浪潮研成處理器協(xié)同芯片組 使西方禁運失去意義

　　中國已經(jīng)掌握了國際領(lǐng)先的32路高端容錯計算機的核心技術(shù)，浪潮正在開(kāi)發(fā)性能更高、可靠性更強的64路系統高端容錯計算機系統，也將進(jìn)一步拓展應用規模。天梭K1的目標市場(chǎng)份額是30%以上，同時(shí)把自主化進(jìn)程向更深層次推進(jìn)。

　　在國外嚴密的技術(shù)封鎖和產(chǎn)業(yè)鏈高度壟斷的情況下，浪潮依靠自主創(chuàng )新在高端容錯計算機體系結構、操作系統、處理器協(xié)同芯片和硬件系統方面實(shí)現重大技術(shù)創(chuàng )新與突破，從無(wú)到有建立起高端容錯計算機技術(shù)體系，并開(kāi)創(chuàng )了高端容錯計算機產(chǎn)業(yè)。

　　浪潮在高端容錯計算機領(lǐng)域的主要技術(shù)突破可以概括為一個(gè)“211工程”：“2項核心技術(shù)”——體系結構和容錯技術(shù)體系;“1個(gè)核心部件”——處理器協(xié)同芯片組;“1個(gè)操作系統”——K-UX。同時(shí)，在研制天梭K1的過(guò)程中，浪潮共申請發(fā)明專(zhuān)利1147項，目前獲得授權100多項。

　　跨過(guò)“8”的門(mén)檻

　　高端容錯計算機不僅可以通過(guò)處理器升級來(lái)獲得性能提升，還可以通過(guò)增加處理器數量來(lái)提高性能，但是當處理器數量超過(guò)8顆，就會(huì )碰到“內存墻”的問(wèn)題。浪潮集團首席科學(xué)家王恩東表示，處理器要協(xié)同工作，相互之間必然要通訊，而且處理器之間不僅要進(jìn)行數據傳遞，更要保持數據一致，任何數據異步都可能會(huì )造成系統停機，這使得處理器通訊遠比一般性的通訊技術(shù)更為復雜。如果采用一般的處理器協(xié)同技術(shù)，當處理器數量超過(guò)8顆以后，大量的處理器資源都被通訊占用，繼續增加處理器數量時(shí)，性能提高就會(huì )十分有限。其直接的技術(shù)表現就是處理器讀取內存數據延時(shí)過(guò)長(cháng)，這個(gè)現象在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域被稱(chēng)為“內存墻”。

　　要破解天梭K1 面臨的“內存墻”問(wèn)題，只能創(chuàng )建一個(gè)全新的處理器互聯(lián)結構和通訊機制。這是業(yè)界幾十年來(lái)一直難以破解的難題，全球具有該項技術(shù)開(kāi)發(fā)能力的公司不到5家。天梭K1有32顆處理器、256個(gè)內存插槽，已經(jīng)遠遠超過(guò)了初始的技術(shù)瓶頸。浪潮還創(chuàng )建了“三級目錄兩級緩存一致性域協(xié)議”，保證處理器數量增加時(shí)，系統通訊規模和復雜度僅有較小增加。

　　浪潮基于上述自主的體系結構技術(shù)，研制成功處理器協(xié)同芯片組，讓瓦森納組織對中國的高端容錯計算機技術(shù)禁運失去了意義。處理器協(xié)同芯片是計算機中唯一復雜度可與處理器相比的芯片部件。浪潮研制的芯片組集成了4.5億個(gè)晶體管，有2577根管腳，在中國集成電路產(chǎn)業(yè)沒(méi)有設計生產(chǎn)如此規模芯片的先例的情況下，該芯片達到了國際領(lǐng)先水平：支持64路處理器互連;報文處理能力40億條/秒;聚合帶寬達到1056Gbps;延遲小于200納秒。

　　軟硬一體的容錯技術(shù)實(shí)現99.9994%高可用

　　高端容錯計算機是專(zhuān)門(mén)承擔關(guān)鍵應用系統的系統平臺，一旦出現停機事故，將會(huì )嚴重傷害客戶(hù)業(yè)務(wù)，甚至在社會(huì )經(jīng)濟層面造成影響。因此，能夠提供99.999%的高可用性，可以7×24小時(shí)不間斷運行是高端容錯計算機最基本的應用需求。

