NUMA架構(gòu)介紹及優(yōu)缺點分析

本文分享自天翼云開發(fā)者社區(qū)《NUMA架構(gòu)介紹及優(yōu)缺點分析》，作者:郁****航

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一、什么是NUMA架構(gòu)

1、概念

NUMA（Non-Uniform Memory Access，非統(tǒng)一內(nèi)存訪問）架構(gòu)是一種針對多處理器系統(tǒng)的內(nèi)存組織方式。在這種架構(gòu)中，處理器被分配到不同的節(jié)點，每個節(jié)點擁有自己的本地內(nèi)存。處理器可以訪問本地內(nèi)存和其他節(jié)點的內(nèi)存，但訪問本地內(nèi)存的速度要快于訪問其他節(jié)點的內(nèi)存。 

2、設(shè)計原理

NUMA架構(gòu)的設(shè)計原理主要是為了解決多處理器系統(tǒng)中的內(nèi)存訪問瓶頸問題。隨著處理器數(shù)量的增加，內(nèi)存帶寬需求也會相應(yīng)提高。然而，在傳統(tǒng)的統(tǒng)一內(nèi)存訪問（UMA）架構(gòu)中，所有處理器共享同一塊內(nèi)存，導(dǎo)致內(nèi)存訪問延遲增加、內(nèi)存帶寬成為系統(tǒng)性能的瓶頸。NUMA架構(gòu)通過將內(nèi)存分配到各個節(jié)點，使處理器優(yōu)先訪問本地內(nèi)存，降低內(nèi)存訪問延遲，提高了多處理器系統(tǒng)的性能。

3、結(jié)構(gòu)特點 

在NUMA架構(gòu)中，系統(tǒng)被劃分為多個節(jié)點，每個節(jié)點包含一個或多個處理器、本地內(nèi)存和I/O設(shè)備。節(jié)點之間通過高速互連網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，如HyperTransport（AMD）或QuickPath Interconnect（Intel）等。每個處理器可以訪問本地內(nèi)存和遠(yuǎn)程內(nèi)存，但訪問本地內(nèi)存的速度更快。

二、NUMA架構(gòu)的優(yōu)點

1、擴(kuò)展性

NUMA架構(gòu)允許系統(tǒng)中的處理器和內(nèi)存資源以節(jié)點為單位進(jìn)行擴(kuò)展，使得在增加處理器和內(nèi)存時，可靈活地調(diào)整系統(tǒng)的規(guī)模。這使得NUMA架構(gòu)的系統(tǒng)具有很高的擴(kuò)展性，可以滿足從小型服務(wù)器到大型高性能計算集群等各種規(guī)模的并行計算需求。隨著處理器核數(shù)的增加，NUMA架構(gòu)能夠更好地應(yīng)對內(nèi)存訪問的性能挑戰(zhàn)，從而實現(xiàn)線性或接近線性的性能提升。

2、局部性

在NUMA架構(gòu)中，每個節(jié)點的處理器具有本地內(nèi)存，處理器訪問本地內(nèi)存的延遲較低。這種局部性原則有助于減少內(nèi)存訪問延遲，提高處理器之間的協(xié)同性能。通過充分利用局部性原則，操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序可以實現(xiàn)更高效的任務(wù)調(diào)度和內(nèi)存分配策略，從而進(jìn)一步提升NUMA系統(tǒng)的性能。

3、負(fù)載均衡

在NUMA系統(tǒng)中，各個節(jié)點都擁有自己的處理器和本地內(nèi)存，這使得處理器能夠在不同節(jié)點間分散負(fù)載。通過對任務(wù)和內(nèi)存的分布式管理，可以實現(xiàn)負(fù)載均衡，從而提高系統(tǒng)整體性能。特別是在高并發(fā)、大規(guī)模數(shù)據(jù)處理等場景下，負(fù)載均衡機(jī)制可以有效地避免單個節(jié)點的資源瓶頸問題，確保系統(tǒng)資源得到充分利用。

4、并行性能

NUMA架構(gòu)通過將內(nèi)存資源分配到各個節(jié)點，降低了內(nèi)存訪問爭用，提高了內(nèi)存帶寬。在多處理器并行計算場景下，這種設(shè)計有助于提高并行性能。對于具有大量數(shù)據(jù)交換的計算任務(wù)，NUMA架構(gòu)可以充分發(fā)揮各個處理器之間的并行計算能力，實現(xiàn)性能的優(yōu)化。

三、NUMA架構(gòu)的缺點

1、軟件兼容性

為了充分發(fā)揮NUMA架構(gòu)的性能優(yōu)勢，操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序需要具備NUMA感知能力。這意味著軟件開發(fā)者需要投入更多精力進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)試，以確保其應(yīng)用程序在NUMA架構(gòu)系統(tǒng)上能夠?qū)崿F(xiàn)高性能運(yùn)行。對于那些非NUMA感知的應(yīng)用程序，性能可能無法達(dá)到最佳。

