納尼，連Google都遇到難題了！不要慌，中科院包老師有絕招

包云崗老師，CCF理事，2016 CNCC大會(huì)的特邀嘉賓，于2003年獲南京大學(xué)理學(xué)學(xué)士，2008年獲中科院計(jì)算所博士學(xué)位，2010-2012年普林斯頓大學(xué)計(jì)算機(jī)系博士后，現(xiàn)為中科院計(jì)算所研究員，博士生導(dǎo)師，先進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究中心副主任。研究方向主要是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。包老師在國際一流計(jì)算機(jī)系統(tǒng)會(huì)議期刊發(fā)表了10余篇論文，曾兩次獲計(jì)算所優(yōu)秀論文一等獎(jiǎng)，獲2013年CCF-Intel青年學(xué)者獎(jiǎng)。同時(shí)擔(dān)任CCF普及工作委員會(huì)主任，《中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊》編委。

當(dāng)前云計(jì)算面臨著一個(gè)世界級(jí)難題：資源利用率與用戶體驗(yàn)之間的矛盾。那么問題來了，魚與熊掌是否可以兼得，答案好像并不是那么簡(jiǎn)單，就連Google、百度、阿里這樣的科技巨頭也都為之頭疼。我們有幸采訪到CCF理事、中科院計(jì)算所研究員包云崗老師，包老師在2016 CNCC大會(huì)上的報(bào)告：云計(jì)算與標(biāo)簽化馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)，中提出的標(biāo)簽化馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)（LvNA）將有希望解決這個(gè)難題，成為計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)新突破。

1.在提高用戶體驗(yàn)這個(gè)問題上，業(yè)界很多人重視高質(zhì)量大數(shù)據(jù)的獲取與利用，卻不過多提及云計(jì)算當(dāng)前遇到的難題，是缺乏認(rèn)知還是刻意回避，或是由于大數(shù)據(jù)的寡頭現(xiàn)象？

包老師：其實(shí)，云計(jì)算背后的英雄是數(shù)據(jù)中心(data center)。國內(nèi)常將數(shù)據(jù)中心理解為存放數(shù)據(jù)的地方，這是對(duì)數(shù)據(jù)中心的錯(cuò)誤認(rèn)知。在國際上，數(shù)據(jù)中心是指一種超級(jí)計(jì)算機(jī)，例如Google稱數(shù)據(jù)中心為“Datacenter as a computer”，最終目的是使用戶或開發(fā)者像利用一臺(tái)計(jì)算機(jī)那樣便利地使用數(shù)據(jù)中心。要做到這一點(diǎn)，背后需要非常多的技術(shù)，Google在這一塊兒已經(jīng)用了10年的朝這個(gè)方向努力，究其目的是希望使數(shù)據(jù)中心的運(yùn)用變得更為便利，運(yùn)行成本更低。所以，我們不能簡(jiǎn)單地將數(shù)據(jù)中心看做存放大數(shù)據(jù)的地方。

在英特爾看來，未來將進(jìn)入數(shù)據(jù)中心時(shí)代，更具體地講，未來會(huì)呈現(xiàn)兩種模式，計(jì)算一部分放在手機(jī)移動(dòng)終端或物聯(lián)網(wǎng)的物端，另外一部分將放在后方的數(shù)據(jù)中心里。在數(shù)據(jù)中心上面將運(yùn)行各種各樣的應(yīng)用，如可以在數(shù)據(jù)中心運(yùn)行云計(jì)算，大數(shù)據(jù)分析，高性能計(jì)算如HPC，各種網(wǎng)絡(luò)功能如NFV。在未來，數(shù)據(jù)中心將變成一種最基礎(chǔ)的基礎(chǔ)設(shè)施，很多后端的應(yīng)用都可以在數(shù)據(jù)中心上實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)在，大家對(duì)數(shù)據(jù)中心的理解有些片面，所以數(shù)據(jù)中心所遇到的挑戰(zhàn)就被大家忽視了。事實(shí)上，互聯(lián)網(wǎng)用戶體驗(yàn)與數(shù)據(jù)中心的技術(shù)與性能是密切相關(guān)的。 例如，我們?cè)谑謾C(jī)上按一個(gè)按鈕，微信上點(diǎn)一個(gè)帖子，大概有一半的時(shí)間都耗費(fèi)在數(shù)據(jù)中心里面。然而，我們現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心尚存在這樣一個(gè)難題：沒有辦法同時(shí)保證用戶體驗(yàn)與資源利用率（具體來講為CPU利用率）。如果提高資源利用率，用戶的體驗(yàn)（響應(yīng)時(shí)間）就會(huì)下降。就像馬路的交通一樣，如果使很多車輛同時(shí)在路上行駛，馬路的利用率被提高了，但是人們的出行體驗(yàn)就會(huì)降低了。

