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本文來自“多樣性算力技術(shù)愿景白皮書”，白皮書內(nèi)容包括多樣性算了現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、挑戰(zhàn)、ARM發(fā)展策略和方案等方面，下載鏈接：多樣性算力技術(shù)愿景白皮書

處理器技術(shù)的發(fā)展，不僅僅體現(xiàn)在算力本身的提升，上層應用的兼容性也是生態(tài)建設的重要方面。而應用的兼容性可以從以下幾個方面考量，處理器指令集直接決定了上層軟件的技術(shù)路線，操作系統(tǒng)是應用的底座，編譯器很大程度上決定了程序運行的性能。本章節(jié)將分析目前ARM架構(gòu) CPU采用的指令集，操作系統(tǒng)和編譯器的版本，并給出電信行業(yè)ARM架構(gòu)CPU指令集、操作系統(tǒng) 和編譯器的統(tǒng)一標準建議。

1 ARM技術(shù)發(fā)展

1.1 ARM指令集

ARM架構(gòu)是不斷演進的，基于功能、性能和安全性的考慮, ARM公司每年都會推出不同的架構(gòu) 擴展并進行指令集的版本演進，同時ARM和生態(tài)伙伴會在Linux Kernel中持續(xù)增加功能來來支持這些最新的ARM架構(gòu)擴展，從而對絕大部分上層應用屏蔽底層硬件系統(tǒng)架構(gòu)的區(qū)別?？紤]到電信行業(yè)高可靠性的要求，并基于當前電信應用以及主流ARM架構(gòu)CPU的現(xiàn)狀, 建議今年將電信行業(yè) 數(shù)據(jù)中心領域ARM指令集版本起點標準定義為ARM v8.0，推薦標準為ARM v8.2。以后每年審視，綜合考慮各個廠家產(chǎn)品的實際研發(fā)進度，以及ARM指令集新的版本是否針對電信行業(yè)實際需求做過優(yōu)化等因素，再決定是否升級指令集版本標準。

1.2 編譯器

不同應用對編譯器更新頻度以及穩(wěn)定等有不同要求。具體到電信行業(yè)，網(wǎng)絡云場景偏重業(yè)務穩(wěn) 定性，因此穩(wěn)定的GCC版本是其基本訴求；而對于IT云和公有云等場景，則要求最新的GCC版本充分釋放算力。

GCC各個版本的升級都帶來新的功能特性和性能收益，但考慮ARM服務器廠商的應用現(xiàn)狀和遵循漸進的原則，建議今年電信行業(yè)ARM架構(gòu)下編譯器推薦版本為GCC9。相比較GCC7/8, 性能方面GCC9具有更強大的自動矢量化、循環(huán)展開等優(yōu)化特性。前端語言方面，GCC9全面支持C+ +17，同時在后端架構(gòu)適配方面，支持ARM Cortex-A76、ARM Neoverse N1等CPU核心，能夠充分發(fā)揮ARM架構(gòu)優(yōu)勢。此外，GCC9提供了最新的編譯告警提示信息，可以更方便地幫助開發(fā)者進行開發(fā)調(diào)試。

以后每年審視編譯器版本，遵循版本漸進的原則，同時考慮電信行業(yè)對編譯器穩(wěn)定的要求，原則上只采用發(fā)布一年以上的GCC新版本。例如2021年可推動各個CPU廠家采用2020年已發(fā)布的最新版GCC10。GCC10不僅包含許多新的體系結(jié)構(gòu)功能，而且還是迄今為止性能最高的GCC版本。采用GCC10編譯應用程序可以充分利用最新ARM架構(gòu)的優(yōu)勢，例如GCC10完全支持SVE的 ARM C語言擴展，這使得開發(fā)者可以訪問4000多種內(nèi)部函數(shù)，并在內(nèi)核中使用SVE的許多高級功能。此外，GCC10在自動向量化、循環(huán)展開等方面做了更多優(yōu)化。以ARM Neoverse N1為例，采用GCC10進行編譯相較于之前的版本，性能有極大的提升。

