云计算中心技术架构

邬江兴：女士们、先生们早上好，很有幸能够在这样一个讲台上表达一下我对云计算的框架一些背景，当然也表达一下我们的理念，更重要我们觉得云计算是一次难得的计算技术的一次革命，绝不是现在已有技术的情况，无论从商业还是从用户，还是从服务理念，大会组开辟一个新的事业。    我们今天报告的题目就是云计算高效能之路。大家都知道云计算在里面核心的问题是高效能。至于能提供什么样的服务，管它是公有云还是私有云，还是混合云那是服务问题，所有服务都是解决一个效果问题，如果没有效果就是没有云，所以结合我们一些研究工作，特别是国家863十一五研究内容，我这里面重点介绍一下，基于认识主动重构云计算体系。ARC3这样一个东西。    云计算之所以如果之火，就是不同的人群和利益有关方都寄予了一些美好的憧憬，美好的憧憬表现不同的层面上，比方说个人和企业，我们对云计算的理解是什么呢？我们希望这些服务能够按需使用，最好不要让我计算机上下载那么多软件，最好不要让我维护这些软件和业户，为信息化已经付出了太多程度的代价了，所以能够有一个便捷的、信手拈来就用，不用就回去这样一种方式。    此外还要有一些更多个性化的东西，我们知道有许多服务是个性，然而个性不具有规模就不具有商业价值，有很多个性的服务因为没有规模而没有形成商业价值。所以云带来了统计复用，就是我们地球村的统计复用，就是整个服务在地球上具有商业规模的服务。    所以我们个性化的服务也是个人和企业所用，当然还有私密和安全性问题。    个人计算机正遭到病毒、木马肆无忌惮的侵犯，以至于我们每天花费大量的时间维护我们的安全，不断进行软件的杀毒软件的申请等等，总之我们现在为信息化付出很大的代价。我们希望有云能够改变我们的生活方式、改变我们的作业模式，能够减少我们的烦恼。    我们看一下运营商，云是需要通过运营商来提供的，那么运营商现在大问题是什么呢？全局资源的利用率很低，IBM有数据说，资源的利润不到10%甚至更低，一般来说30%，这些资源摆在这些地方，如果利用率很低的话对于运营商来说就是不合算的事情。    第二个问题对于运营商来说，现在的服务都需要一个快速灵活还有爆炸式的部署，所谓爆炸式的部署就是容不得你一点一点的来增长，必须像原子弹爆炸一样，迅速的占领市场，而不是通过一点一滴的来增长，所以它的商业模式的改变，使他需要迅速的爆炸式的，并且要有拓展性，更重要是要有更低的运营成本。像目前的IBC的方式，这种巨额高额的运营成本使人们不能接受。当然云服务如果离开安全性，也就失去了一个基本的公信度。    我们看看设备供应商，他们也是感觉到有一个美好的前景，比如说中小软件甚至个人，过去对他们来说市场是很高的门槛，进入市场要降低门槛是很困难的，现在我们看到IPP8这个方式，运营软件市场的方式，使人们看到了希望，就是说是一个个人的软件公司的话，我也有可能取得巨大的商业效果。    统计服务，云的统计服务将从根本上改变我们的商业模式，也会改变我们产品设计的理念。举一个例子，大家知道S专用电路，我们在河南S专用电路不能投产的重要原因就是对市场销售多少片作出一个评估，可是在云计算的时代，一切皆为服务，硬件也是服务，芯片也是服务，CIIS，在这样情况下，这个芯片也许价格很贵，然而在云的环境下，这种复用将被平摊在服务的数额上，而不是价值上。这个是我们设备供应商在这里面，使我们过去的模式有一个根本的突破。当然包括售后服务方式也面向云，包括我们的软件都是设备供应商。所以不同人群的美好远景寄托在云的身上。    云计算诠释太多了，我现在没有看到定义，因为现在没有定义的东西。有的人云计算是基于WEB的服务，也有说是云计算是投入的时代，总之原计算的诠释多达上百种，我想以后还会更多。总之云计算憧憬不堪重负，这个憧憬不堪重负了，因为它消耗了我们太多的想象，和我们现实太多的失望，也存在太多的远景与诉求。    对于理想的云计算是一个什么样的情况呢？我想还是从三个层面上来说，用户运营商和供应商都期望在云计算的一个零时代形成一个共赢。云计算共性化的服务，规模化的提供方式，作为一种规模化的方式，高效能的问题是计算机领域的改革问题，我不知道改革和发展问题是不是同等，发展问题是可以迂回去解决的，改革问题必须是攻关克难是必须攻破的，所以云计算一个不容回避的问题，就是高效能的问题。    我们用了一个现在时髦的字叫“囧”，怎么解决这个问题？我们现在说云计算人云亦“云”，“云”里雾里，中所纷“云”，不知所“云”，但是我们现在看到立场决定视角，云计算不容回避的问题就是高效能问题，这不仅是云计算，也是互联网计算、高性能计算，乃至计算技术不集中的一个基本问题。