　　天梭K1也必須對各類(lèi)故障、隱患以及外部不利因素作充分的考慮。從可用性的角度看，研制高端容錯計算機就像用積木來(lái)搭一個(gè)摩天大廈，必須開(kāi)發(fā)出一套完整的容錯技術(shù)來(lái)消除每個(gè)可能出現的問(wèn)題，保證系統運行的連續性。高端容錯計算機大約有幾十萬(wàn)個(gè)電子器件，目前品質(zhì)最高的工業(yè)級電子器件平均無(wú)故障時(shí)間在10000小時(shí)左右。另外，高端容錯計算機的BIOS等底層代碼有幾千萬(wàn)行。最權威的Coverity Analysis集團數據顯示，目前企業(yè)軟件的缺陷密度為0.72，也就是說(shuō)平均每1000行代碼中會(huì )有0.72個(gè)缺陷，而任何一處不良代碼都是潛在的隱患。

　　浪潮最終創(chuàng )建了多層次冗余與故障管理容錯系統模型，天梭K1在芯片、模塊、固件、操作系統、業(yè)務(wù)應用層面全面采用冗余設計以杜絕單點(diǎn)故障，采用故障診斷、隔離和恢復的全流程自動(dòng)處理技術(shù)，系統可自我修復，整體可用度超過(guò)99.9994%。同時(shí)，天梭K1的容錯技術(shù)經(jīng)受住了實(shí)際應用的檢驗。2010年8月，第一臺天梭K1樣機在建設銀行新疆區分行啟動(dòng)上線(xiàn)測試，承擔中間業(yè)務(wù)系統，成功替代國外產(chǎn)品。系統自上線(xiàn)以來(lái)，已經(jīng)穩定運行1500余天。

　　通過(guò)Unix 03認證的Unix操作系統

　　操作系統是硬件資源的管理者。高端容錯計算機對性能、可靠性和安全性的要求都非常高，普通操作系統無(wú)法滿(mǎn)足高端容錯計算機的技術(shù)需求，需要專(zhuān)屬的操作系統。

　　復雜度是高端容錯計算機操作系統面臨的第一個(gè)技術(shù)挑戰。高端容錯計算機處理器核、內存容量、I/O設備等資源的規模是通用服務(wù)器的十倍以上，操作系統資源管理復雜性極大提升。容錯是第二個(gè)重要的技術(shù)挑戰。高端容錯計算機系統不僅需要容忍幾十萬(wàn)個(gè)器件的失效問(wèn)題，也需要容忍難以控制的軟件缺陷問(wèn)題。因此，需要開(kāi)發(fā)復雜系統內核容錯技術(shù)，快速準確地發(fā)現、隔離和恢復數百種軟硬件故障，保障系統承載的關(guān)鍵應用穩定可靠運行。

　　浪潮最終研制成功中國第一款Unix 操作系統K-UX，在研制過(guò)程中共開(kāi)發(fā)了3200 余項Unix特性，成功通過(guò)The Open Group Unix 03 國際標準認證的60000余項測試，并對該標準提出7項修改，且全部被納入新的測試標準。通過(guò)UNIX 03認證，意味著(zhù)K-UX進(jìn)入了高端關(guān)鍵應用操作系統的俱樂(lè )部。

　　浪潮在K-UX中建立了多層次NUMA 域非對稱(chēng)資源調度技術(shù)體系，解決了大規模軟硬件資源的高效率調用問(wèn)題。其中，內核及共享庫代碼段多副本技術(shù)可以保證處理器盡可能地就近訪(fǎng)問(wèn)待執行指令，避免跨節點(diǎn)遠程取指，極大地降低了處理器間的通訊強度。通過(guò)實(shí)測，該技術(shù)可提升性能約160%。綜合利用多層次NUMA 域非對稱(chēng)資源調度技術(shù)，實(shí)測該程序性能提升2.7倍。

　　浪潮還在K-UX中創(chuàng )建了復雜系統內核容錯技術(shù)體系，解決了系統對軟硬件故障的容忍和自動(dòng)化處理問(wèn)題。浪潮開(kāi)發(fā)出應用透明的進(jìn)程級冗余技術(shù)，系統可識別關(guān)鍵任務(wù)并透明構造冗余進(jìn)程，解決冗余進(jìn)程間狀態(tài)同步和I/O 一致性難題，構建內核級應用高可用機制，將業(yè)務(wù)失效切換時(shí)間由秒級大幅縮短至毫秒級。此外，還突破了設備驅動(dòng)保護架構技術(shù)，為設備驅動(dòng)提供隔離運行環(huán)境。約80%的操作系統失效是由于設備驅動(dòng)程序缺陷引起的，K-UX設計實(shí)現內核區域訪(fǎng)問(wèn)控制機制，阻斷驅動(dòng)程序缺陷污染內核的路徑，從根本上解決了不良驅動(dòng)對系統的潛在威脅。