NUMA（NonUniformMemoryAccessArchitecture）技術(shù)可以使眾多服務(wù)器像單一系統(tǒng)那樣運(yùn)轉(zhuǎn)，同時保留小系統(tǒng)便于編程和管理的優(yōu)點(diǎn)。基于電子商務(wù)應(yīng)用對內(nèi)存訪問提出的更高的要求，NUMA也向復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。

NUMA資料

• 中文名：非統(tǒng)一內(nèi)存訪問架構(gòu)
• 外文名：NonUniformMemoryAccessArchitecture
• 所屬類別：用于多處理器的電腦記憶體設(shè)計(jì)

產(chǎn)生

非統(tǒng)一內(nèi)存訪問（NUMA）是一種用于多處理器的電腦記憶體設(shè)計(jì)，內(nèi)存訪問時間取決于處理器的內(nèi)存位置。在NUMA下，處理器訪問它自己的本地存儲器的速度比非本地存儲器（存儲器的地方到另一個處理器之間共享的處理器或存儲器）快一些。

NUMA架構(gòu)在邏輯上遵循對稱多處理（SMP）架構(gòu)。它是在二十世紀(jì)九十年代被開發(fā)出來的，開發(fā)商包括Burruphs（優(yōu)利系統(tǒng)），ConvexComputer（惠普），意大利霍尼韋爾信息系統(tǒng)（HISI）的（后來的GroupBull），SiliconGraphics公司（后來的硅谷圖形），Sequent電腦系統(tǒng)（后來的IBM），通用數(shù)據(jù)（EMC），Digital（后來的Compaq，HP）。這些公司研發(fā)的技術(shù)后來在類Unix操作系統(tǒng)中大放異彩，并在一定程度上運(yùn)用到了WindowsNT中。

首次商業(yè)化實(shí)現(xiàn)基于NUMA的Unix系統(tǒng)的是對稱多處理XPS-100系列服務(wù)器，它是由VAST公司的DanGielen為HISI設(shè)計(jì)的。這個架構(gòu)的巨大成功使HISI成為了歐洲的頂級Unix廠商。

基本概念

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的處理速度比它的主存速度快不少。而在早期的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理中，CPU通常比它的主存慢。但是隨著超級計(jì)算機(jī)的到來，處理器和存儲器的性能在二十世紀(jì)六十年代達(dá)到平衡。自從那個時候，CPU常常對數(shù)據(jù)感到饑餓而且必須等待存儲器的數(shù)據(jù)到來。為了解決這個問題，很多在80和90年代的超級計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)專注于提供高速的存儲器訪問，使得計(jì)算機(jī)能夠高速地處理其他系統(tǒng)不能處理的大數(shù)據(jù)集。

限制訪問存儲器的次數(shù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)提高性能的要點(diǎn)。對于商品化的處理器，這意味著設(shè)置數(shù)量不斷增長的高速緩存和使用不斷變得精巧復(fù)雜的算法以防止“緩存數(shù)據(jù)缺失（cachemissed)”。但是操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序大小的明顯增長壓制了前述的緩存技術(shù)造成的提升。沒有使用NUMA的多處理器系統(tǒng)使得問題更糟糕。因?yàn)橥粫r間只能有一個處理器訪問計(jì)算機(jī)的存儲器，所以在一個系統(tǒng)中可能存在多個處理器在等待訪問存儲器。

NUMA通過提供分離的存儲器給各個處理器，避免當(dāng)多個處理器訪問同一個存儲器產(chǎn)生的性能損失來試圖解決這個問題。對于涉及到分散的數(shù)據(jù)的應(yīng)用（在服務(wù)器和類似于服務(wù)器的應(yīng)用中很常見），NUMA可以通過一個共享的存儲器提高性能至n倍，而n大約是處理器（或者分離的存儲器）的個數(shù)。

當(dāng)然，不是所有數(shù)據(jù)都局限于一個任務(wù)，所以多個處理器可能需要同一個數(shù)據(jù)。為了處理這種情況，NUMA系統(tǒng)包含了附加的軟件或者硬件來移動不同存儲器的數(shù)據(jù)。這個操作降低了對應(yīng)于這些存儲器的處理器的性能，所以總體的速度提升受制于運(yùn)行任務(wù)的特點(diǎn)。

介紹

當(dāng)今數(shù)據(jù)計(jì)算領(lǐng)域的主要應(yīng)用程序和模型可大致分為聯(lián)機(jī)事務(wù)處理（OLTP）、決策支持系統(tǒng)（DSS）和企業(yè)信息通訊（BusinessCommunications）三大類。而小型獨(dú)立服務(wù)器模式、SMP（對稱多處理）模式、MPP（大規(guī)模并行處理）模式和NUMA模式，則是上述3類系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在計(jì)算平臺的體系結(jié)構(gòu)方面可以采用的選擇。