1.3 操作系統(tǒng)

當前主流的Linux操作系統(tǒng)包括Ubuntu，SUSE，openEuler等。Ubuntu的開發(fā)由英國 Canonical有限公司主導，基于Debian發(fā)行版和GNOME桌面環(huán)境，每2年發(fā)布一個LTS長期支持版本, 服務器版可以獲得為期5年的技術(shù)支持。SUSE是Linux操作系統(tǒng)的發(fā)行版之一，源自德國。現(xiàn)時SUSE屬于Novell旗下的業(yè)務，同時亦是桌面 Linux 聯(lián)盟（Desktop Linux Consortium）的發(fā)起成員之一。openEuler 是一個開源、免費的 Linux 發(fā)行版，將通過開放的社區(qū)形式與全球的開發(fā)者共同構(gòu)建一個開放、多元和架構(gòu)包容的軟件生態(tài)體系。

電信行業(yè)本身對操作系統(tǒng)的性能、可靠性和有效性有著專門的高標準和要求?；诋斍靶袠I(yè)應用情況,建議今年將電信行業(yè)ARM架構(gòu)操作系統(tǒng)版本基線定義為

● Ubuntu Kylin18.04 LTS或以上

● SUSE12.5或以上

● openEuler LTS 20.03或以上

在此操作系統(tǒng)版本基線之上，還建議系統(tǒng)應滿足高度中文支持，提供與桌面環(huán)境高度融合的中文化體驗；針對Linux操作系統(tǒng)管理、維護及易用性差等問題，提供插件式系統(tǒng)管理與維護框架，快速實現(xiàn)或擴展?jié)M足特定需求的系統(tǒng)管理和維護工具；針對Linux系統(tǒng)軟件包依賴關(guān)系復雜、普通用戶安裝軟件困難等問題，提供基于軟件倉庫的軟件包自動更新技術(shù)；從而為電信級市場提供高穩(wěn)定性、高安全性、高質(zhì)量、高性能和高可用性的操作系統(tǒng)平臺，推薦支持內(nèi)核熱補丁和熱替換特性，縮短業(yè)務中斷時間。具備vCPU的陷入陷出、內(nèi)存CPU占用率等觀察能力，提升虛擬化層維護效率。

此外，針對操作系統(tǒng)內(nèi)核版本，建議使用Linux Kernel 4.18 或以上版本，更新的內(nèi)核版本將帶來更多功能增強和更多的設備支持。以Ubuntu Kylin 20.04 LTS采用的Linux 5.4內(nèi)核為例，該內(nèi) 核的重要更新包括升級exFAT 文件系統(tǒng)驅(qū)動程序、優(yōu)化 Nouveau 開源顯卡驅(qū)動的顯示顏色管理、以及RTL8125 網(wǎng)絡設備和RK3288 VP8 解碼支持等。

今后建議每年審視，綜合考慮各個廠家產(chǎn)品的實際研發(fā)進度，操作系統(tǒng)新的版本是否針對電信行業(yè)實際需求做過優(yōu)化等因素，再決定是否升級操作系統(tǒng)版本建議標準。

2 電信領域引入多樣性算力的推進方案

2.1 硬件上制定客觀完備的測試基準，推進硬件開放

傳統(tǒng)計算平臺之外，引入多樣性算力首先要解決“能不能用”的問題。面向不同技術(shù)路線下的各類處理器產(chǎn)品在云計算場景下的應用，需聯(lián)合應用行業(yè)代表、測試機構(gòu)代表、處理器廠商、整機廠商、OS廠商、從事基準研究的高校，共同開發(fā)有技術(shù)競爭力和產(chǎn)業(yè)影響力的性能基準，填補國家產(chǎn)業(yè)基準空白的同時引領多樣性算力性能的蓬勃發(fā)展。其中，考慮核心應用對CPU的資源消耗情況，尤其各類處理器核心的性能差異，在電信行業(yè)虛擬化條件下制定計算性能的評估制定基準測試標準。同時，基于電信行業(yè)典型應用場景，對性能基準的負載選擇也進行評估和開發(fā)。目標是推動制定NFV服務器計算基準測試標準，全面、客觀地評估不同架構(gòu)處理器及計算核心算力。

