原子鐘在數(shù)據(jù)中心的作用：原子從對(duì)數(shù)據(jù)造成不利影響到帶來各種益處的轉(zhuǎn)變過程

利用原子鐘授時(shí)現(xiàn)已成為數(shù)據(jù)中心不可或缺的組成部分。目前，通過全球定位系統(tǒng)（GPS）和其他全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/原子鐘">原子鐘時(shí)間已使全球各地的服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了同步，并且部署在各個(gè)數(shù)據(jù)中心的原子鐘可在傳輸時(shí)間不可用時(shí)保持同步。

無論是由于系統(tǒng)需求還是合規(guī)性，這種出色的同步性能都至關(guān)重要，可確保每年在全球范圍內(nèi)收集的數(shù)據(jù)（以澤字節(jié)為單位）能夠得到有效存儲(chǔ)并用于許多應(yīng)用。原子的量子性質(zhì)可保持精確的時(shí)間，是確保未來能夠以更快的速度處理更多數(shù)據(jù)的關(guān)鍵所在，而具有諷刺意味的是，就在幾年前，原子的量子性質(zhì)還被視為提升數(shù)據(jù)處理能力和速度的最大阻礙。

1965年，Gordon Moore預(yù)測(cè)集成電路上的晶體管數(shù)量每年翻一番。這一數(shù)字最終被修改為每?jī)赡攴环?。隨著晶體管密度的增加，速度有了顯著提升，成本和功耗也不斷下降。

在1965年，人們可能很難想象，2021年時(shí)在一個(gè)半導(dǎo)體上布置500億個(gè)晶體管是一種現(xiàn)實(shí)需求，但正如半導(dǎo)體技術(shù)隨著時(shí)代不斷發(fā)展，應(yīng)用需求也在不斷變化。手機(jī)、金融交易和DNA圖繪制等應(yīng)用都非常依賴單片機(jī)每秒可執(zhí)行的運(yùn)算次數(shù)，而這一數(shù)字與芯片上的晶體管數(shù)量密切相關(guān)。

圖1. 極具諷刺意味的圖片：工程師試圖遵循摩爾定律

摩爾定律的消亡

遺憾的是，由于物理學(xué)限制，摩爾定律正在迅速走向終結(jié)。隨著晶圓生產(chǎn)工藝節(jié)點(diǎn)現(xiàn)已達(dá)到10納米以下，晶體管的大小僅為硅原子的10到50倍左右。在這個(gè)尺度上，原子和自由電子的大小以及量子特性顯著阻礙了晶體管大小的進(jìn)一步縮減。從本質(zhì)上講，可以將原子視作推翻這一定律的最終原因。

盡管摩爾定律終將消亡，但是，對(duì)提高處理能力的需求卻不斷增加。隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、信息流服務(wù)、社交媒體帖文和自動(dòng)駕駛汽車的出現(xiàn)，每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量會(huì)繼續(xù)呈指數(shù)增長(zhǎng)。

據(jù)估計(jì)，2021年每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為2.5艾字節(jié)（2,882,303,761,517,120,000字節(jié)）。當(dāng)前使用的艾字節(jié)數(shù)據(jù)庫(kù)每秒可處理超過10萬個(gè)事務(wù)（一個(gè)事務(wù)包含許多次運(yùn)算），而在可預(yù)見的將來，數(shù)據(jù)庫(kù)的規(guī)模和每秒處理的事務(wù)數(shù)將持續(xù)增長(zhǎng)。

同步機(jī)器

數(shù)據(jù)量的這種爆炸式增長(zhǎng)，再加上數(shù)據(jù)必須達(dá)到的寫入、讀取、復(fù)制、分析、操作和備份速度，這些因素要求數(shù)據(jù)中心架構(gòu)師找到一種能夠繞過摩爾定律終結(jié)的方法。對(duì)于采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)中心，架構(gòu)師采用了水平擴(kuò)展方法，即將數(shù)據(jù)庫(kù)分布在一個(gè)集群中的多個(gè)服務(wù)器上，而不是整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)駐留在一個(gè)服務(wù)器上。