為了全面的了解NUMA的優(yōu)勢，我們不妨先來考察一下這幾種模式在處理器與存儲器結(jié)構(gòu)方面的區(qū)別。

SMP模式將多個處理器與一個集中的存儲器相連。在SMP模式下，所有處理器都可以訪問同一個系統(tǒng)物理存儲器，這就意味著SMP系統(tǒng)只運(yùn)行操作系統(tǒng)的一個拷貝。因此SMP系統(tǒng)有時也被稱為一致存儲器訪問（UMA）結(jié)構(gòu)體系，一致性意指無論在什么時候，處理器只能為內(nèi)存的每個數(shù)據(jù)保持或共享唯一一個數(shù)值。很顯然，SMP的缺點(diǎn)是可伸縮性有限，因?yàn)樵诖鎯ζ鹘涌谶_(dá)到飽和的時候，增加處理器并不能獲得更高的性能。

MPP模式則是一種分布式存儲器模式，能夠?qū)⒏嗟奶幚砥骷{入一個系統(tǒng)的存儲器。一個分布式存儲器模式具有多個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)都有自己的存儲器，可以配置為SMP模式，也可以配置為非SMP模式。單個的節(jié)點(diǎn)相互連接起來就形成了一個總系統(tǒng)。MPP體系結(jié)構(gòu)對硬件開發(fā)商頗具吸引力，因?yàn)樗鼈兂霈F(xiàn)的問題比較容易解決，開發(fā)成本比較低。由于沒有硬件支持共享內(nèi)存或高速緩存一致性的問題，所以比較容易實(shí)現(xiàn)大量處理器的連接。

可見，單一SMP模式與MPP模式的關(guān)鍵區(qū)別在于，在SMP模式中，數(shù)據(jù)一致性是由硬件專門管理的，這樣做比較容易實(shí)現(xiàn)，但成本較高；在MPP模式中，節(jié)點(diǎn)之間的一致性是由軟件來管理，因此，它的速度相對較慢，但成本卻低得多。

在美國某大學(xué)的研究項(xiàng)目中被提出來的NUMA模式，也采用了分布式存儲器模式，不同的是所有節(jié)點(diǎn)中的處理器都可以訪問全部的系統(tǒng)物理存儲器。然而，每個處理器訪問本節(jié)點(diǎn)內(nèi)的存儲器所需要的時間，可能比訪問某些遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)內(nèi)的存儲器所花的時間要少得多。換句話說，也就是訪問存儲器的時間是不一致的，這也就是這種模式之所以被稱為“NUMA”的原因。簡而言之，NUMA既保持了SMP模式單一操作系統(tǒng)拷貝、簡便的應(yīng)用程序編程模式以及易于管理的特點(diǎn)，又繼承了MPP模式的可擴(kuò)充性，可以有效地?cái)U(kuò)充系統(tǒng)的規(guī)模。這也正是NUMA的優(yōu)勢所在。

緩存

幾乎所有利用少量的極快的非共享的內(nèi)存例如cache的CPU結(jié)構(gòu)利用內(nèi)存訪問方法中引用的位置。使用NUMA的系統(tǒng)，在共享內(nèi)存時維持高速緩存一致性的開銷非常大。盡管設(shè)計(jì)與搭建更簡單，但是非一致性高速緩存NUMA系統(tǒng)編程在馮諾依曼編程架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)下變得非常復(fù)雜。

NUMA

典型的，ccNUMA在緩存控制器中使用處理器間通信，以此來保持穩(wěn)定的存儲器映像當(dāng)多個緩存試圖存儲在同一個內(nèi)存位置時。由于這個原因，當(dāng)多處理器快速連續(xù)的嘗試訪問相同的內(nèi)存區(qū)時ccNUMA可能表現(xiàn)比較差。支持NUMA的操作系統(tǒng)嘗試通過以NUMA友好的方式分配處理器和內(nèi)存，同時避免會使NUMA非友好方式成為必然的調(diào)度、鎖定算法來降低這種類型訪問的頻率。另外，緩存一致性協(xié)議如MESIF協(xié)議試圖減少需要維護(hù)緩存一致性的通信?？蓴U(kuò)展一致性接口(SCI)是一個IEEE標(biāo)準(zhǔn)定義的一個基于目錄的緩存一致性協(xié)議，以避免在早期的多處理器系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的可擴(kuò)展性限制。SCI被用作NumascaleNumaConnect的基礎(chǔ)技術(shù)。