數(shù)據(jù)中心服務器硬件上存在生態(tài)壟斷、企業(yè)間產(chǎn)品互相捆綁的情況。為推動基礎軟件（尤其是 OS）、固件、CPU及其它硬件間的兼容適配，支持更強的可擴展性，促進ARM服務器生態(tài)的發(fā) 展，需要制定基于ARM架構(gòu)的服務器在系統(tǒng)管理、軟硬件解耦等方面的開放標準。包括規(guī)定基于 BMC的帶外、帶內(nèi)管理功能要求（訪問、部署配置、維護診斷、告警監(jiān)控等）、軟件管理接口要求、硬件管理技術(shù)要求、安全要求（賬號安全、協(xié)議、訪問策略等）、BMC啟動性能要求等。確立相關(guān)技術(shù)標準后，通過功能、性能測試方式來評估各廠商產(chǎn)品滿足用戶需求的程度，并通過兼容性測試來驗證OS、固件、硬件之間的適配和兼容。

2.2 軟件技術(shù)棧的生態(tài)準備與選型評估

現(xiàn)代應用軟件功能日益豐富，代碼規(guī)模大，多采用組件化分工協(xié)作，不同組件還可能由不同組織提供和維護，相互依賴關(guān)系復雜。因此需要從IT技術(shù)全棧視角審視支持多樣性算力適配和遷移的條件。如下圖所示，典型的軟件技術(shù)棧具體包括操作系統(tǒng)、虛擬化、數(shù)據(jù)庫、中間件、應用軟件等層次。

2.2.1 操作系統(tǒng)（OS）

為更好地適配多樣性算力，建議從生態(tài)、功能、可靠性、安全性和服務支持能力幾個維度開展操作系統(tǒng)綜合評估和選擇，以滿足上層應用遷移適配的要求。

1. 生態(tài)上，OS要能同時適配多樣化的CPU算力底座，要支持鯤鵬、飛騰等ARM芯片，要能適配主流板卡，包括但不限于網(wǎng)卡、RAID卡、GPU卡、硬盤等設備。供應上要基于開源社區(qū)打造多元化OS底座，既與國際主流社區(qū)保持回合同步，又可以獨立演進不受極端情況斷供的影響；選取軟件包時要能覆蓋90%以上的客戶場景，并能做到版本間的前向兼容；

2. 功能上，OS要能提供上層應用必需的能力。包括OS必須集成滿足一定性能要求的編譯環(huán) 境（gcc、jdk）和動態(tài)庫（glibc），必須集成主流開發(fā)語言（如python等）；此外，OS還要對常見業(yè)務提供基礎的底層支撐，如能提供基于KVM、QEMU的虛擬化能力，提供基于docker、 k8s的容器能力等；

3. 可靠性上，OS要提供良好的可靠性保障：如能對內(nèi)核崩潰提供快速的定位、恢復機制，能對可靠性要求較高的容器、虛擬化提供額外的可靠性保障；

4. 安全方面，OS需要具備完善的安全能力：要能根據(jù)影響程度及時修復影響較大的CVE漏洞，并在官方網(wǎng)站上發(fā)布修復公告，能提供完整性度量、機密計算等高級安全特性，做到OS層面的高可信、高安全度；

5. 服務支撐方面，商用OS需要考慮OSV的團隊服務能力，非商用OS需要考慮社區(qū)服務能力。

當前支持ARM平臺的國產(chǎn)商用操作系統(tǒng)包括銀河麒麟、麒麟信安、統(tǒng)信、普華、拓林思、傲萊等，開源操作系統(tǒng)包括SUSE，openEuler等。

