新技研 | 摩爾定律不再 惠普The Machine用什麼重新定義電腦?

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(作者:Dr.BT)

惠普提出The Machine這個概念正值梅賽德斯賓士那個重新發明汽車廣告紅火的時候,於是世界各大媒體導報的時候也用上了“惠普重新發明電腦”,去年年底The Machine在幾經波折後終於登場。當摩爾定律不再,英特爾開始奉行Tick-Tock-Refresh策略,傳統電腦架構似乎變得岌岌可危,The Machine的出現看似救世主,那麼它會用什麼重新定義電腦呢?

腳踏摩爾定律尾巴

摩爾定律一直是業界掛在嘴邊的金科玉律,然而從2002年開始,換工藝反而功耗失控翻車的事件像病毒一樣散佈開來,普遍流傳的那個版本的摩爾定律已經大打折扣。這僅僅是開始, 2014年後連intel都開始了令玩家髮指的“擠牙膏”,10nm更是讓原本要明顯慢一拍的臺積電和三星去趟地雷。

IBM給出的半導體技術路線圖(研究領域的時間表,實際產品會晚上幾年),幾乎每十年就會有一隻攔路虎,發展的阻力越來越大,投入產出越來越不成比,TI等大佬也紛紛退出,這才有業界齊刷刷的擠牙膏。

2000年除了Gate Oxide Limit以外光刻精度也成了問題,模擬半導體線寬縮小程式在180~130nm節點就停止很大程度上和光刻精度有關。最新式的193nm光刻機在當時就被認為最多能撐個幾年就要換EUV(極紫外)光刻機,然而這一拖就是近20年,業界普遍認為13.5nm EUV光刻將在2019年的7nm時代應用。

技術細節上極紫外光刻跟深紫外(DUV,即193nm多重曝光)有很大不同,並且在光刻膠領域尚無突破,日程表排在7nm時代的原因是這時候使用深紫外光刻成本會明顯更高。不過對7nm而言,極紫外的13.5nm也是喂不飽的存在,前景撲朔迷離,整個行業面臨洗牌。

多級儲存架構是為兼顧速度和容量設計的,然而即使如此也已經越來越影響整體效能發揮,在上一個5年間,SSD(固態硬碟)成為PC時代最偉大的進步,有效的為不少老桌上型電腦電腦、廉價筆記本續命,這不是SSD本身偉大,而是原來的傳統硬碟實在太慢了。事實上,多級儲存架構中,即使是SSD,效能也難以滿足大資料時代的要求。

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十多年前的i-RAM是業界的一次不算成功的嘗試,搭配電池以後,就可以享受跟DRAM相同超低延遲的硬碟了,這是PC使用者第一次體驗到真正頂級計算機的效能,然而玩票性質的商業開發和記憶體類型的限制使i-RAM僅僅曇花一現,業界當前的主力依舊是快閃記憶體。

對現有計算機架構而言,儲存系統的速度著實成為瓶頸,即使是SSD,跟記憶體(DRAM)效能差距也在三個數量級。在超級計算機方面明顯記憶體容量已經跟不上核心數量的增長了,CPU核心數量可以繼續增長,甚至加入GPU、FPGA,但記憶體限於效能要求,容量增長速度明顯不如。帶來的問題就是超級計算機刷Linpack風生水起,但實際執行速度則因為程式設計的滯後跟記憶體容量的不足嚴重滯後。大資料時代,馮諾依曼體系的儲存體系日漸成為累贅,惠普重新發明電腦,也正是這個原因。

處理器為中心轉為儲存系統為中心,資料不再由運算節點私有,而是開放給所有處理器,這就是The Machine的變化。運算節點可以是通用處理器,也可以是專用FPGA、GPU等加速器。

展示中的The Machine節點,非易失性儲存器通過光網互聯構成統一儲存池,因此在The Machine中,儲存架構、光網是重頭戲。結合示意圖可以看出,The Machine主體已經變為儲存池。

