HCIA Kunpeng 2.0
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title: HCIA-Kunpeng Computing V2.0考试
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计算产业发展简史及趋势
- 计算工具的演化：从古代的结绳记事和算筹到现代电子计算机。
- 早期的电子计算机：
- 1889年：赫尔曼·何乐礼的电动制表机。
- 1930年：范内瓦·布什的模拟电子计算机。
- 1946年：ENIAC，世界上第一台电子计算机。
- 技术演进与里程碑：
- 1950年：第一台并行计算机和冯·诺伊曼的理论。
- 1954年：IBM的晶体管计算机。
- 1970年：IBM S/370与大规模集成电路和虚拟存储技术。
- 1975年：MITS的微型计算机。
- 1977年：彩色图形个人计算机。
- 1998-2001年：赛扬处理器、Pentium III和Pentium 4的推广以及硬件标准配置变化。
- 计算产业的演变：
- 计算1.0：专用计算时代。
- 计算2.0：通用计算时代，数据中心增长。
- 计算3.0：智能计算时代，全场景全栈计算，世界逐渐智能化。
- 智能计算时代的挑战与需求：
- 算力需求多样化。
- 服务器市场的变革：从虚拟化、云计算到AI计算、边缘计算和HPC。
- 计算产业的主要挑战：传统服务器的算力瓶颈与高运维管理成本。
这部分内容提供了计算机从原始的计算工具到现代计算机系统的发展历程，突出了技术演进的各个重要阶段，并对当今计算产业的挑战与需求进行了探讨。
处理器芯片介绍
1 什么是芯片
- 芯片: 电路的小型化形式，制造在半导体晶圆上。
- 晶圆: 制作硅半导体集成电路的硅芯片，用作生产集成电路的载体。
- 电路: 由电气设备和元器件组成的系统，为电荷流通提供路径。
- 半导体器件: 利用半导体材料电特性的电子器件。常用材料包括硅、锗或砷化镓。
- 被动元件: 消耗但不产生能量或无法产生增益的电子元件。
2 芯片起源
- ENIAC: 世界首台通用电子计算机，于1946年为美军弹道研究实验室使用。
- 芯片的发展趋势: 小型化和高性能。
3 芯片行业产业链
- 芯片制造流程:
- 芯片设计: 创建电子器件及其互连线模型。
- 晶圆加工: 通过化学处理，逐步在纯半导体材料上形成电子电路。
- 芯片封装测试: 将晶粒封装以防止损坏，之后进行电路性能测试。
4 华为服务器芯片概览
- 华为鲲鹏 920 处理器: 7 nm 数据中心处理器，最多支持64核。
- 智能网卡芯片: 以太网与FC协议融合，协议加速。
- 异腾 AI 芯片: 基于达芬奇架构的深度学习芯片。
- 智能 SSD 控制器芯片: PCIe NVMe与SAS协议融合，具有智能加速。
- 智能管理芯片: 内含智能管理引擎，包括五大智能管理特性。
此部分提供了对处理器芯片的基础介绍，从基本概念、起源、产业链到华为的服务器芯片应用的概览。
计算系统架构概述
计算系统简介
1. 定义与结构： 计算系统基于新一代智能服务器，并融合了管理、加速、异构、AI等系列芯片。它也结合了覆盖云、边、端的全栈全场景智能解决方案的体系架构，从而成为面向计算业务的全方位智能化加速的基础和基石。
2. 系统组成： 狭义上的计算系统由硬件系统和软件系统组成：
- 硬件系统：包括主机和外部设备。
- 软件系统：包括系统软件和应用软件。
在现代语境下，计算系统也涉及软硬件结合的解决方案，使客户能够了解计算系统软硬件如何在实际业务系统中协同工作。
2.1.2 计算系统架构全景图
1. 架构三要素：
计算系统的架构主要分为三个方向 - 硬件、软件和解决方案。
2. 硬件：
- 业务场景分析：根据需求选择适当的服务器类型。
- 服务器种类：包括大型机、小型机、塔式服务器、机架式服务器和刀片式服务器等。
3. 软件：
- 软件栈：一系列相关软件的集合。
- 软件选择：根据实际业务场景和底层硬件规格，选择适合的操作系统、中间件和应用软件。
4. 解决方案：
- 项目定制：根据客户的实际项目需求，确定技术方向，如HPC、大数据、AI等。
- 软硬件搭配：选择合适的软硬件并确定在业务系统中的部署方式，从而帮助客户快速构建其业务系统。
计算产品硬件介绍
服务器概述与发展
服务器定义：是一种专门为提供集中计算、信息发布和数据管理等服务而设计的计算产品。
服务器特点：
快速运行
能够承受高负载
较高价格
可靠性
可用性