截止2011年，ccNUMA系統(tǒng)是基于AMDOpteron處理器的多處理器系統(tǒng)（該系統(tǒng)可以在沒有外部邏輯的情況下執(zhí)行），或者基于英特爾安騰處理器（需要芯片組以支持NUMA的系統(tǒng)）。支持CCNUMA的芯片組例子有SGISHUB(Superhub)，IntelE8870，HPsx2000（在IntegrityandSuperdome服務(wù)器中使用），和那些以NECItanium-based的系統(tǒng)上。早期ccNUMA系統(tǒng)例如那些來自硅谷圖形（計(jì)算機(jī)公司）是基于MIPS處理器和DECAlpha21364(EV7)處理器的。

發(fā)展經(jīng)過

Sequent公司是世界公認(rèn)的NUMA技術(shù)領(lǐng)袖。早在1986年，Sequent公司率先利用微處理器作為創(chuàng)建大型系統(tǒng)的構(gòu)建，開發(fā)了基于Unix的SMP體系結(jié)構(gòu)，開創(chuàng)了業(yè)界轉(zhuǎn)入SMP領(lǐng)域的先河。1999年9月，IBM公司收購了Sequent公司，將NUMA技術(shù)集成到IBMUnix陣營中，并推出了能夠支持和擴(kuò)展Intel平臺的NUMA-Q系統(tǒng)及解決方案，為全球大型企業(yè)客戶適應(yīng)高速發(fā)展的電子商務(wù)市場提供了更加多樣化、高可擴(kuò)展性及易于管理的選擇，成為NUMA技術(shù)的領(lǐng)先開發(fā)者與革新者。

此后，IBM還推出了名為NUMACenter的多層次系統(tǒng)，集成了Unix和WindowsNT系統(tǒng)優(yōu)勢，為WindowsNT應(yīng)用程序提供了預(yù)集成的環(huán)境，允許客戶在高可擴(kuò)充性和高可用性的Unix數(shù)據(jù)層中，自由使用WindowsNT應(yīng)用程序，有效的實(shí)現(xiàn)了Unix和WindowsNT的互操作。

NUMA-Q結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成是Intel的4個處理器組建塊（Quad）設(shè)計(jì)，NUMA-Q實(shí)現(xiàn)的2項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是Quad設(shè)計(jì)和IQ-Link互連設(shè)備。NUMA-QQuad由4個處理器、一定數(shù)量的內(nèi)存和7個位于PCI通道的PCI插槽組成。NUMA-Q體系結(jié)構(gòu)利用Quad實(shí)現(xiàn)了CC-NUMA結(jié)構(gòu)，大規(guī)模擴(kuò)展并保留了SMP編程模式，并可提供容錯光纖通道I/O子系統(tǒng)，使SMP應(yīng)用程序能運(yùn)行于其上。NUMA-Q能在單一節(jié)點(diǎn)上支持高達(dá)256個處理器。IQ-Link互聯(lián)設(shè)備是NUMA-QQuad總線間的互聯(lián)設(shè)備，這種互聯(lián)設(shè)備的一致性嚴(yán)格以硬件實(shí)現(xiàn)，不需要用軟件維護(hù)。IQ-Link互聯(lián)設(shè)備允許使用多個低延遲總線，具備低延遲和吞吐量高的特點(diǎn)，提供了很強(qiáng)的系統(tǒng)可擴(kuò)充性和整體性能。

可見，這種體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于：首先，NUMA的突破性技術(shù)徹底擺脫了傳統(tǒng)的超大總線對多處理結(jié)構(gòu)的束縛。它大大增強(qiáng)單一操作系統(tǒng)可管理的處理器、內(nèi)存和I/O插槽。

其次，NUMA設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是讓處理器快速的訪問在同一單元的內(nèi)存，NUMA-Q處理器訪問同一單元上的內(nèi)存的速度比一般SMP模式超出一倍。并且，NUMA-Q操作系統(tǒng)充分利用處理器緩存，能達(dá)到極高的尋址命中率。SMP模式雖然比NUMA簡單，但是，所有的處理器訪問內(nèi)存的時間是一致且緩慢的。同時，基于SMP的總線存著在一個物理極限，令系統(tǒng)的擴(kuò)充性逐步降低。此外，在基于SMP體系結(jié)構(gòu)的大型系統(tǒng)中，平衡的增加處理器、I/O和內(nèi)存變得更加困難。

此外，NUMA系統(tǒng)提供內(nèi)存互連的硬件系統(tǒng)，這種技術(shù)可以開發(fā)新型動態(tài)的分區(qū)系統(tǒng)。系統(tǒng)分區(qū)的好處在于允許系統(tǒng)管理員在同一計(jì)算機(jī)內(nèi)運(yùn)行多個操作系統(tǒng)（如Unix和WindowsNT），并根據(jù)用戶工作負(fù)荷的要求，在不同的操作系統(tǒng)環(huán)境間，簡單的管理和使用CPU和內(nèi)存資源，從而實(shí)現(xiàn)最佳的性能和最高的資源利用率。

