阿里云首發(fā)CIPU處理器，這次要搶CPU的C位，為OS反向自研

蕭簫 2022-06-13 11:51:56 來源：量子位

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量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

阿里硬件研發(fā)，又有大動(dòng)作。

剛剛，阿里云正式對(duì)外發(fā)布全新處理器：CIPU。

不僅架構(gòu)全自研，還號(hào)稱要“替代CPU成為新一代云計(jì)算核心硬件”！

云計(jì)算搞了這么些年，CPU在數(shù)據(jù)中心可一直還是牢牢占據(jù)“C位”。

就在去年，阿里還花大力氣推出了5nm的服務(wù)器CPU倚天710。

這怎么就突然要打破傳統(tǒng)了呢？

CIPU，這個(gè)比CPU多了一個(gè)I的新面孔，究竟什么來頭？

CIPU究竟是什么？

CIPU全稱Cloud Infrastructure Processing Units，意為云基礎(chǔ)設(shè)施處理器。

從名字上就能看出，這是一顆云端處理器，專門用于連接服務(wù)器內(nèi)硬件和云上虛擬化資源。

據(jù)阿里云介紹，之所以用CIPU取代以CPU為核心的架構(gòu)，就是為了更好地“壓榨”服務(wù)器硬件、獲取更多虛擬化資源，并讓已有的資源用起來更順手。

軟件上，CIPU接入飛天云操作系統(tǒng)，更高效地完成虛擬化資源編排調(diào)度的工作；

硬件上，飛天操作系統(tǒng)通過CIPU能快速云化管理數(shù)據(jù)中心物理設(shè)備，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)硬件進(jìn)行加速，這樣一來不僅不會(huì)再浪費(fèi)CPU的算力，還能增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)性能。

從功能來說，它擁有四大特性：

• 云原生最佳載體，即每個(gè)裸金屬系統(tǒng)能運(yùn)行2000個(gè)容器，并用沙箱容器技術(shù)為容器提供更安全的隔離，鏈路啟動(dòng)速度在50ms以內(nèi)；
• 芯片直接實(shí)現(xiàn)IO引擎，其中存儲(chǔ)I/O操作每秒可進(jìn)行300萬(wàn)次，網(wǎng)絡(luò)I/O最高每秒5000萬(wàn)個(gè)分組數(shù)據(jù)包，存儲(chǔ)長(zhǎng)尾時(shí)延降低50%；
• 芯片級(jí)安全加固，即能高速卸載加密后的數(shù)據(jù)，將芯片級(jí)硬件的不可篡改性映射到軟件上；
• 增強(qiáng)型融合網(wǎng)絡(luò)，即在RDMA技術(shù)加持下，網(wǎng)絡(luò)延遲最低達(dá)到5微秒，帶寬最高能達(dá)到200GB。

從性能來說，它又給計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)三類資源帶來了不少提升。

計(jì)算上，CIPU能快速接入不同類型資源的神龍?jiān)品?wù)器，單容器虛擬化消耗減少50%，啟動(dòng)速度快350%。以運(yùn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)器為例，Nginx性能就提升了89%，Redis提升68%，MySQL提升60%，此外對(duì)于AI和大數(shù)據(jù)場(chǎng)景也有提升。

存儲(chǔ)上，CIPU能對(duì)存算分離架構(gòu)的塊存儲(chǔ)接入進(jìn)行硬件加速，存儲(chǔ)時(shí)延最低達(dá)到30微秒，帶寬最高200Gbps，支持云上多計(jì)算節(jié)點(diǎn)NVME共享訪問云盤塊存儲(chǔ)，Oracle RAC、SAP Hana等高可用數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)縫上云。

網(wǎng)絡(luò)上，CIPU對(duì)高帶寬物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了硬件加速，基礎(chǔ)帶寬達(dá)到200GB，并采用自研的RDMA-Solar協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延降低至16us，相較自建物理機(jī)的集群吞吐量提升30%、業(yè)務(wù)高峰期延遲下降90%。

