走進K1 Power——看IPS如何綻放Power之光

數(shù)字化轉(zhuǎn)型正在對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進行重塑，人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)……為千行百業(yè)的智能升級注入了先進生產(chǎn)力，與此同時，這些前沿技術(shù)對智慧計算場景的資源需求也呈現(xiàn)指數(shù)級增長。數(shù)據(jù)顯示，中國的關(guān)鍵應(yīng)用市場將保持年均10%左右的提升，預計到2020年會有接近100億的規(guī)模。提到處理關(guān)鍵業(yè)務(wù)和密集型負載，相信Power會是很多企業(yè)的選擇。如今，圍繞POWER——這一體系結(jié)構(gòu)和通用處理器工程設(shè)計領(lǐng)域的最佳實踐，開放的生態(tài)正使其發(fā)展得愈發(fā)繁茂，而浪潮商用機器有限公司(IPS)即是孕育這一片沃土的重要力量。

從1993年搭載10顆486 CPU的SMP2000，到2007年高效能服務(wù)器和存儲技術(shù)國家重點實驗室落戶浪潮，再到2010年400多位浪潮工程師耗費4年研制成功K1小型機，使得中國成為除美國、日本之外全球第三個具備關(guān)鍵應(yīng)用主機研制能力的國家……直至2018年基于POWER處理器的K1 Power產(chǎn)品線上市，浪潮在國內(nèi)高端小型機設(shè)計的道路上始終扮演著引領(lǐng)者的角色。然而，每一次成功的背后都是關(guān)鍵技術(shù)的突破，時至今日，浪潮商用機器有限公司副總經(jīng)理黃家明仍記憶猶新。

浪潮商用機器有限公司副總經(jīng)理黃家明

2010年32路安騰架構(gòu)的機器出來時，面臨著一個大問題就是x86處理器通過緩存一致性協(xié)議的互聯(lián)，GPU要和主處理器共享內(nèi)存。為了讓機器發(fā)揮更大的擴展效率，芯片之間要具備互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，但當時使用英特爾QPI協(xié)議連接要符合其處理器接口和規(guī)范，必須經(jīng)過授權(quán)，如果是自主芯片之間使用QPI互聯(lián)是被禁止的，因此浪潮要自行研發(fā)高速協(xié)議網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)緩存一致性。

“我們做了緩存一致性的協(xié)議處理芯片。這個芯片類似于一個沒有計算核心的處理器，但是能夠處理處理器核心之間通信的緩存一致性，這樣能夠把32路的安騰芯片結(jié)合起來，形成一臺機器來跑，這是國內(nèi)的重要突破。”黃家明說。這枚芯片是專為與QPI協(xié)議對接設(shè)計的，可以和英特爾處理器通信，能理解每一次緩存、每一次內(nèi)存事務(wù)的過程。這次互聯(lián)協(xié)議的技術(shù)攻關(guān)，為日后在其他平臺上做不同的協(xié)議實現(xiàn)奠定了研發(fā)基礎(chǔ)。

堅持自主創(chuàng)新，浪潮一直引領(lǐng)著國內(nèi)高端小型機設(shè)計發(fā)展方向，突破了小型機多項核心技術(shù)，其中，浪潮自研的雙翼可擴展緊耦合體系架構(gòu)，支持互連網(wǎng)絡(luò)單跳步32路擴展，獲得了PCT國際專利授權(quán)。在體系結(jié)構(gòu)之上，浪潮消除了底層硬件差異化，在整機上開發(fā)了KUX操作系統(tǒng)，向上與UNIX接口兼容。關(guān)鍵應(yīng)用層面，浪潮一方面支持IBM DB2的部署，另一方面對與Oracle最接近且兼容性最好的KDB數(shù)據(jù)庫進行移植，并且通過了IBM的嚴苛測試。

正是由于浪潮在架構(gòu)設(shè)計和關(guān)鍵應(yīng)用上的自研實力，為K1 Power的誕生鋪平了道路。目前，IPS在2019年上半年中國UNIX市場的占有率已超過64%，以往購買過POWER8的金融客戶中，有80%是省、市級城商行，以及農(nóng)信和全國的股份制銀行，這些銀行有80%均購買了IPS的設(shè)備，后者為舊版Power機器提供了平滑、無縫的遷移方案。核心客戶的認可足以說明K1 Power的過硬品質(zhì)，而這也得益于IPS的一系列“秘密武器”。