在這種配置下，集群本質(zhì)上用作一臺(tái)巨型機(jī)器，因此系統(tǒng)的大小和速度現(xiàn)在受到數(shù)據(jù)中心的外形尺寸而非原子大小的限制（接招吧，原子?。?/span>

軟件工程師現(xiàn)在的職業(yè)是編寫能夠?qū)崿F(xiàn)水平擴(kuò)展的代碼。但是，要使各種軟件都正常工作，所有機(jī)器都必須同步，否則會(huì)違反因果關(guān)系的概念。

什么是因果關(guān)系？舉個(gè)最簡(jiǎn)單的示例。假設(shè)您用兩臺(tái)攝像機(jī)來記錄100米短跑的圖像，每臺(tái)攝像機(jī)都有自己的內(nèi)部時(shí)鐘。第一臺(tái)攝像機(jī)位于起跑器上。第二臺(tái)攝像機(jī)位于終點(diǎn)線上。兩個(gè)傳感器都在進(jìn)行連續(xù)拍攝，并用各自時(shí)鐘的時(shí)間給每個(gè)圖像添加時(shí)間戳。

要確定比賽中獲勝的短跑選手的正式成績(jī)，將檢查第一臺(tái)攝像機(jī)的圖像以了解第一位選手離開起跑器時(shí)的時(shí)間點(diǎn)，然后用終點(diǎn)線上的攝像機(jī)圖像上該選手沖過終點(diǎn)線時(shí)的時(shí)間減去該時(shí)間戳。

要實(shí)現(xiàn)此目的，兩臺(tái)攝像機(jī)的同步精度必須都達(dá)到可接受的偏差水平。如果時(shí)鐘的同步精度只有±0.05秒，那么便無法確定成績(jī)?yōu)?/span>9.6秒的選手是否確實(shí)打破了9.58秒的世界紀(jì)錄。如果它們與體育場(chǎng)時(shí)鐘的同步精度只有±5秒怎么辦？

想象一下這樣的場(chǎng)景：從體育場(chǎng)的主時(shí)鐘觀察，一場(chǎng)比賽正好在下午12:00:00:00開始。第一位選手在下午12:00:09:60時(shí)沖過終點(diǎn)線。從體育場(chǎng)主時(shí)鐘的角度來看，正式比賽成績(jī)是9.6秒。

但是，如果第一臺(tái)攝像機(jī)的時(shí)鐘正好快5秒，而第二臺(tái)攝像機(jī)的時(shí)鐘正好慢5秒呢？比賽將在下午12:00:05:00正式開始，在下午12:00:04:60結(jié)束。比賽將在開始前0.4秒正式結(jié)束，這會(huì)打破世界紀(jì)錄并推翻物理定律，目前的紀(jì)錄保持者很有可能會(huì)不公正地遭到所有贊助商的棄用。

圖2. 時(shí)鐘偏差會(huì)導(dǎo)致因果關(guān)系問題。在這種情況下，比賽在開始前就正式結(jié)束了。

將因果關(guān)系應(yīng)用于數(shù)據(jù)庫(kù)

同樣的因果關(guān)系原則在數(shù)據(jù)庫(kù)中也十分重要。事務(wù)記錄更新必須按照它們發(fā)生的順序出現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。如果您期望在通過直接取款支付每月房貸之前直接存入自己的工資，而銀行的數(shù)據(jù)庫(kù)沒有按正確的順序記錄這些事務(wù)，那么您可能會(huì)被收取透支費(fèi)。在一臺(tái)機(jī)器上，因果關(guān)系錯(cuò)誤很容易防止，但在多個(gè)服務(wù)器上，每個(gè)服務(wù)器都有自己的內(nèi)部時(shí)鐘，服務(wù)器必須同步并為每個(gè)事務(wù)加上時(shí)間戳。