有意思的是，阿里云這款CIPU處理器，其實(shí)已經(jīng)在內(nèi)部打磨好幾年了。

它最初的“靈感”，來自于阿里云內(nèi)部一個(gè)叫做神龍卡的設(shè)備。

神龍卡誕生于2017年，從功能上來講有點(diǎn)類似于AWS發(fā)布的一款名叫Nitro的平臺(tái)（集成了虛擬機(jī)監(jiān)視器、帶外管理等功能），甚至比AWS發(fā)布的時(shí)間更早一點(diǎn)。

經(jīng)過了好幾輪迭代后，神龍卡逐漸加入了編排調(diào)度、硬件加速等更多能力，最終誕生了CIPU的雛形，隨后也在繼續(xù)完善這一款產(chǎn)品。

一方面，據(jù)阿里云智能云架構(gòu)總監(jiān)黃瑞瑞介紹，在這幾年里，CIPU已經(jīng)承受過像“雙十一”這種體量的性能&壓力“測(cè)試”了。

另一方面，有不少阿里云的客戶，也或多或少已經(jīng)使用過基于CIPU的云計(jì)算服務(wù)。雖然客戶可能對(duì)底層硬件層沒有直接的感知，但阿里云的網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等性能，這幾年確實(shí)在不斷上升，例如，不久前阿里云就成為國(guó)內(nèi)唯一獲評(píng)全球十大計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究機(jī)構(gòu)的中國(guó)企業(yè)。

如今來看，CIPU的出現(xiàn)確實(shí)再次打破了云計(jì)算的“瓶頸”，將整體性能提升了一大部分。

不過，要說推翻CPU在云數(shù)據(jù)中心里“C位”的想法，倒也不是阿里一家有之。

在市面上相似概念的產(chǎn)品里，CIPU相比IPU、DPU來說，又究竟有什么不同？

為什么是CIPU

要說清楚這件事兒，還是得從云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展歷程說起。

過去十幾年來云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，可以大體分為兩個(gè)階段。

第一階段，在分布式技術(shù)的推動(dòng)之下，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)開始將業(yè)務(wù)從大型機(jī)向分布式系統(tǒng)遷移，打下了分布式架構(gòu)的底座。

第二階段，資源池化技術(shù)出現(xiàn)。這一技術(shù)通過計(jì)算存儲(chǔ)分離的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)資源的統(tǒng)一調(diào)度編排，使得彈性計(jì)算成為可能。

對(duì)于用戶而言，這也就意味著云計(jì)算可靠性和可用性的極大提升。

在這兩個(gè)階段，計(jì)算體系架構(gòu)都是以CPU為核心的。

但當(dāng)云計(jì)算發(fā)展到今天，以大數(shù)據(jù)應(yīng)用為代表的數(shù)據(jù)密集型場(chǎng)景越來越多，這種以CPU為中心的架構(gòu)便開始暴露短板：

首先，以CPU為中心的架構(gòu)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)傳輸之間的時(shí)延較大。

其次，大數(shù)據(jù)應(yīng)用增多，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心內(nèi)部數(shù)據(jù)遷移量增大，以CPU為中心的架構(gòu)無(wú)法提供高帶寬。

再者，以阿里云為例，其在全球27個(gè)國(guó)家和地區(qū)、84個(gè)可用區(qū)管理著上百萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器。但以CPU為中心的架構(gòu)很難解決這種超大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施的復(fù)雜管理問題。

如此一來，解決之道也就指向了一個(gè)方向：打破以CPU為中心的傳統(tǒng)云計(jì)算體系架構(gòu)，定義新一代云計(jì)算基礎(chǔ)技術(shù)。

而這也正是如今各大廠商所追逐的最新技術(shù)熱點(diǎn)。

比如英偉達(dá)的DPU（Data Processing Units），2020年10月一經(jīng)發(fā)布，便在業(yè)界引發(fā)熱議。

顧名思義，DPU側(cè)重解決的是數(shù)據(jù)遷移帶寬的問題。作為集成加速平臺(tái)，DPU能夠從CPU上卸載關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和安全任務(wù)，降低CPU的開銷。

老黃當(dāng)時(shí)表示：

數(shù)據(jù)中心已成為新型計(jì)算單元，而DPU是其重要的組成部分。CPU、GPU和DPU的結(jié)合，可構(gòu)成完全可編程的單一AI計(jì)算單元，提供前所未有的安全性和算力。

