基于國(guó)產(chǎn)CPU的服務(wù)器在電力行業(yè)中的研究與應(yīng)用

郭玉霞

（北京國(guó)電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司 北京 100192）

2013年，斯諾登曝光美國(guó)“棱鏡計(jì)劃”，美國(guó)政府可以隨意調(diào)取科技IT 界八大巨頭數(shù)據(jù)，監(jiān)控全球信息。貿(mào)易摩擦中，美國(guó)利用國(guó)內(nèi)法律法規(guī)對(duì)華為等中國(guó)高科技公司供應(yīng)鏈的隨意限制，顯示了科技霸權(quán)主義的威脅，以及國(guó)際科技跨國(guó)公司并不能擺脫本國(guó)政府的控制。我國(guó)在信息技術(shù)領(lǐng)域長(zhǎng)期處于模仿和引進(jìn)的地位，國(guó)際IT 巨頭占據(jù)了大量的市場(chǎng)份額，壟斷了國(guó)內(nèi)的信息基礎(chǔ)設(shè)施，制定了國(guó)內(nèi)IT 底層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并控制了整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)生態(tài)。面對(duì)日益增加的安全風(fēng)險(xiǎn)，我國(guó)必須盡快實(shí)現(xiàn)自主可控［1-2］。

2016年3月4日，24 家專(zhuān)業(yè)從事軟硬件關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用的國(guó)內(nèi)單位共同發(fā)起成立了“信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新工作委員會(huì)”，簡(jiǎn)稱“信創(chuàng)工委會(huì)”。工委會(huì)成立后，全國(guó)各地相繼又成立了大量的信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，催生了龐大的信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)，稱為“信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)”，簡(jiǎn)稱“信創(chuàng)”。“信創(chuàng)”的核心本質(zhì)是自主可控。信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系龐大，從產(chǎn)業(yè)鏈角度看，其構(gòu)成如圖1所示，主要由基礎(chǔ)硬件、基礎(chǔ)軟件、應(yīng)用軟件、信息安全4 個(gè)部分組成，其中，芯片、整機(jī)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、中間件是最重要的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)［3-4］。

圖1 信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)體系全景圖

1 國(guó)內(nèi)研究水平綜述

1.1 自主國(guó)產(chǎn)CPU產(chǎn)業(yè)發(fā)展

在高端CPU 市場(chǎng)中，Intel 的X86 架構(gòu)一直占據(jù)主導(dǎo)地位。Intel現(xiàn)階段占據(jù)了服務(wù)器市場(chǎng)90%以上的份額，其主要?dú)w功于PC 時(shí)代的Wintel 聯(lián)盟，Intel 的X86架構(gòu)在PC和服務(wù)器市場(chǎng)上有著很大的壟斷力。

2013年以來(lái)，在政策資金支持下，很多芯片設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，如紫光展銳、龍芯、飛騰、神威、赫塞等正變得越來(lái)越有競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，一些新型企業(yè)，如兆芯、君正、海光等科研機(jī)構(gòu)也進(jìn)步發(fā)展，包括計(jì)算技術(shù)研究所、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)防科大、江南計(jì)算機(jī)研究所、北京大學(xué)等，形成百家爭(zhēng)鳴的局面。

1.1.1 ARM架構(gòu)

（1）天津飛騰。天津飛騰購(gòu)買(mǎi)了ARMv8指令集的架構(gòu)授權(quán)。2014年10月，飛騰第一款兼容ARM指令集的CPU——FT-1500A 面世，成為國(guó)產(chǎn)CPU的代表之作。2019年9月發(fā)布的FT-2000/4處理器，4核4線程，16nm 工藝打造，最高主頻為3.0GHz，最大功耗僅為10W，主要面向臺(tái)式機(jī)或者筆記本。目前，F(xiàn)T-2000/64已和國(guó)產(chǎn)銀河麒麟操作系統(tǒng)（PC 版）完成了全部適配工作。

（2）華為。華為公司購(gòu)買(mǎi)的是一個(gè)架構(gòu)授權(quán)，使其能夠設(shè)計(jì)自己的ARM處理器，自己可以掌握核心技術(shù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并有能力獨(dú)立開(kāi)發(fā)ARM 處理器，很長(zhǎng)一段時(shí)間沒(méi)有外部限制。

2019年1月，華為向業(yè)界發(fā)布基于ARM V8 指令集研發(fā)的高性能服務(wù)器CPU 鯤鵬920。鯤鵬920 處理器兼容ARM架構(gòu)，采用7nm工藝制造，可以支持32/48/64 個(gè)內(nèi)核，主頻可達(dá)2.6GHz，支持8 通道DDR4、PCIe4.0和100G RoCE網(wǎng)絡(luò)。