“獨步江湖”的高性能體驗

作為瞄準核心業(yè)務(wù)應(yīng)用的動力源泉，POWER處理器在性能設(shè)計方面的獨特性一直“獨步江湖”。通常，如果是x86處理器每個內(nèi)核能支持2個線程，那么POWER處理器的每個內(nèi)核就可以有8個線程，8路多線程POWER處理器內(nèi)核的平均性能幾乎是x86內(nèi)核的兩倍。較上一代產(chǎn)品，POWER9處理器的主頻可以達到4GHz，每核性能提升40%，單核線程數(shù)提升4倍，L3高速緩存提升3.3倍，處理器互聯(lián)帶寬提升7倍，單處理器內(nèi)存容量提升2.7倍，內(nèi)存帶寬提升2倍，I/O總帶寬提升2倍，支持PCIe 4.0、NVLink 2.0、CAPI 2.0、New CAPI等協(xié)議。

“Power支持PCIe 4.0和NVLink 2.0，可以對CPU和I/O之間提供高帶寬支持，滿足關(guān)鍵應(yīng)用負載的要求。”浪潮商用機器有限公司產(chǎn)品研發(fā)部副總經(jīng)理尹宏偉表示，“K1 Power在商業(yè)數(shù)據(jù)庫如EDB、DB2和Oracle、SPARC這類應(yīng)用系統(tǒng)上，都是兩倍以上的性能提升。對于開源的數(shù)據(jù)庫，我們的測試也是有兩倍以上的性能增長。”此外，整機性能更強的Power服務(wù)器還可以通過分區(qū)的形式滿足不同的應(yīng)用負載，大幅提升資源使用效率。

在關(guān)鍵業(yè)務(wù)場景，Power一貫的Scale Up優(yōu)勢使其在核心數(shù)據(jù)庫平臺能夠輕松處理大規(guī)模業(yè)務(wù)并發(fā)，而在像分布式存儲、大數(shù)據(jù)、AI等新興的業(yè)務(wù)場景，Power同樣優(yōu)勢明顯。例如在運行開源數(shù)據(jù)庫MariaDB時，搭載POWER9 LaGrange處理器的雙路FP5290G2較四路x86 6148平臺，每核性能提升1.6倍，CPU整體性能提升1.75倍。對于客戶應(yīng)用來說，在同等功耗和同等計算空間內(nèi)，得到了翻倍的性能提升，有效降低了TCO。

此外，IPS研發(fā)團隊還針對客戶具體需求進行定制化研發(fā)調(diào)優(yōu)，使得K1 Power在特定場景下的運行能力顯著加強。浪潮商用機器有限公司產(chǎn)品營銷部總經(jīng)理江豫京介紹稱：“前段時間，我們和國家某個證券相關(guān)機構(gòu)做了POC測試，用K1 Power加上國產(chǎn)的存儲設(shè)備來搭建平臺，替換以前的系統(tǒng)。在僅遷移平臺(300個應(yīng)用)，還沒有做調(diào)優(yōu)的情況下，我們的性能提升就讓業(yè)務(wù)時間節(jié)省了40%。因此，基于浪潮在高端服務(wù)器研發(fā)和設(shè)計的技術(shù)積累，結(jié)合POWER服務(wù)器的強大功能，我們有信心在關(guān)鍵業(yè)務(wù)和創(chuàng)新應(yīng)用場景下為客戶帶來更多價值。”

不僅跑得快 還要跑得穩(wěn)

就像一輛好的超級跑車，不僅要有飛一般的速度，跑得穩(wěn)才是成功抵達終點的保障。穩(wěn)定性、可靠性，以及設(shè)計、性能、服務(wù)等維度的高標準，是Power在設(shè)計之初就秉承的第一要務(wù)。通過引入RAS(Reliability、Availability、Serviceability)設(shè)計理念，并增加獨立的故障服務(wù)處理器等模塊，K1 Power要在部件、系統(tǒng)、測試、散熱等各個維度實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。用黃家明的話說，半導體器繁多的顆粒總會出現(xiàn)或大或小的問題，處理這些問題需要多個業(yè)務(wù)部門的協(xié)作，所涉及的必要技術(shù)手段就是冗余。

RAS設(shè)計理念

除了空間冗余，即多路徑冗余容錯，還要考慮到時間冗余，與x86仿真指令可能出現(xiàn)的讀回故障導致宕機不同，Power支持的指令集重試和動態(tài)路徑選擇，使得其在遇到指令路徑訪問不通時，可以重新選一條路徑去訪問遠程的內(nèi)存，這樣就大幅降低了故障率。即可理解為每個系統(tǒng)控制單元中有兩個冗余的時鐘卡，通過線纜對系統(tǒng)提供冗余的時鐘，當任意一個時鐘卡出現(xiàn)故障時，另一組時鐘可以無縫切換保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