要實(shí)現(xiàn)此目的，必須有一個(gè)服務(wù)器充當(dāng)參考時(shí)鐘，就像體育場(chǎng)的時(shí)鐘，它必須采用最大程度減小每個(gè)服務(wù)器時(shí)鐘的時(shí)間誤差的方式，將時(shí)間分配給每個(gè)服務(wù)器。每個(gè)時(shí)間戳的偏差（比賽中為±5秒）形成一個(gè)時(shí)間包絡(luò)，其長(zhǎng)度為時(shí)鐘偏差的兩倍（比賽中為10秒）。對(duì)于分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，一秒內(nèi)可以容納的非重疊時(shí)間包絡(luò)數(shù)量應(yīng)當(dāng)至少與系統(tǒng)預(yù)期的每秒事務(wù)數(shù)量大致相同。

概率、因果關(guān)系的關(guān)鍵性和實(shí)現(xiàn)成本最后都會(huì)在最終解決方案中發(fā)揮作用，但這種關(guān)系是一個(gè)很好的起點(diǎn)。時(shí)間戳偏差為±1毫秒的系統(tǒng)將具有2毫秒的時(shí)間包絡(luò)，一秒內(nèi)最多可容納500個(gè)非重疊時(shí)間包絡(luò)。此系統(tǒng)可以支持每秒執(zhí)行約500個(gè)事務(wù)。

NTP和PTP的不足

以太網(wǎng)授時(shí)技術(shù)也稱為網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）和精確時(shí)間協(xié)議（PTP），用于同步數(shù)據(jù)中心的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有服務(wù)器。這些協(xié)議可以確保局域網(wǎng)能夠以亞毫秒（NTP）或亞微秒（PTP）的偏差來分配時(shí)間，從而支持每秒執(zhí)行數(shù)千（NTP）或數(shù)百萬（PTP）個(gè)事務(wù)。

遺憾的是，即使憑借這些解決方案可以繞過原子帶來的摩爾定律消亡，物理學(xué)仍以光速的形式在分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的道路上設(shè)置了另一個(gè)障礙。

試想一下，一個(gè)使用PTP進(jìn)行準(zhǔn)確同步的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)在加州圣何塞運(yùn)行，每秒可輕松執(zhí)行100,000個(gè)事務(wù)，且不會(huì)產(chǎn)生任何因果關(guān)系問題。一位數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)師正坐在自己位于紐約的辦公室里，他的老板要求他更新大量記錄。

這名架構(gòu)師希望能夠充分利用其新數(shù)據(jù)庫(kù)并展示系統(tǒng)的能力。他計(jì)劃每秒執(zhí)行100,000個(gè)事務(wù)。

為了根據(jù)請(qǐng)求更新記錄，他創(chuàng)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的事務(wù)，即僅當(dāng)?shù)谝粋€(gè)記錄的值大于第二個(gè)記錄時(shí)，才會(huì)將第一個(gè)記錄的值與第二個(gè)記錄相加。如要達(dá)到這一目的，他必須對(duì)這兩個(gè)記錄發(fā)出讀取請(qǐng)求。然后，他在紐約的本地機(jī)器對(duì)這些值進(jìn)行比較，然后在需要時(shí)向第二個(gè)記錄發(fā)送寫命令。

完成此操作后，他想要接著執(zhí)行下一個(gè)事務(wù)，即將第三個(gè)值與新的總和進(jìn)行比較。如果新的總和大于第三個(gè)記錄，那么將使用第三個(gè)記錄替換總和。他想對(duì)600萬條記錄重復(fù)此操作。由于數(shù)據(jù)庫(kù)每秒能夠處理100,000個(gè)事務(wù)，他認(rèn)為此任務(wù)將在大約一分鐘內(nèi)完成。他告訴老板，他將在五分鐘內(nèi)更新記錄，然后離開去喝杯咖啡。

