基于異構(gòu)模式的云計算關(guān)鍵技術(shù)研究

摘 要：隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，云計算成為了下一代互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向。云計算技術(shù)具有強(qiáng)大的功能，所以在很多商業(yè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。而CPU+GPU這種異構(gòu)模式要比傳統(tǒng)的模式更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保，所以也得到了廣泛的注意。本文對基于異構(gòu)模式的云計算關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，探討云計算的發(fā)展?fàn)顩r及未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：云計算；CPU+GPU異構(gòu)模式；關(guān)鍵技術(shù)；研究

中圖分類號：TP3

近些年人們提出了一個新的計算模式，也就是結(jié)合CPU和GPU的異構(gòu)模式，這也成為了近些年人們研究高性能計算機(jī)的焦點。GPU是圖形處理器，并行運算的能力強(qiáng)大，而且可以增加計算的核數(shù)。聯(lián)合CPU和GPU，可以提高計算機(jī)的計算能力，而且還能夠節(jié)約計算成本，這樣計算機(jī)就可以滿足人們高需求的計算要求。在實際應(yīng)用中，聯(lián)合CPU和GPU的混合模式系統(tǒng)，都展現(xiàn)出了很好的計算性能。

1 云計算的概念

云計算是一種共享計算的方法，它通過整合其它計算機(jī)數(shù)據(jù)和處理器資源，然后一起進(jìn)行計算工作。整合之后的系統(tǒng)為人們提供計算服務(wù)，計算任務(wù)分配到各臺計算機(jī)上面，并不是在遠(yuǎn)程服務(wù)器上面，這種計算模式和互聯(lián)網(wǎng)差不多。

很多數(shù)據(jù)及應(yīng)用軟件都可以以不同的形式進(jìn)行云儲存，所以在游覽器中安裝簡單的系統(tǒng)，就能夠利用網(wǎng)絡(luò)連入云中，通過云中的計算資源，來進(jìn)行不同需求的計算。云計算就是把各種資源進(jìn)行集中管理，然后處理虛擬后形成一個大的共享系統(tǒng)，基于供應(yīng)商和使用者的協(xié)議提供服務(wù)。

2 云計算關(guān)鍵技術(shù)

云計算能夠按照需要進(jìn)行分配，能夠把用戶的需求的資源進(jìn)行整合。

2.1 虛擬化技術(shù)。云計算技術(shù)的基礎(chǔ)是虛擬化技術(shù)，這種技術(shù)能夠把硬件和軟件分離開來。云技術(shù)能夠把人們的目光吸引到軟件提供的服務(wù)上。云計算是由服務(wù)商提供，用戶和服務(wù)商之間存在一定的協(xié)議，服務(wù)商進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理，用戶不需要知道數(shù)據(jù)的存儲地點。用戶的數(shù)據(jù)存儲子在云文件夾中，數(shù)據(jù)實現(xiàn)共享。其實就是把計算機(jī)虛擬化，用戶擁有對虛擬計算機(jī)的管理權(quán)，這樣能夠提升資源的利用效率。

云計算技術(shù)的發(fā)展推動了各個行業(yè)的發(fā)展，企業(yè)發(fā)現(xiàn)構(gòu)建云基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵是虛擬化。用虛擬化技術(shù)構(gòu)建結(jié)構(gòu)部需要放棄現(xiàn)有的信息架構(gòu)。云計算使得信息技術(shù)開始向業(yè)務(wù)中心模式發(fā)展，這也使得用戶的實際需求開始反作用于服務(wù)。采取這種模式，成本低廉，服務(wù)質(zhì)量高，信息實現(xiàn)了高度共享。這也使得企業(yè)的生產(chǎn)效率提高，所需的花費大幅度降低。

2.2 資源管理技術(shù)。云計算設(shè)計的資源類別很多，比如計算、存儲等資源。因此資源較為復(fù)雜，這就出現(xiàn)了管理的問題。云計算的資源大部分是虛擬化資源，對于虛擬資源的管理影響了資源的使用。云系統(tǒng)不斷接受用戶的請求，然后把請求分配給對應(yīng)的資源所有者，合理調(diào)度要求的資源，使得需要得到解決。用戶的需求也會發(fā)生改變，這些需求無法提前預(yù)測，所以這種情況下要求系統(tǒng)能夠及時、靈活地調(diào)動資源。云計算的資源要比網(wǎng)絡(luò)資源更加復(fù)雜繁多，數(shù)據(jù)更加分散，所以資源的調(diào)動更加頻繁。

管理系統(tǒng)一般有四種任務(wù)，資源搜索、資源派發(fā)、資源存儲和資源調(diào)度。關(guān)鍵是資源的調(diào)動，系統(tǒng)對請求進(jìn)行分配，然后通過很多的結(jié)點一同工作。云計算的資源管理較為復(fù)雜，涉及到了很多的方面，比如說云存儲計費、資源調(diào)度等。云計算之前需要安排好一系列的問題。這主要是因為云計算的資源分布較為廣泛，而且形式不一樣，自然對資源管理的方法也不一樣。

2.3 自動分配。云計算就是通過自動安裝，來實現(xiàn)它的應(yīng)用，把資源的儲存狀態(tài)轉(zhuǎn)換為可用狀態(tài)。云計算過程中，系統(tǒng)通過為用戶提供各種服務(wù)來完成應(yīng)用的安裝。系統(tǒng)采取多個步驟進(jìn)行資源的分配，調(diào)用不同的資源管理工具進(jìn)行自動分配。這樣就不需要進(jìn)行人機(jī)交互，這使得分配過程不再依靠人工操作。