2.是不是大家都意識(shí)到了云計(jì)算目前所遇到的難題呢？

包老師：我認(rèn)為，認(rèn)識(shí)到這樣一個(gè)難題有一個(gè)傳遞的過程，這個(gè)問題最早是在Google遇到的，當(dāng)云計(jì)算或數(shù)據(jù)中心的發(fā)展達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，這個(gè)問題才會(huì)體現(xiàn)出來，很多企業(yè)現(xiàn)在其實(shí)還沒有達(dá)到這個(gè)階段。這是一個(gè)需求傳遞的過程，Google 很早就發(fā)現(xiàn)這樣的問題，已在著手處理這個(gè)問題，并呼吁需要體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與硬件支持。國內(nèi)百度、阿里，華為這些領(lǐng)先型企業(yè)已經(jīng)開始投入大量的技術(shù)試圖解決這個(gè)難題，再過幾年，會(huì)有更多的企業(yè)關(guān)注這個(gè)難題。目前，這個(gè)問題還是比較前沿的。

3.標(biāo)簽化馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)（LvNA）將如何提高平板電腦、手機(jī)登移動(dòng)設(shè)備的CPU利用率？

（注：在采訪過程中，包老師將這個(gè)問題調(diào)整為：標(biāo)簽化馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)（LvNA）是如何提高數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的CPU利用率的？）

包老師：其實(shí)這個(gè)問題不太恰當(dāng)，因?yàn)槠胀ㄓ脩艉芏鄷r(shí)候不會(huì)去關(guān)注手中的手機(jī)，筆記本電腦CPU的利用率有多高。但是，像微軟，Google這些大公司會(huì)非常關(guān)注CPU的利用率。CPU利用率低這個(gè)問題更多是從數(shù)據(jù)中心的角度出發(fā)的。

當(dāng)前面臨這樣一個(gè)矛盾：一方面，建立一個(gè)數(shù)據(jù)中心的成本非常高。如阿里在張北建立的數(shù)據(jù)中心耗資180億，微軟現(xiàn)在在全球數(shù)據(jù)中心上的投入有300億美元，Google僅在2014年一年內(nèi)在構(gòu)建數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施方面的投入高達(dá)110億美。另一方面，數(shù)據(jù)中心CPU的利用率極低，例如亞馬遜擁有幾百萬臺(tái)服務(wù)器，投資達(dá)幾百億美元，但是，幾年前一份報(bào)告揭示其在數(shù)據(jù)中心上運(yùn)行的云計(jì)算業(yè)務(wù)CPU利用率只占百分之十幾，相當(dāng)于百分之八九十的利用率都被浪費(fèi)了，但這樣能保障較好的用戶體驗(yàn)。

過去幾年，這些大公司已投入了大量精力來應(yīng)對(duì)該問題。Google為了解決這個(gè)資源利用率與用戶體驗(yàn)之間的難題，對(duì)數(shù)據(jù)中心整個(gè)軟件棧進(jìn)行優(yōu)化，從底層虛擬化、操作系統(tǒng)，到上層分布式架構(gòu)。但2015年美國工程院院士、google的數(shù)據(jù)中心專家Dick Sites在多個(gè)報(bào)告中承認(rèn)，在一個(gè)共享的服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)程序間的性能隔離真的很難，Google在軟件優(yōu)化上已經(jīng)盡力了，亟需硬件支持。

