多CPU架构变迁之SMP、NUMA和MPP

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服务器最开始的时候是单CPU,然后才进化到了双CPU甚至多CPU的SMP架构。所谓SMP架构指的是多路CPU无主次,共享内存、总线、操作系统等。此时每个CPU访问内存任何地址所耗费的时间是相等的。所以也称为一致存储器访问结构

大家共享同样的内存,所以扩展能力有限,因为CPU数量增加了,内存访问冲突也会增加。为了进一步提高CPU数量的同时还能保证效率,NUMA架构出现了,将多个SMP进行松耦合。

非一致存储访问结构:(NUMA,Non-Uniform Memory Access)

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NUMA架构中,多个SMP通过Crossbar switch交换矩阵进行互联。
每个SMP有自己的内存,同时还可以访问其他SMP的内存,但是需要经过高速交换矩阵,很显然SMP访问自己的内存速度非常高,但是访问远端的SMP的内存还需要经过交换矩阵,延迟增加,可以看出NUMA通过牺牲内存的访问时延来达到更高的扩展性。

总之,SMP与NUMA架构对软件程序方面影响扩展性不大,一台主机内都使用单一的操作系统。
缺点是CPU数量增加,访问远端内存的时延也会增加,性能不能线性增加。此时MPP架构就出现了。

海量并行处理结构:(MPP,Massive Parallel Processing)

MPP说白了就是将多台独立的主机组成集群。显然在此架构下,每个节点都有各自的CPU、内存、IO总线、操作系统,完全松耦合。最关键的是MPP集群中的软件架构也相应的改变了,这样MPP的效率随节点数量增加就可以线性增加了。

其实如果NUMA架构下,如果通过上层软件来使得程序尽量少的读取远端的内存,NUMA效率也会线性增加。但是实际上NUMA操作系统仍然是同一个,内存仍然是全局均匀的,所以访问远端内存是不可避免的。

那么MPP相当于把内存强制分开,同时又改变了程序架构,这样就可以保证海量计算下的效率线性增加。

SMP和MP

在讲SMP之前需要先了解下MP系统的概念以及其分类

SMP(Symmetric multiprocessing,对称多处理器技术)是提高系统处理能力的一种方法。

单CPU同时只能处理一个线程,如果有许多线程需要执行,CPU数量必然是一个瓶颈,只能通过提高CPU频率提高处理性能。

MP技术(Multi-Processing,多处理技术)使用多个CPU能够协同工作,并行处理,每个CPU在执行队列中选取一个线程执行。

MP系统依据资源共享方式,有多种类型:

松耦合的多处理技术

许多不同系统通过网络通信技术进行互联,通常通过软件技术实现,例如IBM的SP系统(System Parallel,并行系统)、使用群集软件HACMP的并行版(PSSP),建立起松耦合的多处理架构。不同的系统被称为节点,可以互相共享文件、存储,但并不共享CPU和内存,通过专用高速网络进行节点间通信(SP系统专用的交换网络,或者Infinity Band网络等),利用软件控制任务分发和并行处理。

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小麦苗

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