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當多級儲存架構也難以跟上運算需求的時候,乾脆將分級減少,在The Machine中,整個系統分為記憶體和非易失性儲存,傳統硬碟和SSD都成了磁帶機。業界尋找非易失性儲存介質之路從未停息,目前使用的NAND的速度跟成本高度相關,耐久度卻跟容量成反比,替代傳統硬碟指日可待,但並不適用於高效能領域。

PCRAM即相變儲存器(Phase-Change Memory)是比較早被關注的選項,特點是效能遠超NAND,容量和同時代NAND類似,但耐久度要高三個數量級,IBM是PCRAM的支援者。

惠普在The Machine中原計劃使用憶阻器(Memristor),憶阻器是一種新近誕生的,繼電阻、電感及電容之後第四種基礎電路元件,是一種能夠記憶流經其電荷的元件。效能上,憶阻器與PCRAM互有勝負,寫入功耗上要低一個數量級,是比較理想的選擇,惠普曾宣佈和海力士合作量產憶阻器,但就在2015年,計劃發生改變,The Machine原型機選擇了現成且更加強大的NVDIMM作為NVM(Non-volatile memories)。

NVDIMM是一種整合了DRAM+快閃記憶體晶片的非易失記憶體技術,不但繼承了DRAM技術頻寬高、成本低、隨機訪問的特性,又能夠在系統完全掉電時儲存完整資料。正常執行時,表現為普通DRAM,但在掉電時,由超級電容供電數秒,NVDIMM能迅速將記憶體資料轉移到快閃記憶體中。當電力恢復後,能快速還原資料,系統瞬間恢復至掉電前的工作狀態繼續工作,從而達到了掉電保護的目的。讓人想起曾經的i-RAM,但工業設計上是真正批量的產品, 8GB產品目前已經在惠普ProLiant Gen9伺服器上使用。某種意義上說,The Machine實現了十多年前高階PC玩家的理想:超大容量i-RAM做硬碟。

儲存介質是速度的基石,檔案系統不跟上則會造成極大浪費:在傳統檔案系統中使用NVM儲存器的時候延遲時間很短,遠高於SSD,但構成上看,其軟體開銷(software overhead)佔比竟然高達70%,而SSD則在20%左右,HDD僅為0.3%。

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由此可見,傳統檔案系統是真對HDD這種慢速儲存器設計的,配合The Machine會成為巨大的累贅,NVM檔案系統將會取消對高速儲存已經沒有意義的頁緩衝,大幅降低軟體開銷。NVM FS已無需緩衝,充分釋放The Machine的潛力,回想起來,當年的 i-RAM也是吃了檔案系統的大虧。

光纖替代銅纜早已在外部網路中進行,計算機內部網路則剛剛開始。從資料中心的網路裝置到機架內裝置的互連、乃至晶片封裝內部的通訊電路,全部都採用光通訊。從而使得通訊效率大為提升。效能方面光纖可以提供更高的資料吞吐和提供更低的延遲,更重要的是,光纖互聯的成本僅有銅互連的1/8,功耗降低到後者的1/20,在The Machine這樣完全共享儲存資源的系統中尤為重要。

根據惠普的模擬測試,The Machine的能力是常規計算機的6倍,能耗卻隻有後者的1.25%,體積則隻有10%左右,在大資料時代,尤其是常規計算機高效能儲存捉襟見肘的時候尤為突出。

IBM藍色基因是超級計算機中能效比的佼佼者,在面對藍色基因的標杆:Sequoia超級計算機時(紅杉,曾經的TOP500排名第一,今天的第四),The Machine用十分之一的運算核心,1/20的功耗達到了更高效能。在超級計算機領域,原本總在20名開外的惠普終於有機會登上歷史舞臺。

當然,The Machine也存在軟體開發思路轉變的問題,距離2020年不遠了,惠普要抓緊。

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