無論是CPU與CPU之間，還是CPU與內(nèi)存之間，亦或是內(nèi)存DRAM芯片本身，IPS將冗余做到了芯片級、鏈路級和板機布線層面。例如在部件和鏈路上，電源的穩(wěn)壓模塊做到了N+2的冗余設(shè)計，相當于有多套變壓器把系統(tǒng)12V電壓分給板機的各個元器件使用，而x86則是一套變壓器供多個電壓給板機系統(tǒng)使用。對于電源、SMP線纜、時鐘、FSP模塊、I/O控制器等關(guān)鍵部件，IPS都做了冗余設(shè)計。

除此之外，K1 Power還借助多達16萬個故障檢查器，實時監(jiān)測著系統(tǒng)運行狀態(tài)，對故障進行捕獲，并在故障擴散傳播之前隔離到限定區(qū)進行在線修復，甚至可以做到對CPU內(nèi)部核心級別的故障隔離，確保系統(tǒng)持續(xù)運行。為此，IPS的首錯數(shù)據(jù)捕獲機制FFDC(First Failure Data Capture)在設(shè)計階段就在進行各類錯誤模擬，在實際運行階段會做錯誤捕獲。發(fā)生錯誤之后，在維護階段還可以做錯誤重現(xiàn)，把所有可能產(chǎn)生的錯誤提前做到預警、備案和處理。對于沒有糾錯機制的部件，K1 Power還支持重試機制，通過重試來判斷故障是否為真。

在黃家明看來，錯誤捕獲和隔離的RAS設(shè)計可以看作是Power的精華，“因為這部分RAS實際上涉及到了各個方面，而且每一項功能的實現(xiàn)都要從芯片出發(fā)，從板機的設(shè)計到系統(tǒng)的設(shè)計，以及操作系統(tǒng)的固件、BIOS，這就需要與負責操作系統(tǒng)的同事合作實現(xiàn)，因為操作系統(tǒng)里面需要加入更多針對性的內(nèi)核驅(qū)動去處理這些故障，涉及到內(nèi)存的隔離、遷移，包括內(nèi)存數(shù)據(jù)多副本的故障轉(zhuǎn)移等。這就要求有一個專門面向高可靠性設(shè)計的團隊。”

只做超出客戶預期的產(chǎn)品

筆者記得浪潮商用機器有限公司總經(jīng)理胡雷鈞曾講述過一個生動的體驗：在地鐵建設(shè)過程中，有很多項目是需要趕工期的，有時候整個土建還沒有完成，信息化設(shè)備就進場了。機器里面積了一層土，連芯片上面的字都看不見了，但Power的機器依然能夠穩(wěn)定運行，而且是在高鹽、高蝕，高粉末粉塵的環(huán)境中。這樣高品質(zhì)的機器所經(jīng)歷的硬件設(shè)計考驗必定也是極端嚴格的。

由于Power處理的信號都是高速信號，對信號之間的干擾非常敏感，為了保證高速信號在CPU、內(nèi)存、I/O、加速器之間傳遞的穩(wěn)定性，所有與高速信號走線層相鄰的平面層都是地平面，以此更好的隔絕電子噪音造成的信號串擾。在板機設(shè)計時，K1 Power采用了40層混壓主板設(shè)計，做到每兩層信號之間都有一個D層，并且每一片主板都通過了IBM標準苛刻的熱力沖擊測試，實現(xiàn)100%可靠出貨。

散熱方面，K1 Power遵循“Less power, Less failure”的原則，在設(shè)計時就選用了低功耗的器件，提升零件可靠性，例如使用銦金屬片導熱材質(zhì)而不是導熱膏，使得導熱效率提升近10倍，且長期有效。同時，還借助動態(tài)分區(qū)散熱控制技術(shù)，讓各發(fā)熱區(qū)域獨立風扇轉(zhuǎn)速控制，提高散熱利用率，保障CPU等元器件性能穩(wěn)定發(fā)揮。

深入到系統(tǒng)底層，K1 Power在挑選元器件和部件選型時有著更高的標準。例如使用的抗硫化電阻能夠在110度極限環(huán)境測試條件下較傳統(tǒng)電阻使用壽命高4倍以上，設(shè)計壽命遠超7年;鋁制框設(shè)計的風扇增加了自重讓系統(tǒng)減震效果更好，進而提升了系統(tǒng)性能和運行可靠性，設(shè)計壽命達到22年;穩(wěn)定的自身散熱系統(tǒng)不僅能提升導熱效率，還可以在硫化環(huán)境下能避免老化。

