什么是NUMA架构？NUMA架构或将成为未来处理器发展趋势

随着人工智能和云计算等技术的不断发展，处理器需要处理的数据量越来越大，对性能和效率的要求也越来越高。另一方面，摩尔定律逼近极限，在过去十几年中，单个处理器中晶体管数目的增加速度逐渐放缓，芯片工艺制程接近1nm时，开始接触到量子效应的极限。

当制造工艺很难再发展的时候，人们更多是希望在处理器架构设计多下功夫，以提高计算效率，NUMA架构应运而生。本篇文章，跟大家介绍一下，什么是NUMA架构？

早期的时候，每台服务器都是单CPU，随着技术的发展，出现了多CPU共同工作的需求。NUMA(Non-Uniform Memory Access，非一致性内存访问)和SMP(Symmetric Multi-Processor，对称多处理器系统)是两种不同的解决多CPU共同工作的硬件体系架构。

SMP架构是比较常见的多CPU构建方式。其主要特征是共享，所有的CPU共享使用全部资源，例如内存、总线和I/O，多个CPU对称工作，彼此之间没有主次之分，平等地访问共享的资源。但是缺点也显而易见，这样势必引入资源的竞争问题，随着核数增多，内存控制器读取内存的性能瓶颈越来越明显，从而导致它的扩展内力非常有限。

为了解决这个问题，硬件设计师们将内存控制器平分到每个 die上,从而形成了NUMA 架构。

NUMA架构通过将CPU划分成不同的组（Node)，每个Node由一个或多个（物理）CPU组成，并且有独立的本地内存、I/O等资源。在NUMA架构中，每个节点都有自己的内存和计算资源，这使得处理器可以更灵活地分配资源，提高了整体性能和效率。此外，NUMA架构还可以通过增加节点数量来扩展处理器的计算和存储能力，这使得它成为一种非常适合大规模并行处理的架构。

目前业界都认为摩尔定律接近极限，NUMA技术是CPU发展的一种必然趋势。

摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，处理器的性能大约每两年翻一倍，同时价格下降为之前的一半。

然而，在过去十几年中，单个处理器中晶体管数目的增加速度逐渐放缓，促使许多厂商推出双核及多核计算机。在这样的背景下，NUMA架构处理器可带来更高的性能、核心密度和能效，也会适用于更广泛的计算环境。

说了这么多，NUMA架构处理器表现如何？国内外都哪些品牌采用了多NUMA架构的方式去设计处理器？

（1）AMD

AMD 的“Zen”架构带来全新的处理器设计，较原来的 AMD “推土机”架构实现了大幅的性能提升。 “Zen”有三大目标 — 卓越的性能、非凡的可扩展性以及出色的能效。

为实现出色的可扩展性，AMD 在处理器中大胆采用全新理念：小芯片。AMD 没有构建更大、更昂贵的单片芯片，而是采取了称为小芯片的处理器构建块。每个小芯片都包含许多基于“Zen”的核心，而且封装的小芯片越多，处理器性能就越强。目前，“Zen”处理器的核心数少则两个，多则 128 个。这种创新为消费者带来可扩展性和灵活性。

AMD Zen架构诞生于2017年，迄今已经先后有了14nm Zen、12nm Zen+、7nm Zen 2、7nm Zen 3，以及现有的已应用于AMD 4代服务器的5nm Zen 4Genoa处理器产品。比如，早期的zen1如下图所示4个numa的结构

AMD官网上展示的zen4的多numa架构

从AMD的产品路线图上可以发现，采用多NUMA的架构设计，能扩展更多的物理Core，提供更强的性能，例如：从zen1的32物理核，到zen2/3的64物理核，虽然zen2采用7nm制程，但是多NUMA方式让zen2集成更多的核心，性能也是提升2+倍不止。

型号	核心数	线程数	基频 （GHz）	最高加速频率 (Ghz)	CPU2017 Integer Rates
Zen1 7551	32	64	2.0	3.0	136
Zen2 7662	64	128	2.0	3.3	335

目前最新发布的zen4多达96核，多NUMA架构的方式让处理器可带来更高的性能、更高的核心密度和更低的能效。从AMD的产品路线图上，AMD一直在多NUMA上设计，产品性能也是遥遥领先。

（2）Intel

英特尔今年创新推出的Sapphire Rapids，也为下一代数据中心处理器树立了标准参考。

据英特尔Linux工程师Andi Kleen提交的内核补丁可知，Sapphire Rapids将采用Golden Cove架构核心，而不是目前Tiger Lake使用的Willow Cove架构核心，这意味着Sapphire Rapids将于即将到来的Alder Lake拥有同款架构核心。Sapphire Rapids芯片采用了与AMD霄龙服务器处理器类似的“胶水”设计，4个MCM小芯片有望提供多达80个CPU核心，单颗处理器则由4个NUMA组成。

英特尔在2023年推出了至强铂金 8490H 是一款 60 核服务器/工作站处理器，四个DIE（NUMA）的实现方式。 通过lscpu可以看到9490H单颗处理器4个NUMA结构。



（3）海光

在海光官网上直观的看到海光也是4NUMA的设计，同时，在现有的服务器验证结果来看，海光确实是4NUMA结构，并且在高频计算方面表现在同行业中表现出众，海光在国内市场也已经挤进主流处理器的行列中。

在NUMA架构技术加持下，海光在诸多场景下都能发挥出性能优势。

如在数据库管理系统领域，在大量读写的数据库操作中，NUMA架构可以显著提高数据库的性能，许多数据库管理系统，如Oracle、MySQL等，支持NUMA架构，可以利用NUMA特性进行优化；在科学计算领域，常常需要处理大量的数据，使用NUMA架构可以提高处理器的内存访问速度，从而提高整体性能；在服务器应用领域，NUMA架构可以帮助平衡负载，提高服务器的整体性能；在云计算领域，NUMA架构可以用于平衡虚拟机的资源分配，从而提高整个云环境的性能。

据说，海光四号将采用Chiplet技术，在原有的NUMA架构上，进一步优化互联技术、提升计算能力。海光不断的技术创新，以持续自研迭代，带来好用、易用的国产处理器。

综上所述，NUMA架构是处理器发展的一个重要趋势，产品表现相对而言是不错的。当然，技术发展都是任重道远的，未来处理器架构的发展，还需要不断的创新优化，以克服未知的挑战。

审核编辑：刘清