可扩展性
易用性
可管理性
服务器发展历程：
大型主机阶段：20世纪40-50年代的第一代电子管计算机。
小型计算机阶段：20世纪60-70年代的大型主机的小型版本。
微型计算机阶段：20世纪70-80年代，苹果和IBM推出的个人计算机。
通用服务器时代：1978年起，由于英特尔推出的x86架构处理器。
服务器硬件架构与使用
服务器外观分类：
塔式服务器
刀片式服务器
机架式服务器
服务器使用场景：广泛用于各种行业，为文件、数据库、邮件等提供服务。主要部署架构有C/S和B/S。
服务器关键计算部件
- 部件架构：机箱、主板、内存、CPU、CPU散热片、电源、风扇、硬盘、导风罩等。
CPU简介
CPU定义：计算机的运算和控制核心。
CPU组成：
控制器
运算器
寄存器
CPU频率与性能：主频、外频、总线频率和倍频系数，这些参数决定了CPU的运算速度和与其他组件的交互速度。
从上述内容中，我们得知服务器是提供特定服务的强大计算机，其历史从大型主机到现代通用服务器。服务器有多种物理形态，并在各种行业和应用中起到核心作用。其核心部件是CPU，它负责处理和控制任务。
内存简介：
定义：
- 内存是计算机的主要部件之一，用于存储数据和程序。
- 主存储器（简称内存）是CPU能直接寻址的存储空间。
- 操作系统、软件等需加载到内存中运行。
- 内存是计算机的“办公桌”，用于暂时存放数据。
功能与构成：
- 内存是与CPU沟通的桥梁。
- 对计算机性能有巨大影响。
- 组成：内存芯片、电路板、金手指等。
配置原则：
- 服务器中使用的所有DIMM必须是相同型号。
- 每个CPU对应的内存槽至少应配置一条内存。
- 平衡配置可获得最佳性能。
计算：
- 内存条容量 = 内存颗粒容量 × 内存颗粒个数/8
- 内存带宽与频率、内存总线位数、CPU个数和通道数有关。
硬盘简介：
硬盘概述：
- 是计算机的主要存储设备。
- 接口决定连接速度，影响系统性能。
- SATA、NL-SAS硬盘较便宜，SAS硬盘较贵，SSD最昂贵。
业务类型：
- HDD与SSD的业务分类。
关键指标：
- 容量
- 转速（仅限机械硬盘）
- 平均访问时间
- 数据传输率
- IOPS (每秒的读写操作次数)
IOPS是计算机存储设备的性能测试标准，但制造商提供的IOPS并不总是反映实际应用性能。
RAID (独立硬盘冗余阵列) 简介
RAID 定义：
早期名为“廉价磁盘冗余阵列”，现称为“独立硬盘冗余阵列”。
利用虚拟化存储技术，将多个硬盘组合为一个或多个硬盘阵列组，以提高性能或数据冗余。
RAID 级别详解：
RAID 0：条带化，没有容错设计，数据分布在所有硬盘上。
RAID 1：镜像设计，数据写入两块硬盘以增加冗余。
RAID 5：数据和校验信息均匀分布在所有硬盘上，是最常用的RAID级别之一。
RAID 10：RAID1和RAID0的组合，提供了镜像和条带化的特性。
常见 RAID 级别及其应用场景：
RAID 0：适用于需要高读/写速度但不需要数据冗余的场景。
RAID 1：适用于需要数据冗余和高写入速度的场景。
RAID 5/6：提供一定的数据冗余，适用于金融和数据库存储。
RAID 10：适用于需要高读/写速度和数据冗余的场景，如银行和金融。
RAID 逻辑卷：基于RAID创建的指定容量的一个或多个逻辑卷，通常使用LUN来标识。
RAID 热备和重构：
热备：当RAID组的一个硬盘失效时，备用硬盘会自动替代失效硬盘，确保系统的连续运行。
RAID 实现方式：
硬件 RAID：通过专门的RAID适配器卡来实现。具有自己的处理器和存储器，减少对主机的依赖。
软件 RAID：完全由操作系统内的核心代码实现，具有成本优势但可能增加CPU的负荷。
RAID 卡：
一种硬件，用于管理和控制RAID系统。
旨在提高磁盘子系统的性能和可靠性。
PCIe 简介
- 总线简介:
- 总线是计算机各功能部件之间用于传送信息的公共通信路径。
- PCI Express (PCIe) 总线技术:
- 是一种高速总线标准，适用于主板、视频、存储等接口。
- 随着版本的发展，PCIe的传输速率也在逐渐提高。
网卡简介
- 网卡定义与功能:
- 网卡是计算机连接到网络的关键设备。
- 功能包括：代表网络地址、数据的发送与接收、数据封装与解封、链路管理、编码与译码等。
- 网卡分类:
- 按总线类型：PCIe, USB, ISA等。
- 按结构：集成网卡、PCIe标卡网卡、灵活插卡等。
- 按应用类型：工作站、服务器专用等。