NUMA-Q現(xiàn)已成為IBM互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器部門的支柱產(chǎn)品，加強(qiáng)了IBM服務(wù)器在電子商務(wù)領(lǐng)域的競爭力。不難看出，NUMA-Q的目標(biāo)市場是那些解決“關(guān)鍵事務(wù)性”（Mission-Critical）的商業(yè)數(shù)據(jù)中心。這些商業(yè)數(shù)據(jù)中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有一些共同的特征，如具有高可用性、高可靠性、能夠適應(yīng)與日俱增的性能需求的高可擴(kuò)充性的特點(diǎn)。NUMA-Q體系結(jié)構(gòu)可以幫助聯(lián)機(jī)事務(wù)處理、決策支持系統(tǒng)和企業(yè)信息通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建這種大規(guī)模的“關(guān)鍵事務(wù)性”解決方案。

因此，NUMA-Q廣泛的適用于具有大量I/O計(jì)算、商業(yè)智能、客戶關(guān)系管理、企業(yè)資源規(guī)劃的環(huán)境。它給企業(yè)提供利用同一組部件創(chuàng)建多種體系結(jié)構(gòu)的靈活性，以及適用于多種解決方案的高可用性和高可管理性的工具集，同時可以支持多用戶和更大的吞吐量，減少客戶故障停機(jī)時間，提升了I/O功能，實(shí)現(xiàn)更大的聯(lián)機(jī)存儲與備份能力，并具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以最大程度地保護(hù)客戶的投資。

目前，包括美國Nasdaq證券自動報價系統(tǒng)，波音飛機(jī)制造公司、福特汽車公司等在內(nèi)的諸多國際著名企業(yè)都選用了IBMNUMA-Q體系結(jié)構(gòu)的服務(wù)器，全球最大的Internet兒童產(chǎn)品零售商eToys依靠NUMA-Q成功地實(shí)現(xiàn)了電子商務(wù)。國內(nèi)已有很多大型企業(yè)，包括中國銀行、中國建設(shè)銀行、郵政儲蓄管理局、北京西單商場股份有限公司及國務(wù)院辦公廳等等部門，采用IBMNUMA-Q建立了自己的系統(tǒng)環(huán)境。

業(yè)界許多服務(wù)器產(chǎn)品供應(yīng)商，如Sun、HP、Compaq、Unisys、SGI和DataGeneral等廠商的硬件結(jié)構(gòu)也將向NUMA結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移，很多廠商正在計(jì)劃或正在研制基于NUMA體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。IBM也將推出更有競爭力的第4代NUMA-Q體系結(jié)構(gòu)，迎接NUMA對復(fù)雜設(shè)計(jì)、多路I/O提出的挑戰(zhàn)。

高速緩存相關(guān)的非一致性內(nèi)存訪問（CacheCoherentNon-UniformMemoryAccess，CC-NUMA）是NUMA的一種類型。在CC-NUMA系統(tǒng)中，分布式內(nèi)存相連接形成單一內(nèi)存，內(nèi)存之間沒有頁面復(fù)制或數(shù)據(jù)復(fù)制，也沒有軟件消息傳送。CC-NUMA只有一個內(nèi)存映象，存儲部件利用銅纜和某些智能硬件進(jìn)行物理連接。CacheCoherent是指不需要軟件來保持多個數(shù)據(jù)拷貝的一致性，也不需要軟件來實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)與應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。如同在SMP模式中一樣，單一操作系統(tǒng)和多個處理器完全在硬件級實(shí)現(xiàn)管理。

高速緩存唯一的內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)（Cache-OnlyMemoryArchitecture，COMA）是CC-NUMA體系結(jié)構(gòu)的競爭者，兩者擁有相同的目標(biāo)，但實(shí)現(xiàn)方式不同。COMA節(jié)點(diǎn)不對內(nèi)存部件進(jìn)行分布，也不通過互連設(shè)備使整個系統(tǒng)保持一致性。COMA節(jié)點(diǎn)沒有內(nèi)存，只在每個Quad中配置大容量的高速緩存。

集群運(yùn)算

我們可以把NUMA看作集群運(yùn)算的一個緊密耦合的形式。虛擬內(nèi)存對集群結(jié)構(gòu)的頁式調(diào)度技術(shù)的加入更是使得NUMA可以完全由軟件實(shí)現(xiàn)。基于軟件的NUMA在節(jié)點(diǎn)間的延遲仍然比基于硬件的NUMA大幾個數(shù)量級。