我們提出標(biāo)簽化馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)（LvNA），希望能夠從硬件層面為解決上述問題提供關(guān)鍵技術(shù)。用交通做類比，LvNA就是希望能夠在馬路上已經(jīng)很擁堵的情況下，還可以保證很關(guān)鍵的車輛（好比一些要求非常高的應(yīng)用）能夠順利通過。通過運(yùn)用標(biāo)簽化機(jī)制，增強(qiáng)這種控制機(jī)制，即使在提高CPU利用率的情況下，依然能夠保證用戶要求體驗(yàn)效果高的一些應(yīng)用高速運(yùn)行。

其實(shí)，我們的生活中也存在標(biāo)簽化機(jī)制。在馬路上，我們會(huì)看到救護(hù)車、消防車，警車、私家車等涂裝是不一樣的，這就是一種標(biāo)簽化機(jī)制。然后，我們有相關(guān)的交通規(guī)則，能夠保證這些車，比如救護(hù)車、消防車、警車在鳴笛時(shí)，其他車輛讓行，如果大家都遵守這種規(guī)則的話，便能夠在緊急情況下保證這些車輛順暢通行。

我們就是想要把交通規(guī)則應(yīng)用到計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，為一些關(guān)鍵的應(yīng)用加上標(biāo)簽，并制定相關(guān)通行規(guī)則，保證用戶體驗(yàn)要求非常高的一些應(yīng)用先通過。這種情況下，能夠保證提高CPU利用率的前提下，一些關(guān)鍵應(yīng)用不會(huì)受到影響，從而實(shí)現(xiàn)共享硬件資源的按需分配與性能隔離。

4.計(jì)算機(jī)是由硬件與軟件構(gòu)成的，您提出的標(biāo)簽化馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)（LvNA）對(duì)軟件是否有更高的要求？

包老師：實(shí)際上，每一種硬件提出之后都需要相應(yīng)的軟件來適配，需要軟件將這些硬件的功能發(fā)揮出來。通觀計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展史，幾乎都是硬件提供新的功能，軟件隨后發(fā)生相應(yīng)的改變。當(dāng)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)帶了標(biāo)簽后，能夠通過標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)性能隔離，增強(qiáng)控制，這樣之后，軟件也需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，即要求軟件能夠與所設(shè)定的標(biāo)簽關(guān)聯(lián)起來，如該打什么樣的標(biāo)簽，如何根據(jù)不同的標(biāo)簽制定不同的規(guī)則，這就是我們通常講的軟件定義。

 5.相對(duì)于現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，標(biāo)簽化馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)（LvNA）的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在哪些方面？

包老師：這種新架構(gòu)的核心優(yōu)勢(shì)在于能夠增強(qiáng)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)體系架構(gòu)的控制能力。原來一些應(yīng)用在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的資源利用方面呈現(xiàn)一種無序共享狀態(tài)，就像馬路上的車輛不遵守交通規(guī)則一窩蜂地通行一樣，這樣會(huì)降低資源利用率。傳統(tǒng)的體系架構(gòu)沒有太關(guān)注這個(gè)問題，而事實(shí)上，這是數(shù)據(jù)中心里存在的一個(gè)非常核心的問題，倘若這個(gè)問題得不到解決，整個(gè)數(shù)據(jù)中心的資源利用效率將大大降低，成本將變得很高，用戶的體驗(yàn)也無法得到提升。我們提出這樣一個(gè)新體系架構(gòu)是從問題出發(fā)的，針對(duì)數(shù)據(jù)中心當(dāng)前面臨的這樣一個(gè)嚴(yán)峻的問題，經(jīng)過分析、調(diào)研之后，發(fā)現(xiàn)問題的癥結(jié)所在——無序共享，然后慢慢解決這個(gè)問題，最后，經(jīng)過總結(jié)才提出這個(gè)新架構(gòu)——標(biāo)簽化馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。

學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界都非常關(guān)注這種新架構(gòu)，包老師有信心未來標(biāo)簽化馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)將為計(jì)算機(jī)服務(wù)器研究與應(yīng)用帶來革新。

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