这些问题得到了解决，我想云计算就有落脚生根的基础了。    目前现在能够提出的说云计算提高效能的办法有哪些呢？首先我们可以看到虚拟化，是现在一个广泛被人们接受的东西，以至于云计算也虚拟，我们知道在SERVER FARM简单的廉价服务器的堆叠成为IPC一个基本组成状态。有人就开始提出了，这样一个组织状态下来讲，资源利用率是很低的，运营成本是很高的，运营保障付出的代价也是很大的。于是乎人们就在想，能不能把低价的、廉价的服务器，用高端的服务器甚至定制的服务器来解决，然后用虚拟化用虚拟化呈现，比较用虚拟的方式来提供服务，这就是虚拟化的基本思想。但是我们也可以看到。    这种虚拟化作为一个计算实体来说，它的代价也是昂贵的，因为任何的虚拟化都将为虚拟付出代价。一个研究表明，一个计算实体的虚拟，做一次虚拟化，做一次架构的虚拟化，至少有30%以上的开销要开掉。尤其是在深层次的虚拟化是要付出高昂代价的，我们传统计算机就可以看成是一个虚拟化的一个典范。它的计算实体本身是基于一个结构或者是一个可计算性判定的一个理论，就是通过最简单的算法，通过迭代算成，最后实现复杂运算，最后实现复杂的成果，本身就是虚拟性，它的运行效果怎么样呢？跟大家说是有功能的。    第二个方法就是低功耗的设计和管理。我们现在都知道绿色成为了信息技术、信息通讯网络的能耗，有人已经占到了世界总能耗的6%左右，还有再继续增加的趋势，这其中不包括我们所有用户的终端，只是信息网络、信通网络。低功耗设计与管理应该说这些年来取得了长足进步。我们这里有很形象，这时候一个高密度的一个运算环境的话，这个热量会很大的，当然这不是起火，这是热量很大的意思。那么我们在这里面引入了绿色的低功耗设计和系统的功耗管理技术，就可以大幅度的减少这个由于功耗而带来的运营成本的提升。    所以低功耗设计技术的进步，包括半导体的技能进步，包括自主认知的资源以及管理技术的进步，都使得我们低功耗设计与管理带来了许多显著的效应。当然我认为它仍然还停留在表面，还是停留在问题层面。    我们接下来的一个问题就是说，除了虚拟化和低功耗以外，我们还有别的办法解决效能的问题吗？这就是说我们处在一个路上。    看看还有其他的路可走吗？回答是肯定的，计算结构的改变是根本的改变，或者是最有效的改变，可计算性判断的（图林球形）理论，使我们计算机中是在原数周期表上的原数进行折算，这在工程设计领域少慢差多的事情，也许最大的能源消耗的不合理的一个典型。所以说解决效能的观点在于计算体系结构的创新是我们必须关注，这个也许是一个资本的问题。    我们注意到有一个自然法则，以及我们下述的推论。这个自然法则就是结构决定功能，结构也决定性能，更重要的是结构也能决定效能。当一个确定功能可以由多种实现结构，不同的实现结构具有不同的使用性能，现在我们的问题是，应用于功能、性能直接匹配时的结构才是高效能的结构，而不是虚拟化跟个性。这是我们的认识。有这个认识我们推广开来说，假如我们有这样一个憧憬，倘若我们在编制程序的时候只考虑功能不考虑性能，我们程序编写员会简单的多，我们软件生产会方便的多，然而不考虑性能的服务是不可能的。但是考虑性能的服务将会使软件的生产非常麻烦。能不能让系统自动的根据运行状态来配制性能呢？    这样的一个猜想我想大概也是一件十分美好的事情，就是以后只描写功能，性能根据运营自主的识别和自主的配制。因为当性能与负载、与服务质量相匹配的时候，那么它那时候提供的结构或者是算法才是我们最合适的叫高效能结构。    我们也注意到，我们计算机只有单一的基础结构，单一的计算基础结构来实现。它要面对多样化的应用需求这样一个矛盾，特别是它原来是适合于计算密集型这样一个服务。我们这只鸡不管是老母鸡还是老公鸡，反正是已经有了60年历史的计算机，它现在负担太重了，因为在它上面虚拟了沉重的东西上去，用一个基础结构虚拟上去，我们基本用原始终极表来虚拟我们这个世界，仔细打开看一下，有高效能吗？我们学过计算机人都很清楚。原来CPU运算器、控制器、总线、存储器、外存储器，如果在数据库里面修改一下邬江兴年龄的话，要经过很漫长的路径，在这么漫长的路径上有效率可言吗？所以我们说单一的基础结构通过层层迭代与合成构建在虚拟机上，在虚拟机上实现功能和性能，我们想由它来对应多样化、规模化、无确定模型表征的云计算应用需求，这能达到高效能的目标吗？我只是这样的提出问题。    于是乎又回来？简单又不合适，既然说功能与性能与运算状态和负荷情况相一致的情况是高效的，很自然我们推出一个问题，就是用可变的基础计算架构这样的体系结构，我们称之为函数结构，它是一个基础计算架构是一个可变的体系，它的自变量是一个复杂的函数，它的自变量可以时间、负载状态，记载方式、互联拓扑是一个复杂的过程。    