1.1.2 MIPS架構(gòu)

龍芯是中國(guó)科學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的通用中央處理器，主要產(chǎn)品有龍芯1號(hào)、龍芯2號(hào)和龍芯3號(hào)。北斗衛(wèi)星搭載龍芯1 號(hào)處理器發(fā)射升空，也有十幾顆北斗衛(wèi)星以龍芯1E和龍芯1F號(hào)為主控芯片。龍芯2芯片2K1000處理器已應(yīng)用于電力、通信、石油、交通等領(lǐng)域，性能可與國(guó)外芯片媲美。龍芯3A 處理器采用的是RISC 架構(gòu)，兼容MIPS 指令，并具有本地四核設(shè)計(jì)，理論峰值為16Gflops，單瓦CPU的能效比為1.06Gflops/W，是目前X86 CPU的2倍多，已處于世界先進(jìn)水平。

1.1.3 Alpha架構(gòu)

Alpha 是DEC 公司制造的處理器架構(gòu)，最早用于自己的工作站和服務(wù)器當(dāng)中，支持UNIX、Linux 等系統(tǒng)。江南所的申威處理器使用的是Alpha 指令，主要用于超算處理器中，國(guó)內(nèi)最強(qiáng)的超算神威太湖之光就使用了申威的處理器。江南計(jì)算所（軍方研究機(jī)構(gòu)）買(mǎi)下了Alpha 架構(gòu)的所有設(shè)計(jì)資料，制造了完全自主可控的國(guó)產(chǎn)Alpha處理器。

1.1.4 X86架構(gòu)

（1）上海兆芯。上海的兆芯是一家X86 架構(gòu)的國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)公司。目前可授權(quán)X86 的企業(yè)有Intel、AMD、VIA。兆芯是從Intel拿到授權(quán)，并在此基礎(chǔ)上自己研制了ZX-C 處理器，28nm4 核處理器，其主頻可達(dá)2G，并且支持國(guó)密算法加密。2017年，兆芯宣布其新一代ZX—D 系列4 核、8 核處理器已經(jīng)流片成功。其KX-5000芯片的架構(gòu)做到了8核，與英特爾的Core i3-6100處理器性能相似。

（2）海光（Hygon）。天津海光屬于一家國(guó)產(chǎn)的擁有X86授權(quán)的芯片設(shè)計(jì)公司。2016年，AMD 宣布與中國(guó)天津海光投資公司達(dá)成協(xié)議，將X86 技術(shù)授權(quán)給海光公司。到2018年7月，我國(guó)國(guó)產(chǎn)Dhyana X86處理器開(kāi)始生產(chǎn)，在業(yè)界得到了一定的關(guān)注，這也標(biāo)志我國(guó)的國(guó)產(chǎn)處理器芯片技術(shù)不斷增強(qiáng)。現(xiàn)今，我國(guó)CPU 廠商如表1所示。

表1 國(guó)產(chǎn)C P U 主要廠商

1.2 基于國(guó)產(chǎn)CPU的服務(wù)器

1.2.1 基于鯤鵬CPU（ARM）的服務(wù)器

2019年1月，華為推出采用ARM 架構(gòu)的鯤鵬CPU驅(qū)動(dòng)的旗艦系列“泰山”（TaiShan）服務(wù)器系列，分別是邊緣服務(wù)器、均衡服務(wù)器、存儲(chǔ)服務(wù)器、高密度服務(wù)器及高性能服務(wù)器。

TaiShan 200 服務(wù)器基于鯤鵬920 處理器，包含2280E 邊緣型、1280 高密型、2280 均衡型、2480 高性能型、5280存儲(chǔ)型和X6000高密型等產(chǎn)品型號(hào)。TaiShan 100 服務(wù)器基于鯤鵬916 處理器，包含2280 均衡型和5280存儲(chǔ)型等產(chǎn)品型號(hào)。

1.2.2 基于飛騰CPU（ARM）的服務(wù)器

CEC中國(guó)長(zhǎng)城科技集團(tuán)股份有限公司推出了基于飛騰FT2000+/64CPU的擎天DF720 系列、擎天ZF720系列、擎天ZF520 系列等基于飛騰CPU的服務(wù)器。聯(lián)想、浪潮信息、同方、曙光等廠商也推出了基于飛騰CPU的服務(wù)器產(chǎn)品。