2.2.2 虛擬化層

首先應推動包括QEMU-KVM、OpenStack、Docker、K8s等為代表的開源虛擬化層軟件支持多樣性算力。其次，在虛擬化軟件層建立基準要求，能納管不斷豐富的IT基礎設施，包括x86/ ARM等不同指令集架構(gòu)的硬件，支持不同架構(gòu)硬件資源池的混合部署，助力用戶應用朝著更敏捷、更高效、更多元的方向發(fā)展。

為更好地適配多樣性算力，建議從生態(tài)、功能、性能、可靠性和安全性等幾個維度開展虛擬化層軟件的綜合評估。

1. 在軟件生態(tài)上，針對多樣化CPU算力底座進行適配時，需要制定基準要求來統(tǒng)一虛擬化軟件的生態(tài)，要求屏蔽不同CPU架構(gòu)的差異，除x86外，還要能支持鯤鵬、飛騰等ARM芯片，支持不同架構(gòu)資源池的混合部署，從而為用戶提供差異化的選擇；在適配多樣化CPU算力底座需要考慮的主要包括：

● 網(wǎng)卡等硬件驅(qū)動適配

● BIOS適配

● HostOS內(nèi)核升級及適配

● Switch卸載特性

● NUMA特性

● 虛擬層管理軟件編譯

2. 從功能上，虛擬化層軟件需要提供必須的基礎能力，包括CPU虛擬化技術(shù)、內(nèi)存虛擬化技術(shù)、IO虛擬機化技術(shù)等，支持跨主機熱遷移、智能內(nèi)存復用、虛擬機高可用、動態(tài)資源調(diào)度等關(guān) 鍵特性；在硬件支持情況、設備的驅(qū)動支持和Host/GuestOS的操作系統(tǒng)支持等方面要能在多類型的硬件平臺混合部署，實現(xiàn)更靈活更好的擴展性；

3. 從性能上，技術(shù)路線的發(fā)展應該支持處理器架構(gòu)發(fā)展方向為更高密度的核數(shù)，更低的功耗，更強的性能，比如提升單VM計算性能及整機VM計算性能，降低整體TCO；

4. 可靠性上，虛擬化層軟件能支持包括虛擬機HA、虛擬機熱遷移、虛擬機負載均衡、故障檢測等特性；

5. 安全方面，虛擬化層軟件安全解決方案需要從不同層面解決。在物理資源層可以通過可信計算技術(shù)來保證主機硬件（BIOS、操作系統(tǒng)引導程序等）的安全性；操作系統(tǒng)層通過Host/ Guest OS的安全機制來保障操作系統(tǒng)的安全可靠；在虛擬化層可以通過Hypervisor安全機制或者虛擬機自省技術(shù)確保虛擬機監(jiān)視器的安全運行。

2.3.3 數(shù)據(jù)庫層

為更好地適配多樣性算力，建議從業(yè)務場景、可遷移性、性能、高可用、安全等幾個維度開展數(shù)據(jù)庫綜合評估和選擇，以滿足上層應用遷移適配的要求。

1. 在業(yè)務場景上，數(shù)據(jù)庫要支持多引擎，要能同時支持行存引擎、列存引擎、內(nèi)存引擎等多種引擎模式，來充分支撐交易型、分析型、高性能等不同的業(yè)務需要；同時要考慮不同類型數(shù)據(jù) 庫間的遷移，要考慮所選數(shù)據(jù)庫具有良好的語法兼容性；

2. 性能上，數(shù)據(jù)庫要能滿足高性能場景的業(yè)務訴求，包括高tpmC和高并發(fā)下的穩(wěn)定性。數(shù)據(jù) 庫要能充分利用ARM多核NUMA的特點，對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做NUMA分區(qū)化改造，比如部分廠商的2 路服務器，可以達到150萬的tpmC，在高并發(fā)（800并發(fā)）時仍能保持穩(wěn)定的性能。對于更高性能要求的數(shù)據(jù)庫場景（如CRM、Boss），推薦引入4路服務器；