解决目前有一个固定的、刚性的结构，通过虚拟化实现各种业务的方法，我们把它变成是有一个可变的需求，并能够根据运行状况改变结构，来实现这种函数结构的性能将能够在理论上是能够包括它的效能。    这里面我们给了一个图，这是我们传统的固定结构的承载情况，这上面有网银、电子商务、社交网络等等所谓各种应用。中间件有按照、管理中间件、工具连等等，下面是我们传统的设施，中央输出器等等。基础设施假使我们传统结构的计算机结构。它是一个固定结构，通过层层虚拟，实现上面的虚拟功能。    如果变成可变结构我们可以看到，从云的应用层面上将会传递出有效的信息，通过中间件层面这些感知和驱动，实现了金属设计这个层面上它是一个变化结构，这个结构是一个根据系统的预计效果选择什么样的元件。当然我们也可以看到，它的变化从OS到云OS，从感知到认知完成底下的层次，降低虚拟层次的厚度，提高系统整个运行的效能。    无论是硬件计算还是软件计算，不论是通用计算还是专用计算，都要有一个确定的体系结构解决不同的问题，这应该是最好的方式。我想只有这种方式才能够获得反应结果，否则一定是获得不同问题的最后效果。    我们现在用传统的CPU方式，用相应的方式，我们也想通过各种方式来解决，通用计算，计算结构确定通过算法改变，算法用迭代虚拟的算法，能够计算任何可计算的问题。    另外一个有硬件逻辑，所谓专用机的模式。专用机的模式也是一个确定结构，一个确定的算法，高效确定确定的问题，这是一个问题的两面。    随着改变，完全有通用，完全专用也不合适，所以在通用里面加了确定算法，在专用里面加了可变，但是这个仍然不能解决我们的问题，于是乎我们就想有一个期望目标，就是计算基础结构是可变的，算法也是可变的，又逼近不同问题最优效能的解。什么是东西是最优效能的解呢？我们想应该是这样的东西。    是具有可重构、可重组、可重配制这样一个策略，它应该具有这样一些诉求。在追求不同服务和不同负载等状态下综合高的效能，构建最合适的处理部件，形成最合适的体系结构，实现计算结构的可重组，互联拓扑的可重构，计算环境的可重建，这是Cubic—R，如果具有这样一个结构，就是我们所期望的结构。就是通过不同的问题，有不同的基础结构所解决，这是我所期待的。    于是乎我们到目前为止在一些传统计算机解析可以说是一种消负失虚，我们现在是想做到消虚失负，我们能不能根据你的脚给您做合适的鞋子呢？就是研究和建立最合适的计算模型，使用和构建最合适的处理部件，设计和匹配最合适的体系结构，追求和逼近最理想的综合效能。这里面是我们提出一个CUBIC—R的结构，它体现在系统级、部件级和器件级三个层面上。可变拓扑、可变带宽、传送计算以及互联结构加以CUBIC—R三个层面可连接的可重构性。    我们想要实现CUBIC—R结构的时代背景，首先是可重构时代，我们现在今天进入可重构时代。摩尔定理继续有效，数量呈数量性的增长，惠普公司提出纳米的处理器，总之集体款数量价值大数量增长。所以一个CUBIC—R承载着时代技术，受到是云时代到来，云时代到来最重要的问题是统计富有时代。    此外，我们也进入一个可重构的时代，尽管可重构的技术提出到现在已经有40多年的历史了，然而没有像今天这样的基础。最重要是我们处在海量的晶体管时代，我们不能把海量晶体管做多核和综核以外不能干别的事，因为重要的问题是许多问题不能用综核和多核能解决的，所以做出的综核和多核是浪费。核心是具有主动重构的高效计算系统，当然这个系统是一个ARC3，包含了通用和专用，通用和专用是这个系统两个极端的表现。    这个是我们当时提出的体系模型，总之云计算正在孕育着一场计算技术体系的革命，而不是一个简单的拼装和堆砌，也将催生巨大的可重构云计算创新和产业链，这个从软件到部件都存在巨大的发展机遇。我们有可能实现个人用户、企业用户、运营商用户、提供商和云业务开发商各方的多赢。    基于认知的重构将给所有理想追求者提供无限的机会，不一定要在这样一个拥挤不堪的红海，我们应该寻找新的蓝海。    最后我想报告一下，我们所想的不是一个理念的东西，所以依托上海红神信息技术公司，以及9家单位联合承担国家十一五863计划重大课题叫“新概念高效能计算机体系结构及系统研究开发”，我是中心的主任，由上海交大、同济大学、复旦大学等等，我们实现了重要理论突破，并且完成了半实物仿真，取得了理想的效果，这个效果不是虚拟机所说的效果。这是有很好的实验基础的效果，我们成立了技术联盟，创办了联盟的期刊。    我们衷心的欢迎有志之士参加新型计算结构与应用产业技术创业战略联盟，这是我们的LOGO，这是我们的网站。谢谢大家。