阿里云首發(fā)CIPU處理器 為OS反向自研

剛剛，阿里云正式對外發(fā)布全新處理器：CIPU。

不僅架構全自研，還號稱要“替代CPU成為新一代云計算核心硬件”!

云計算搞了這么些年，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的服務器CPU倚天710。

這怎么就突然要打破傳統(tǒng)了呢?

CIPU，這個比CPU多了一個I的新面孔，究竟什么來頭?

CIPU究竟是什么?

CIPU全稱Cloud Infrastructure Process Units，意為云基礎設施處理器。

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，就是為了更好地“壓榨”服務器硬件、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)中心物理設備，并對網(wǎng)絡和存儲硬件進行加速，這樣一來不僅不會再浪費CPU的算力，還能增強網(wǎng)絡和存儲性能。

從功能來說，它擁有四大特性：

云原生最佳載體，即每個裸金屬系統(tǒng)能運行2000個容器，并用沙箱容器技術為容器提供更安全的隔離，鏈路啟動速度在50ms以內(nèi);

芯片直接實現(xiàn)IO引擎，其中存儲I/O操作每秒可進行300萬次，網(wǎng)絡I/O最高每秒5000萬個分組數(shù)據(jù)包，存儲長尾時延降低50%;

芯片級安全加固，即能高速卸載加密后的數(shù)據(jù)，將芯片級硬件的不可篡改性映射到軟件上;

增強型融合網(wǎng)絡，即在RDMA技術加持下，網(wǎng)絡延遲最低達到5微秒，帶寬最高能達到200GB。

從性能來說，它又給計算、存儲和網(wǎng)絡三類資源帶來了不少提升。

計算上，CIPU能快速接入不同類型資源的神龍云服務器，單容器虛擬化消耗減少50%，啟動速度快350%。以運行部分數(shù)據(jù)庫和服務器為例，Nginx性能就提升了89%，Redis提升68%，MySQL提升60%，此外對于AI和大數(shù)據(jù)場景也有提升。

存儲上，CIPU能對存算分離架構的塊存儲接入進行硬件加速，存儲時延最低達到30微秒，帶寬最高200Gbps，支持云上多計算節(jié)點NVME共享訪問云盤塊存儲，Oracle RAC、SAP Hana等高可用數(shù)據(jù)庫無縫上云。

網(wǎng)絡上，CIPU對高帶寬物理網(wǎng)絡進行了硬件加速，基礎帶寬達到200GB，并采用自研的RDMA-Solar協(xié)議，網(wǎng)絡時延降低至16us，相較自建物理機的集群吞吐量提升30%、業(yè)務高峰期延遲下降90%。

有意思的是，阿里云這款CIPU處理器，其實已經(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)部一個叫做神龍卡的設備。

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

經(jīng)過了好幾輪迭代后，神龍卡逐漸加入了編排調度、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的云計算服務。雖然客戶可能對底層硬件層沒有直接的感知，但阿里云的網(wǎng)絡、存儲等性能，這幾年確實在不斷上升，例如，不久前阿里云就成為國內(nèi)唯一獲評全球十大計算機網(wǎng)絡研究機構的中國企業(yè)。

如今來看，CIPU的出現(xiàn)確實再次打破了云計算的“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，還是得從云計算技術的發(fā)展歷程說起。

過去十幾年來云計算技術的發(fā)展，可以大體分為兩個階段。

第一階段，在分布式技術的推動之下，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)開始將業(yè)務從大型機向分布式系統(tǒng)遷移，打下了分布式架構的底座。

第二階段，資源池化技術出現(xiàn)。這一技術通過計算存儲分離的架構，實現(xiàn)了對資源的統(tǒng)一調度編排，使得彈性計算成為可能。

對于用戶而言，這也就意味著云計算可靠性和可用性的極大提升。

在這兩個階段，計算體系架構都是以CPU為核心的。

但當云計算發(fā)展到今天，以大數(shù)據(jù)應用為代表的數(shù)據(jù)密集型場景越來越多，這種以CPU為中心的架構便開始暴露短板：

首先，以CPU為中心的架構會導致計算和網(wǎng)絡傳輸之間的時延較大。

其次，大數(shù)據(jù)應用增多，導致數(shù)據(jù)中心內(nèi)部數(shù)據(jù)遷移量增大，以CPU為中心的架構無法提供高帶寬。

再者，以阿里云為例，其在全球27個國家和地區(qū)、84個可用區(qū)管理著上百萬臺服務器。但以CPU為中心的架構很難解決這種超大規(guī)模基礎設施的復雜管理問題。

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

而這也正是如今各大廠商所追逐的最新技術熱點。

比如英偉達的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側重解決的是數(shù)據(jù)遷移帶寬的問題。作為集成加速平臺，DPU能夠從CPU上卸載關鍵的網(wǎng)絡、存儲和安全任務，降低CPU的開銷。

老黃當時表示：

數(shù)據(jù)中心已成為新型計算單元，而DPU是其重要的組成部分。CPU、GPU和DPU的結合，可構成完全可編程的單一AI計算單元，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更強調虛擬化云化能力，通過網(wǎng)絡虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡存儲管理以及安全等功能，加速網(wǎng)絡基礎設施，釋放CPU核來提高應用程序性能。

盡管在概念上有些許區(qū)分，但無論是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數(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、英特爾這樣的硬件廠商不同，阿里云對于云計算技術發(fā)展各個階段所面臨的問題，有更為切身的體會。

前文提到，CIPU是一顆專門為飛天系統(tǒng)設計的處理器。也就是說，它從設計之初，就是貼合云計算行業(yè)痛點、結合飛天系統(tǒng)特點去做的。

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，做到更強的性能、更低的價格、更高的穩(wěn)定性。

自主研發(fā)的云計算

如此看來，最先享受到這波技術發(fā)展紅利的，就是云上用戶們——

云計算能做到更高的性價比了。

而作為CIPU背后的云廠商，阿里云此番技術發(fā)布，也扣上了云計算技術國產(chǎn)化在新階段的重要一環(huán)。

以阿里云自身為例：

2009年，阿里云自研云計算操作系統(tǒng)飛天誕生。雙11、12306春運購票等大家津津樂道的極限并發(fā)場景，都跑在這個系統(tǒng)之上。

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

在云存儲技術方面，阿里云自研的盤古分布式存儲系統(tǒng)，推動了面向數(shù)據(jù)中心ZNSSSD國際標準的發(fā)展。與西部數(shù)據(jù)(WD)共同提出的NVMe2.0，是目前云計算業(yè)內(nèi)最為先進的軟硬一體深度融合的分布式存儲系統(tǒng)。

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

……

從網(wǎng)絡到存儲，從軟件到硬件，通過13年的技術積累、自主研發(fā)，阿里云作為國內(nèi)云廠商的代表，正在世界云計算的舞臺上發(fā)出越來越高的聲量。

而CIPU的推出，則意味著這種在技術自主化方面的努力，或許已更進一步：

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。

每當技術發(fā)展到一個更新?lián)Q代的新階段，圍繞話語權的競爭往往精彩不斷，影響更甚于科技圈本身。

5G如是，云技術亦如是。

好戲或許才剛剛開場。