喝咖啡的時(shí)候，他讀到一個(gè)故事，內(nèi)容是新的百米短跑成績(jī)是負(fù)0.4秒，這違背了物理定律，并且之前的紀(jì)錄保持者因?yàn)槭チ怂械拇再M(fèi)正在起訴體育場(chǎng)負(fù)責(zé)人。架構(gòu)師自顧自地笑了起來，認(rèn)為體育場(chǎng)應(yīng)該聘請(qǐng)他作為同步專家。

五分鐘后他回到辦公桌前，沮喪地發(fā)現(xiàn)他的數(shù)據(jù)庫(kù)更新只完成了不到1,500個(gè)事務(wù)。他難過地意識(shí)到自己的錯(cuò)誤，并準(zhǔn)備將自己的簡(jiǎn)歷發(fā)給那個(gè)體育場(chǎng)，他希望他的PTP部署不會(huì)出現(xiàn)同樣的問題。

問題出在哪里？光速將紐約和圣何塞之間理論上最快的數(shù)據(jù)傳輸速度限制在13.7毫秒。

圖3. 光速對(duì)兩點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸速度施加了理論上的限制

距離問題

遺憾的是，現(xiàn)實(shí)世界的事務(wù)處理速度甚至更慢。即使兩個(gè)地點(diǎn)之間有專用的光纖鏈路，光纖的折射率、光纖的實(shí)際路徑和其他系統(tǒng)問題也會(huì)延長(zhǎng)傳輸時(shí)間。因此，僅僅從紐約傳輸一次，就需要40到50毫秒的時(shí)間才能到達(dá)圣何塞。

但是，此事務(wù)中有四個(gè)獨(dú)特的操作。有兩個(gè)可以同時(shí)發(fā)生的讀操作，隨后必須將它們發(fā)送回紐約。往返過程需要80到100毫秒。然后，在對(duì)兩個(gè)值進(jìn)行比較后，就會(huì)發(fā)出寫操作，并且必須發(fā)回寫確認(rèn)以指示寫操作已完成，然后才能開始下一個(gè)事務(wù)。

突然之間，數(shù)據(jù)庫(kù)每秒能否執(zhí)行100,000個(gè)事務(wù)已無關(guān)緊要，因?yàn)榫嚯x將系統(tǒng)每秒的處理能力限制為不超過5個(gè)事務(wù)。要完成600萬個(gè)事務(wù)，此系統(tǒng)需要13天的時(shí)間，這樣便有足夠的時(shí)間再喝幾杯咖啡，甚至更新一份簡(jiǎn)歷。這種延遲稱為通信延遲。

規(guī)避延遲

但就像摩爾定律一樣，數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)師想出了規(guī)避延遲的方法。在用戶附近創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)副本，這樣他們便可隨意使用數(shù)據(jù)，而不必將信號(hào)發(fā)送到全國(guó)各地。

定期比較和協(xié)調(diào)復(fù)制以確保一致性。在協(xié)調(diào)過程中，事務(wù)時(shí)間戳用于確定事務(wù)的實(shí)際順序，并且當(dāng)存在不可協(xié)調(diào)的差異時(shí)（例如事務(wù)時(shí)間包絡(luò)重疊時(shí)），有時(shí)會(huì)回滾記錄。減少時(shí)鐘偏差可以減少?gòu)?fù)制的實(shí)例中不可協(xié)調(diào)的差異數(shù)量，因?yàn)闀r(shí)間包絡(luò)增多會(huì)減少重疊的概率。這可提高效率并降低數(shù)據(jù)損壞概率。

但現(xiàn)在，時(shí)間戳不僅在每個(gè)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部必須做到精確，在不同的數(shù)據(jù)中心之間也必須精確，這些數(shù)據(jù)中心可能相隔數(shù)千英里，并通過云相互連接。由于需要一個(gè)偏差極低且在兩個(gè)地點(diǎn)均可隨時(shí)獲得的外部參考，因此這項(xiàng)任務(wù)變得愈加困難。