2.4 分布編程技術(shù)。云計算實際上集中處理大量用戶需求的技術(shù)，為了用戶能夠享受到輕松的服務(wù)，這要求云計算編程十分簡單，而且能夠通過一些簡單的編程程序來完成。系統(tǒng)還需要向用戶和編程人員展現(xiàn)復(fù)雜的并行執(zhí)行和調(diào)度過程。

2.5 大量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)。云計算系統(tǒng)是由很多的服務(wù)器共同組成，目的是為了大量用戶進(jìn)行服務(wù)。系統(tǒng)采用的分布存儲方式，這樣就能夠保證數(shù)據(jù)的可靠性。目前云計算廣泛使用的是GFS和HDFS。GFS是Google File System的縮寫，這是一個可以擴(kuò)散的文件系統(tǒng)。它被廣泛應(yīng)用于有大量數(shù)據(jù)需求的應(yīng)用。GFS和傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)不一樣，它面向的是大型數(shù)據(jù)處理的對象。它可以應(yīng)用在普通硬件上，而且提供的服務(wù)質(zhì)量優(yōu)質(zhì)。一般GFS系統(tǒng)以群的形式出現(xiàn)，主要是由主服務(wù)器和塊服務(wù)器組成。主服務(wù)器主要進(jìn)行元數(shù)據(jù)的存儲，定期和版塊服務(wù)器進(jìn)行交流，給塊服務(wù)器下指令并整合它們的狀態(tài)。GFS對文件進(jìn)行冗余存儲，每一個數(shù)據(jù)都進(jìn)行了備份。客戶主要和主服務(wù)器進(jìn)行交流，數(shù)據(jù)直接和塊服務(wù)器交互，這使得系統(tǒng)的效率大大提升，減輕了服務(wù)器的壓力。

3 CPU+GPU異構(gòu)模式

3.1 CPU和GPU的比較。在計算機(jī)領(lǐng)域出現(xiàn)異構(gòu)模式，主要是因為不斷增加的計算需求。CPU和GPU在構(gòu)造上就存在不一樣，CPU主要通過多流水線的分支預(yù)測和緩存技術(shù)，最大化地發(fā)揮CPU的性能。但是CPU的指令并行效率低，而且耗費了大量的芯片。而GPU設(shè)計的理念是提供并行服務(wù)，而且GPU芯片的大部分面積能夠用到執(zhí)行單元上。正是因為此，可以結(jié)合CPU的邏輯控制和GPU的并行運算，這大大提高了計算機(jī)的計算能力和效率。

結(jié)合CUP和GPU之后就存在一個效率問題，要提升兩者的并行效率，就需要考慮這兩者之間的同步。GPU具有很高的帶寬，但是因為讀取過程中存在延遲，所以并行效率的提高還需要考慮GPU存儲的使用情況。

3.2 CPU+GPU異構(gòu)模式的優(yōu)勢及程序開發(fā)。基于CPU+GPU異構(gòu)模式的計算機(jī)系統(tǒng)能具有明顯的優(yōu)勢，首先GPU可以滿足特殊應(yīng)用的需求，比如說浮點運算。目前CPU的浮點運算能力已經(jīng)無法到達(dá)人們的需求，還有就是GPU開始向圖形處理之外的領(lǐng)域發(fā)展。GPU向通用領(lǐng)域發(fā)展的障礙已經(jīng)被解決。

目前能夠用于CPU+GPU異構(gòu)模式程序開發(fā)的方法主要有四種：圖形應(yīng)用開發(fā)方法、低層次GPU編程方法、高層次模板庫、高層次的編譯器。CPU+GPU異構(gòu)模式下的程序開發(fā)除了需要上述技術(shù)，還需要一些輔助技術(shù)。在對CPU+GPU異構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行管理的時候，可以使用MPI技術(shù)。在實際應(yīng)用中，一般把OpenMP和MPI結(jié)合使用。

4 異構(gòu)模式云計算的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，云計算技術(shù)被廣泛用于企業(yè)的內(nèi)網(wǎng)、通信終端、科研網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。云計算在我國的應(yīng)用還很少，但是隨著云計算異構(gòu)模式的問題在不斷得到解決，云計算的概念被廣泛推廣，這將成為很多行業(yè)的主要應(yīng)用模式，這為很多行業(yè)的信息建設(shè)和管理打下了基礎(chǔ)。未來云計算主要應(yīng)用領(lǐng)域為：醫(yī)藥、制造、金融、電子政務(wù)、教育、電信領(lǐng)域。

5 結(jié)束語

目前，我國云計算技術(shù)還在發(fā)展階段，普及程度還很低。它改變了計算機(jī)資源的管理方式，國家正在推行三網(wǎng)融合的重大戰(zhàn)略，這將推動云計算的廣泛應(yīng)用。未來的云計算將發(fā)揮群計算的優(yōu)點，為客戶提供更加高效快捷的服務(wù)。目前，GPU的構(gòu)架的開發(fā)也朝著有利程序開發(fā)的方向發(fā)展，人們也在不斷研究GPU編程方法，基于CPU和GPU異構(gòu)模式的計算系統(tǒng)將展現(xiàn)出更加大的計算能力和效率。

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作者簡介：宋國平（1968.4-）男，吉林人，碩士，副教授，研究方向：計算機(jī)信息安全，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

作者單位：吉林廣播電視大學(xué)，長春 130022