1.2.3 基于龍芯CPU（MIPS）的服務(wù)器

曙光信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司推出了曙光2U 雙路機(jī)架式服務(wù)器L620-G30、2U四路機(jī)架式服務(wù)器L820-G30 解決方案；浪潮電子信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司推出了浪潮英信服務(wù)器NF3200L；同方股份有限公司推出了同方超強(qiáng)TL621-V3 通用機(jī)架式服務(wù)器。這些服務(wù)器產(chǎn)品的CPU 都是基于龍芯新一代3A4000或3B4000處理器。

1.2.4 基于海光CPU（X86）的服務(wù)器

曙光信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司推出了曙光2U 雙路機(jī)架式服務(wù)器天闊H620 系列，配置2 顆Hygon 7151 CPU，X86架構(gòu)的CPU兼容性方面較好。

2 基于國(guó)產(chǎn)CPU的服務(wù)器在電力行業(yè)的應(yīng)用

2.1 磐石服務(wù)器

我國(guó)自主研發(fā)了磐石系列服務(wù)器，該系列服務(wù)器采用最新一代飛騰處理器，基于國(guó)產(chǎn)CPU 架構(gòu)機(jī)架式服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了基于國(guó)產(chǎn)處理器架構(gòu)的自主可控，可以廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)庫(kù)、云計(jì)算、分布式存儲(chǔ)、業(yè)務(wù)處理等多種場(chǎng)景，如圖2所示。其特點(diǎn)如下。

圖2 磐石服務(wù)器應(yīng)用場(chǎng)景

（1）高性能：采用飛騰處理器，具有多線程計(jì)算能力強(qiáng)、IO通道帶寬高等特性。

（2）高擴(kuò)展：支持8/12/24盤(pán)等多樣存儲(chǔ)配置，最大支持7個(gè)PCIe插槽的靈活I(lǐng)O擴(kuò)展能力。

（3）易管理：BMC 全面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)健康，可實(shí)現(xiàn)核心部件的監(jiān)測(cè)診斷；支持自動(dòng)部署、提升部署及運(yùn)維管理的效率。

（4）高可靠：通過(guò)降額設(shè)計(jì)和關(guān)鍵部件的冗余，以及磁盤(pán)RAID保護(hù)技術(shù)，有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性指標(biāo)。

（5）高效節(jié)能：采用高效電源模塊，提高能源利用效率；支持智能風(fēng)扇調(diào)速，節(jié)能降噪的同時(shí)，提高風(fēng)扇的使用壽命。

（6）自主安全：采用國(guó)產(chǎn)自主安全中文固件和國(guó)產(chǎn)中文操作系統(tǒng)，支持PKS立體防護(hù)體系。

2.2 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

能源電力行業(yè)作為關(guān)系國(guó)計(jì)民生的基礎(chǔ)行業(yè)，高度重視核心技術(shù)產(chǎn)品自主可控。基于國(guó)產(chǎn)CPU磐石服務(wù)器，通過(guò)集成國(guó)產(chǎn)自主可控的CPU技術(shù)，在保證安全可控的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)設(shè)備同時(shí)滿足功能、性能、可靠性及兼容性的要求。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司業(yè)務(wù)應(yīng)用的特點(diǎn)，結(jié)合“國(guó)網(wǎng)芯”硬件加密技術(shù)，國(guó)產(chǎn)CPU服務(wù)器與電力應(yīng)用的運(yùn)行安全能夠完美結(jié)合，研制的國(guó)產(chǎn)服務(wù)器通過(guò)了阿里云、華為云的兼容認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)了云平臺(tái)對(duì)國(guó)產(chǎn)服務(wù)器的納管能力，為國(guó)產(chǎn)服務(wù)器的大規(guī)模應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

3 結(jié)語(yǔ)

加強(qiáng)自主核心技術(shù)產(chǎn)品信創(chuàng)研發(fā)是實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)領(lǐng)先、支撐實(shí)現(xiàn)“國(guó)際領(lǐng)先”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要保障。服務(wù)器作為數(shù)據(jù)中心和上層應(yīng)用運(yùn)行和計(jì)算的基礎(chǔ)，處于至關(guān)重要的地位。如今，基于國(guó)產(chǎn)CPU的磐石系列服務(wù)器已在國(guó)家電網(wǎng)公司取得了試點(diǎn)應(yīng)用，完成了國(guó)家電網(wǎng)公司國(guó)網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)協(xié)同辦公系統(tǒng)模塊、職工書(shū)屋系統(tǒng)等試點(diǎn)應(yīng)用的兼容適配及遷移上線，是探索國(guó)產(chǎn)化替換的良好開(kāi)端。通過(guò)行業(yè)應(yīng)用，拉動(dòng)構(gòu)建國(guó)產(chǎn)化信息技術(shù)軟硬件底層架構(gòu)體系和全周期生態(tài)體系，從而改變核心關(guān)鍵技術(shù)受制于人的局面。