而英特爾也緊隨其后，提出了“IPU”（Infrastructure Processing Units）的概念。

相比于DPU，IPU更強(qiáng)調(diào)虛擬化云化能力，通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)管理以及安全等功能，加速網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，釋放CPU核來提高應(yīng)用程序性能。

盡管在概念上有些許區(qū)分，但無(wú)論是DPU還是IPU，都是想通過軟件定義+硬件加速的方式，替代CPU成為數(shù)據(jù)中心的核心硬件。

由此也可以看出，阿里云此番推出的CIPU，更像是IPU和DPU的綜合體，既能云化虛擬化管控?cái)?shù)據(jù)中心，又能解決數(shù)據(jù)遷移帶寬的問題。

而更大的區(qū)別在于，阿里云本身就是一家云廠商，還是有飛天云操作系統(tǒng)的那一種。

這就意味著，與英偉達(dá)、英特爾這樣的硬件廠商不同，阿里云對(duì)于云計(jì)算技術(shù)發(fā)展各個(gè)階段所面臨的問題，有更為切身的體會(huì)。

前文提到，CIPU是一顆專門為飛天系統(tǒng)設(shè)計(jì)的處理器。也就是說，它從設(shè)計(jì)之初，就是貼合云計(jì)算行業(yè)痛點(diǎn)、結(jié)合飛天系統(tǒng)特點(diǎn)去做的。

這樣的軟硬一體化，一方面，既能通過硬件提供高性能，又能通過軟件提供靈活性。

另一方面，從一開始就避免了適配性的問題，能通過1+1＞2的方式，做到更強(qiáng)的性能、更低的價(jià)格、更高的穩(wěn)定性。

自主研發(fā)的云計(jì)算

如此看來，最先享受到這波技術(shù)發(fā)展紅利的，就是云上用戶們——

云計(jì)算能做到更高的性價(jià)比了。

而作為CIPU背后的云廠商，阿里云此番技術(shù)發(fā)布，也扣上了云計(jì)算技術(shù)國(guó)產(chǎn)化在新階段的重要一環(huán)。

以阿里云自身為例：

2009年，阿里云自研云計(jì)算操作系統(tǒng)飛天誕生。雙11、12306春運(yùn)購(gòu)票等大家津津樂道的極限并發(fā)場(chǎng)景，都跑在這個(gè)系統(tǒng)之上。

2017年，為了解決服務(wù)器虛擬化性能損耗的問題，阿里云自主研發(fā)了神龍架構(gòu)（就是上文提到的神龍卡），通過把虛擬化轉(zhuǎn)移到專用硬件中進(jìn)行加速，實(shí)現(xiàn)了性能“0損耗”。

在云存儲(chǔ)技術(shù)方面，阿里云自研的盤古分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)，推動(dòng)了面向數(shù)據(jù)中心ZNSSSD國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。與西部數(shù)據(jù)（WD）共同提出的NVMe2.0，是目前云計(jì)算業(yè)內(nèi)最為先進(jìn)的軟硬一體深度融合的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)。

去年，阿里云還發(fā)布了首款CPU倚天710，刷新了Arm服務(wù)器芯片性能紀(jì)錄。

……

從網(wǎng)絡(luò)到存儲(chǔ)，從軟件到硬件，通過13年的技術(shù)積累、自主研發(fā)，阿里云作為國(guó)內(nèi)云廠商的代表，正在世界云計(jì)算的舞臺(tái)上發(fā)出越來越高的聲量。

而CIPU的推出，則意味著這種在技術(shù)自主化方面的努力，或許已更進(jìn)一步：

嘗試打破海外云廠商、硬件廠商定義的傳統(tǒng)發(fā)展路線，走出一條自己的新路。

每當(dāng)技術(shù)發(fā)展到一個(gè)更新?lián)Q代的新階段，圍繞話語(yǔ)權(quán)的競(jìng)爭(zhēng)往往精彩不斷，影響更甚于科技圈本身。

5G如是，云技術(shù)亦如是。

好戲或許才剛剛開場(chǎng)。