3. 高可用上，要求數(shù)據(jù)庫能在一定負載強度、一定業(yè)務量下達到能滿足業(yè)務需求的RTO時間（故障恢復時長），比如60%負載、70+萬tpmC下建議能滿足RTO < 10s；

4. 可遷移性上，標準須約束數(shù)據(jù)庫具備完整、可靠的手動/自動遷移流程/規(guī)范，可以對自動化方式實現(xiàn)主流數(shù)據(jù)庫遷移提出要求，可以對遷移成功率設置最低標準（比如90%以上）；

5. 安全性上，數(shù)據(jù)庫需要在運行安全和存儲信息的安全兩方面滿足安全訴求，需要能對核心數(shù)據(jù)的存儲做到加密，需要有一定的防漏洞、防攻擊機制，需要能對敏感數(shù)據(jù)做到匿名化。

當前已支持ARM平臺的國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫廠商包括海量數(shù)據(jù)、云和恩墨、虛谷偉業(yè)、神舟通用、人大金倉、達夢、南大通用、阿里、騰訊、電信自研數(shù)據(jù)庫（TiDB，Teledb）、東方國信行云數(shù)據(jù) 庫、思特奇iddbs、亞信antDB等，開源數(shù)據(jù)庫包括openGauss、MySQL、PG、MariaDB等。

2.2.4 中間件層

中間件與操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫并稱三大核心基礎軟件，為上層應用軟件便捷、通用和標準化的研發(fā)提供了強有力的支撐，通過服務或者服務組件來實現(xiàn)更高層次的復用、解耦和互操作。當前，對中間件的選擇，從供應來源上來看，推薦從持續(xù)投入研發(fā)、創(chuàng)新以及服務能力建設且聚焦基礎軟件的廠商如寶蘭德、東方通等供應商以及開放性較好的開源軟件中選擇，呈上啟下，連接好底層軟件和上層應用，端到端做到對多樣性算力的支持。

2.2.5 應用層

當前，在數(shù)據(jù)量爆發(fā)性增長、行業(yè)應用場景需求差異化以及運營商業(yè)務模式多元化變革的趨勢下，電信云面臨從架構(gòu)到底層硬件基礎設施的全面升級。

IT云方面，隨著運營商業(yè)務模式更加多元，IT支撐系統(tǒng)業(yè)務邏輯更趨復雜，實時數(shù)據(jù)處理、高并發(fā)數(shù)據(jù)處理、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)需求不斷擴大，容器化部署、分布式處理等場景加速向CRM、 BOSS、MSS等核心系統(tǒng)滲透，需要底層IT基礎設施在并行計算、內(nèi)存容量和帶寬等方面提供更高能力匹配。

網(wǎng)絡云（電信云/CT云）方面，基于NFV技術(shù)的解決方案已成為運營商核心網(wǎng)擴容和新建的優(yōu)選考慮。5G核心網(wǎng)采用原生云化設計思路和微服務架構(gòu)，將網(wǎng)元功能拆分為細粒度的網(wǎng)絡服務， “無縫”對接云化NFV平臺輕量級部署單元，為差異化的業(yè)務場景提供敏捷的系統(tǒng)架構(gòu)支持，核心網(wǎng)容器化、硬件資源池化成為發(fā)展方向，對底層計算架構(gòu)的多樣性、負載能力和計算效率提出新的要求。

在邊緣節(jié)點，為應對大視頻、物聯(lián)網(wǎng)等各類高帶寬和低時延的邊緣計算類業(yè)務，電信云計算能力向移動邊緣節(jié)點下沉，以實現(xiàn)網(wǎng)絡業(yè)務、服務及應用更快的分發(fā)下載速度，從而有效緩解核心網(wǎng)壓力，提升用戶網(wǎng)絡體驗，邊緣數(shù)據(jù)中心IT基礎設施將面臨計算、存儲等網(wǎng)絡能力的全面提升以實現(xiàn)大流量、高并發(fā)、低時延的本地數(shù)據(jù)處理能力。