為什么Power的研發(fā)周期很長?有很大一部分原因是做了大量的仿真工作，將潛在風險提前消除。拿結(jié)構(gòu)仿真來說，其包括結(jié)構(gòu)應(yīng)力靜態(tài)分析，振動及沖擊結(jié)構(gòu)動態(tài)分析，可有效控制結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計風險;再如散熱仿真，通過建立精度更高、粒度更細的散熱仿真模型，可提高散熱仿真的效率，降低服務(wù)器的散熱與能耗，提升整機可靠性;而電信號仿真，則通過建立高精度信號仿真，保障了Power產(chǎn)品信號傳輸速率，確保信號傳輸質(zhì)量和抗干擾能力。

在仿真之后的檢測和測試環(huán)節(jié)，K1 Power的每一臺機器都會經(jīng)過覆蓋率100%的功能測試，高端機型測試大項共計660多項，測試老化時間超過48小時，并且經(jīng)過嚴格的Corner-test，確保每臺服務(wù)器都能夠在極限電壓和動態(tài)頻率下穩(wěn)定工作。無論是檢驗覆蓋率還是測試強度，均比x86服務(wù)器高出不少。例如在PCB熱沖擊測試中，x86服務(wù)器對PCB的熱沖擊測試是緩慢升溫，然后再下去，而Power則是急劇升溫，維持一段時間再下去，測試標準更為嚴格。

定制能力決定與眾不同

可以說，IPS對Power的定制化開發(fā)能力，讓后者更上了一層臺階。從安全性來看，IPS在部件層通過自主研發(fā)確保了系統(tǒng)更加穩(wěn)定，對所有的部件均有安全認證機制，類似于可信計算的方式使得Secure Boot引導時，如果操作者的指紋信息沒有在TPM芯片內(nèi)錄入，就無法進行操作，新更換的部件在沒有經(jīng)過認證前，也是無法安裝上運行的。在固件層面，經(jīng)過檢驗的固件信息貼片于芯片內(nèi)部，只有在工廠模式中才能寫入，用戶模式則無法進行修改。AIX操作系統(tǒng)安全加固模塊(K1 Power SSR)、國產(chǎn)可信計算模塊、符合商用密碼證書的外置硬件安全模塊(HSM)、自研的可信操作系統(tǒng)KUX……都是IPS為客戶保駕護航的獨門絕技。

從整合能力來看，IPS的技術(shù)團隊一直在思考如何結(jié)合x86的技術(shù)理念，拓展Power和OpenPOWER的產(chǎn)品邊界。例如，IPS為某客戶在兩顆OpenPOWER測試時，曾被要求把Power做到600瓦，于是在設(shè)計時把x86的整套固件包括電源控制和熱管理系統(tǒng)都移植到Power平臺，滿足了客戶需求;再如，IPS把IBM原來的Call Home功能、機器管理系統(tǒng)等都針對本地服務(wù)進行了自主設(shè)計;在模塊上，把TPM“改成了”PCM，符合了中國市場的標準。

由這種整合能力更進一步，即是浪潮成功的JDM模式——通過定制化生產(chǎn)交付的敏捷創(chuàng)新模式，這無疑更加適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)時代的需求，也是IPS開拓新興市場的巨大優(yōu)勢。尹宏偉認為，互聯(lián)網(wǎng)客戶的快速需求使得廠商沒有時間花費半年去測試產(chǎn)品，定制化可以更多地集成浪潮現(xiàn)有的產(chǎn)品或者架構(gòu)，對重點需求進行局部開發(fā)，快速做出一類Power服務(wù)器來響應(yīng)用戶。對于云計算、AI這類新興的資源部署方式和技術(shù)應(yīng)用，IPS也有著相應(yīng)的解決方案，可讓關(guān)鍵數(shù)據(jù)庫運行在云架構(gòu)上，根據(jù)客戶需求做動態(tài)調(diào)整，而Power在I/O能力、內(nèi)存通信帶寬、芯片互聯(lián)等方面的優(yōu)勢，則為用戶提供了x86之外的互補甚至是更好的選擇。

綜上所述，IPS憑借浪潮20多年在高端小型機上的成功經(jīng)驗，為K1 Power的成功打下了堅實的基礎(chǔ)，并將這一優(yōu)勢繼續(xù)發(fā)揚光大。自2018年5月2日正式運營以來，IPS以其過硬的產(chǎn)品品質(zhì)、貼近客戶的需求定制，以及深厚的自主研發(fā)能力快速占據(jù)了中國Unix市場，為Power打上了IPS的印記。K1 Power，不僅向x86客戶證明了什么是物有所值，更為Power生態(tài)的發(fā)展之路描繪出了一個絢爛多彩的未來。

來源：中關(guān)村在線

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