- 按协议：以太网卡、FC网卡、IB网卡等。
- 网卡演进:
- 网卡技术随着时间的推移已经发生了很多变化。
- 华为智能融合网络芯片:
- 为云网络OVS加速和云存储大规模组网低时延场景设计。
- 特点包括以太与FC融合、内置多个可编程数据转发核心等。
- “IN”智能网卡:
- 是一个新的网络适配器技术，具有许多先进的功能。
- 智能网卡的可靠性设计:
- 设计重点在于确保数据的可靠性和完整性。
- 包括电信级RAS可靠性、内存ECC支持、T10 DIF校验等。
- 智能网卡热升级:
- 允许在不中断业务的情况下实时升级网卡固件。
- 为云业务快速发放的特性提供了极大的便利。
BIOS 简介
- 定义：BIOS (Basic Input/Output System) 是固化到计算机内的程序集，为计算机系统提供底层的硬件控制服务。
- 位置：位于服务器中的特定位置。
- 功能：
- 硬件的检测与初始化
- 启动操作系统
- 实现高级电源管理
UEFI 定义和特点
- 定义：UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）定义了操作系统与系统固件之间的软件界面，作为 BIOS 的现代替代。
- 特点：
- 支持更大的磁盘容量
- 更高的运行效率
- 64位系统中有优势
- 方便批量安装
- 加快开机和休眠恢复时间
- 更安全的启动
传统 BIOS 和 UEFI 运行流程
- 传统 BIOS：有其特定的运行流程
- UEFI：有其特定的运行流程
IPMI 简介
- 定义：IPMI（Intelligent Platform Management Interface）是一个开放标准的硬件管理接口规范。
- 特点：通过基板管理控制器 (BMC) 进行信息交流，并能够在不使用操作系统的情况下智能管理硬件。
BMC 简介
- 定义：BMC (Baseboard Management Controller) 是 IPMI 规范的核心部分，负责信号的采集、处理、储存，以及设备状态的监控。
- 功能：为机框管理板提供硬件状态和告警信息，从而实现对被管理对象的设备管理功能。
IBMC 简介
- 定义：华为服务器的智能管理系统（iBMC）是一个嵌入式的服务器管理系统，面向服务器的整个生命周期。
- 特点：
- 基于华为自研的管理芯片 Hi1710
- 全面实现服务器的精细化管理
- 提供丰富的用户接口，如命令行、基于 Web 的界面、IPMI 集成接口等，并具备高度的安全性。
2.2.4 异构计算
2.2.4.1 异构计算简介
- 异构计算使用不同的计算单元和指令集来实现计算需求。
- 介绍了 FPGA 和 ASIC 的基本定义和它们在电路领域中的作用。
2.2.4.2 异构系统架构
- 描述了流行的异构系统架构：CPU + GPU、CPU + FPGA 和 CPU + 专用芯片。
- 异构计算的优势在于整合不同计算单元的优势以最大化性能。
- 异构计算常应用于计算密集型场景，特别是人工智能。
2.2.4.3 主流加速硬件-GPU
- GPU 的优势包括高计算性能、成熟的生态系统、高浮点运算能力、高内存带宽和低节点互联时延。
- GPU 的不足在于其是通用计算架构，不是最适合深度学习的，并且功耗较高。
- CPU+GPU 的方案发展有 Scale-up 和 Scale-out 两个方向。
2.2.4.4 主流加速硬件-FPGA
- FPGA 作为半定制电路，支持硬件语言和 C/C++编程。
- 它适合处理不规则的并行计算，实时性好，能效比高。
2.2.4.5 主流加速硬件-ASIC
- ASIC 是专门为特定需求定制的芯片，具有高计算能力和效率。
- 适用于深度学习算法加速，有体积小、功耗低、计算性能高等优点，但是算法固定。
2.2.5 智能加速
2.2.5.1 SSD 行业趋势
- 涉及 SSD 的行业趋势以及不同类型硬盘的 IOPS 效率。
2.2.5.2 华为 SSD 控制芯片
- SSD 由主控芯片、闪存颗粒和缓存单元组成，其中主控芯片最关键。
- 华为发布的智能加速引擎部件为核心特点。
2.2.5.3 云化场景下虚拟交换面临的挑战
- 描述了随着业务上云，交换能力和网络架构需要满足更高的需求。
2.2.5.4 高性能网络加速
- 华为的智能网络芯片提供了多种网络加速特点，如多协议加速、算力加速、性能加速等。
综上，这一部分主要探讨了异构计算的概念、主流的加速硬件如 GPU、FPGA 和 ASIC 的特点和应用，以及智能加速在 SSD 和网络中的应用和挑战。
