)，通過層層虛擬，實現(xiàn)上層的虛擬功能。如果把它變成可變結(jié)構(gòu)，就要從云應(yīng)用層面上傳遞出有效的信息，通過中間件層面的感知和驅(qū)動，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施層面上的計算結(jié)構(gòu)變化。

　　這個結(jié)構(gòu)變化是根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)營情況來選擇決定的。當(dāng)然，它的變化還從傳統(tǒng)OS轉(zhuǎn)變成為云OS。通過這種感知和認(rèn)知來完成底層基礎(chǔ)設(shè)施的改變，降低虛擬層次的級數(shù)，提高了整個系統(tǒng)的執(zhí)行效能。

　　任何一個需要計算的問題一定存在一個計算該問題的最優(yōu)體系結(jié)構(gòu)。因此，無論是硬件計算還是軟件計算，是通用計算還是專用計算，或者是通、�；蜍�、硬結(jié)合的混合計算，都相應(yīng)地要有一個確定的體系結(jié)構(gòu)來解決不同的問題，這應(yīng)該是一種最佳的方式。

　　對于傳統(tǒng)的CPU作業(yè)方式，通過軟件算法改變（即用迭代合成的虛擬（程序）方式實現(xiàn)的算法）能夠計算任何可計算的問題。另外一種情況，如果用硬件邏輯，即所謂專用機(jī)模式，它也是一個確定結(jié)構(gòu)，面向某個應(yīng)用領(lǐng)域或應(yīng)用課題有一個確定的算法，同樣也能高效地解決確定的問題。但隨著對象的改變，完全用通用或完全用專用都難以達(dá)到高效能。所以，在通用里面加了硬件加速，在專用里面嵌入CPU，通、專結(jié)合，又有了新的結(jié)構(gòu)。但是這些方式都面臨一個問題，它最終仍然解決不了多元化的服務(wù)和多元化的質(zhì)量保證以及效能問題。我們期望的是：計算基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可變，算法也可變，又能逼近對不同問題有最優(yōu)效能解這樣的目標(biāo)。

　　那么，什么是最優(yōu)效能解呢？簡而言之，就是具有可重構(gòu)、可重組、可重配置的特點(diǎn)，追求不同服務(wù)和不同負(fù)載等狀態(tài)下的綜合高效能，構(gòu)建最合適的處理部件，形成最合適的體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)計算構(gòu)件的可重組（recombine），互聯(lián)拓?fù)涞目芍貥?gòu)（reconfiguration），計算環(huán)境的可重建（rebuild），這就是所謂Cubic—R，或者說R3結(jié)構(gòu)。一個能針對不同的問題采用不同的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，來高效運(yùn)行的體系結(jié)構(gòu)。

　　迄今為止，在傳統(tǒng)計算機(jī)上的解題一般可以看成是“削足適履”的行為，如果能把它改革成“制履適足”的行為，將是一個根本性的轉(zhuǎn)變�？芍貥�(gòu)體系的核心理念，就是研究和建立最合適的計算模型，使用和構(gòu)建最合適的處理部件，設(shè)計和匹配最合適的體系結(jié)構(gòu)，追求和逼近最理想的綜合效能。其思想應(yīng)當(dāng)能夠同時體現(xiàn)在系統(tǒng)級、部件級和器件級三個層面上。在器件級上有可重構(gòu)的邏輯電路，有專用處理的硬核也有通用處理的軟核；在部件級上有可重構(gòu)的器件組態(tài)，有專用處理器件也有通用處理器件；在系統(tǒng)級有可重構(gòu)的設(shè)備，有專用處理設(shè)備和通用處理設(shè)備。

　　盡管可重構(gòu)概念的提出至今已有40多年的歷史，然而從來就沒有出現(xiàn)過像今天這樣擁有如此雄厚實現(xiàn)物質(zhì)基礎(chǔ)的時期。在海量晶體管時代，它們除了用作多核和眾核外別無它途，事實上世間大多數(shù)應(yīng)用問題，并不能僅靠大量的眾核或多核處理器的堆砌執(zhí)行就能高效解決�；谡J(rèn)知的主動重構(gòu)體系，是為了解決云計算與現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)之間存在的矛盾而提出的創(chuàng)新的云計算體系，它包括業(yè)務(wù)感知、應(yīng)用抽象、資源、管理等，核心是具有主動重構(gòu)的高效計算系統(tǒng)，這就是包含了通用結(jié)構(gòu)和專用結(jié)構(gòu)的ARC3結(jié)構(gòu)。

　　我們相信，這場由云計算推動的計算技術(shù)體系的革命，必將發(fā)展出巨大的可重構(gòu)云計算創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)鏈，從器件到部件、從軟件到硬件、從設(shè)備到系統(tǒng)等諸多方面都存在巨大的成長空間和難得的產(chǎn)業(yè)機(jī)遇。

　　簡介：

　　鄔江興，中國工程院院士，解放軍信息工程大學(xué)校長，國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心主任，博士生導(dǎo)師。國家863計劃十五周年有突出貢獻(xiàn)先進(jìn)工作者，國家863計劃“十一五”信息技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜医M副組長。

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