下至原子級(jí)別

此時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)師以前的敵人“原子”登場(chǎng)。當(dāng)原子忙于廢除摩爾定律時(shí)，其亞原子粒子卻在忙于自旋。原子核內(nèi)的中子和質(zhì)子一直在旋轉(zhuǎn)，而與此同時(shí)電子則一邊忙于圍繞原子核公轉(zhuǎn)，一邊自旋。這類似于地球在繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的同時(shí)自轉(zhuǎn)。

電子可以圍繞自身的軸順時(shí)針或逆時(shí)針自旋。考慮到人體內(nèi)約有7*10^27（7后面有27個(gè)零）個(gè)原子，所有亞原子粒子都在我們體內(nèi)自旋，令人驚訝的是我們并沒有一直頭暈?zāi)垦?。（注：亞原子粒子并不是真的在忙著自旋和公轉(zhuǎn)，它們實(shí)際上是在忙著給我們提供概率波函數(shù)和磁相互作用，這會(huì)讓我們獲得類似于它們進(jìn)行自旋和公轉(zhuǎn)時(shí)的結(jié)果。但是，如果想到所有的自旋會(huì)讓您頭暈?zāi)垦?，那么試圖理解量子物理學(xué)的現(xiàn)實(shí)肯定會(huì)更令人厭惡。）

圖4. 具有核和價(jià)電子的概念性原子，具有核自旋、電子自旋和軌道自旋

如果電子吸收特定精確頻率的微波輻射，繞電子軸的自旋方向會(huì)改變。如果地球上發(fā)生這種情況，太陽(yáng)會(huì)突然從東方落下，從西方升起！

原子鐘這種機(jī)器專門用于檢測(cè)電子自旋狀態(tài)，然后通過微波輻射改變方向。頻率變化取決于元素、同位素和電子的激發(fā)態(tài)。

在機(jī)器確定頻率（即所謂的超精細(xì)躍遷頻率）后，便可將周期確定為頻率的倒數(shù)，這樣便可計(jì)算周期數(shù)來確定經(jīng)過的時(shí)間。國(guó)際上對(duì)秒的定義是誘導(dǎo)銫原子軌道外層內(nèi)電子的超精細(xì)躍遷所需的9,192,631,770個(gè)輻射周期。

原子鐘是世界上最穩(wěn)定的商用時(shí)鐘。一副紙牌大小的原子鐘稱為芯片級(jí)原子鐘（CSAC），其24小時(shí)內(nèi)的漂移為百萬分之一秒，而冰箱大小的原子鐘稱為氫微波激射器，其24小時(shí)內(nèi)的漂移僅為十萬億分之一秒。巧合的是，十萬億分之一也大約是氫原子半徑與百米短跑選手和現(xiàn)已失業(yè)的紐約數(shù)據(jù)中心架構(gòu)師身高的比值。

憑借這些原子鐘提供的精度，可以為在東京、倫敦、紐約、廷巴克圖或世界其他任何地方的數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)提供大約50萬到500億個(gè)非重疊時(shí)間包絡(luò)。

圖5. 單位“秒”是通過計(jì)算銫超精細(xì)透射輻射頻率的9,192,631,770個(gè)周期來定義的

時(shí)間的分配

時(shí)間如何從這些原子鐘到達(dá)所有數(shù)據(jù)中心？協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）是通過衛(wèi)星、光纖網(wǎng)絡(luò)甚至互聯(lián)網(wǎng)分配的全球時(shí)間。UTC本身源自位于世界各地的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和授時(shí)站的一系列高精度原子鐘。UTC的提供組織會(huì)收到一份報(bào)告，其中載明了源自這些時(shí)鐘的UTC時(shí)間以及它們各自與計(jì)算出的UTC的偏移量。然后，這些實(shí)驗(yàn)室和其他設(shè)施將時(shí)間傳送到世界各地。