2、內(nèi)存碎片化 

在NUMA系統(tǒng)中，內(nèi)存資源可能分布在不同的節(jié)點上，導(dǎo)致內(nèi)存碎片化問題。尤其是在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時，內(nèi)存碎片化可能導(dǎo)致內(nèi)存利用率降低，甚至影響系統(tǒng)性能。

3、成本

與統(tǒng)一內(nèi)存訪問（UMA）架構(gòu)相比，NUMA架構(gòu)的硬件成本較高。這是因為NUMA系統(tǒng)需要額外的硬件來支持節(jié)點間的通信和協(xié)調(diào)，例如高速互連網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)存控制器等。此外，NUMA架構(gòu)對操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的優(yōu)化要求較高，可能導(dǎo)致軟件開發(fā)成本增加。因此，在選擇NUMA架構(gòu)時，需要權(quán)衡其性能優(yōu)勢與成本投入。

4、復(fù)雜性

NUMA架構(gòu)引入了節(jié)點概念，使得系統(tǒng)設(shè)計和管理變得更加復(fù)雜。這包括硬件層面的節(jié)點通信和協(xié)調(diào)，以及軟件層面的任務(wù)調(diào)度和內(nèi)存管理等。為了充分利用NUMA架構(gòu)的優(yōu)勢，系統(tǒng)管理員和開發(fā)者需要具備較高的技術(shù)能力，以應(yīng)對NUMA架構(gòu)帶來的挑戰(zhàn)。

總結(jié)起來，NUMA架構(gòu)雖然在性能和擴(kuò)展性方面具有優(yōu)勢，但也存在一定的缺點，如軟件兼容性問題、內(nèi)存碎片化、成本較高和系統(tǒng)復(fù)雜性等。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的需求和場景綜合考慮是否選擇使用NUMA架構(gòu)。

四、與其他內(nèi)存架構(gòu)的對比

1、與UMA（Uniform Memory Access，統(tǒng)一內(nèi)存訪問）架構(gòu)對比：

UMA架構(gòu)是一種所有處理器共享同一塊內(nèi)存的內(nèi)存訪問方式。在UMA架構(gòu)中，處理器訪問內(nèi)存的延遲是一致的，這使得內(nèi)存訪問更加簡單。然而，隨著處理器數(shù)量的增加，UMA架構(gòu)中的內(nèi)存訪問性能可能受到限制，因為所有處理器都需要通過同一個內(nèi)存總線訪問內(nèi)存。相較之下，NUMA架構(gòu)通過分配本地內(nèi)存降低了內(nèi)存訪問延遲，提高了性能，但需要應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)具有NUMA感知能力。在實際應(yīng)用中，UMA架構(gòu)可能更適用于處理器數(shù)量較少的場景，而NUMA架構(gòu)在處理器數(shù)量較多的場景中具有優(yōu)勢。

2、與cc-NUMA（Cache-coherent NUMA，一致性緩存非統(tǒng)一內(nèi)存訪問）架構(gòu)對比：

cc-NUMA架構(gòu)是NUMA架構(gòu)的一種改進(jìn)，它在NUMA的基礎(chǔ)上引入了緩存一致性協(xié)議（如MESI、MOESI等），以確保不同節(jié)點之間的數(shù)據(jù)一致性。相較于傳統(tǒng)的NUMA架構(gòu)，cc-NUMA架構(gòu)在保持?jǐn)U展性和性能優(yōu)勢的同時，解決了數(shù)據(jù)一致性的問題。然而，cc-NUMA架構(gòu)的硬件復(fù)雜度和成本相對較高，因為它需要實現(xiàn)更為復(fù)雜的緩存一致性協(xié)議和通信機(jī)制。在實際應(yīng)用中，cc-NUMA架構(gòu)可能更適用于對數(shù)據(jù)一致性要求較高的場景。

綜上所述，在不同的內(nèi)存架構(gòu)之間，NUMA架構(gòu)在處理器數(shù)量較多、并行計算和高性能計算場景中具有優(yōu)勢。相較于UMA架構(gòu)，NUMA架構(gòu)通過將內(nèi)存資源分配到各個節(jié)點，降低了內(nèi)存訪問延遲，提高了性能。然而，這也需要應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)具有NUMA感知能力，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。與cc-NUMA架構(gòu)相比，傳統(tǒng)的NUMA架構(gòu)在硬件復(fù)雜度和成本方面具有一定優(yōu)勢，但可能無法滿足對數(shù)據(jù)一致性要求較高的場景。

在實際應(yīng)用中，不同的內(nèi)存架構(gòu)適用于不同的場景和需求。在選擇適合的內(nèi)存架構(gòu)時，需要綜合考慮處理器數(shù)量、性能需求、數(shù)據(jù)一致性要求、成本和軟件兼容性等因素。對于大規(guī)模并行計算和高性能計算場景，NUMA架構(gòu)可能是一個較為合適的選擇。然而，在處理器數(shù)量較少或?qū)?shù)據(jù)一致性要求較高的場景中，UMA或cc-NUMA架構(gòu)可能更為適用。