UTC報(bào)告每月公布一次，告訴這些國(guó)家實(shí)驗(yàn)室他們?cè)谏弦粋€(gè)月與UTC的微小時(shí)間偏移量。從技術(shù)上講，直到事發(fā)一個(gè)月后，我們才知道準(zhǔn)確的時(shí)間偏差。更糟糕的是，由于地球自轉(zhuǎn)和我們與可觀測(cè)恒星的相對(duì)位置的變化，UTC會(huì)定期增加額外的秒數(shù)，即躍遷秒。雖然這可使地球與宇宙保持一致，但它會(huì)引起數(shù)據(jù)中心和100米短跑成績(jī)的混亂。

圖6. 氫微波激射器中產(chǎn)生的超精細(xì)躍遷頻率為1.420405751 GHz，將導(dǎo)致電子自旋反轉(zhuǎn)

GNSS登場(chǎng)

數(shù)據(jù)中心用來獲取UTC的常用方法有兩種：通過互聯(lián)網(wǎng)使用公開的NTP時(shí)間服務(wù)器，以及通過衛(wèi)星使用GPS或GNSS網(wǎng)絡(luò)。雖然在分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的早期部署期間，通過互聯(lián)網(wǎng)上的公共NTP時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行授時(shí)很常見，但固有的性能、可追溯性和安全問題已經(jīng)促使人們放棄了這種解決方案。

盡管GPS和其他GNSS通常被視為定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，但它們實(shí)際上是精確授時(shí)系統(tǒng)。接收器的位置和時(shí)間取決于信號(hào)以光速?gòu)亩鄠€(gè)衛(wèi)星傳輸?shù)浇邮掌鞯膫鬏敃r(shí)間。極具諷刺意味的是，這是物理學(xué)原理引發(fā)問題的又一個(gè)案例（此案例中是光速而不是原子），但也有助于解決問題。

這些衛(wèi)星有自己的機(jī)載原子鐘，這些原子鐘與從地面站傳輸?shù)叫l(wèi)星的UTC同步。利用這種方法獲取UTC可以提供5納秒范圍內(nèi)的時(shí)間偏差，從而實(shí)現(xiàn)每秒1億個(gè)時(shí)間包絡(luò)。

這種方法比公共NTP服務(wù)器更可靠、更精確，雖然這些信號(hào)可能會(huì)被太陽(yáng)風(fēng)暴或蓄意的信號(hào)干擾等事件中斷，但在出現(xiàn)這些信號(hào)時(shí)，可以在每個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)中心放置與衛(wèi)星信號(hào)同步的備份時(shí)鐘，以便在中斷期間提供所需的偏差水平。

圖7. 數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)速率的發(fā)展歷程以及實(shí)現(xiàn)和禁用的技術(shù)

下一步：躍遷電子

隨著未來對(duì)獲取、存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的需求不斷增加，我們需要具有極低偏差的新型原子鐘技術(shù)和時(shí)間傳輸系統(tǒng)。目前，國(guó)家授時(shí)實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)一種新型原子鐘，用于研究電子躍過軌道層時(shí)發(fā)生的光學(xué)躍遷。這些原子鐘的頻率穩(wěn)定性可達(dá)到萬億分之一赫茲，最終將用于重新定義秒這個(gè)單位。

通過專用光纖鏈路或機(jī)載激光器實(shí)現(xiàn)的信號(hào)傳輸已經(jīng)顯著提高了傳輸精度。憑借這些不斷涌現(xiàn)的創(chuàng)新數(shù)據(jù)，原子和光將繼續(xù)它們之間復(fù)雜的愛恨交織關(guān)系，從而能夠以更快速度處理越來越多的數(shù)據(jù)，而不會(huì)出現(xiàn)一致性或因果關(guān)系問題。