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计算体系结构的演进规律

计算体系结构的演进规律_计算体系

1960-1980：由封闭网络和巨型应用主导的集中式计算架构

  • 1964 年，IBM 推出了著名的 System/360（简称 S/360）大型计算机系统。

  • 1965 年，戈登·摩尔提出了著名的 “摩尔定律”，即：在成本不变的前提下，半导体芯片（微处理器）上的晶体管密度（运算速度），平均每 18-24 个月会翻一番。摩尔定律在近 60 年来始终被证明有效。

  • 1969 年，阿帕网的第一个实用原型问世。将加利福尼亚州大学洛杉矶分校、加州大学圣巴巴拉分校、斯坦福大学、犹他州大学四所大学的 4 台大型计算机进行了互联。从此，网络架构深刻的影响着算力架构的演进。

1980-2000：由开放网络和小型客户端应用主导的分布式计算架构，进入 PC 互联网时代

  • 1978 年，Intel 发布了 16 位的 x86 微处理器 8086。

  • 1980 年，微软和英特尔组成商业联盟 Wintel，全球个人电脑产业形成了 “双寡头垄断” 的格局。

  • 1998 年 9 月 4 日，Google 公司成立，并于 1999 年下半年，谷歌搜索网站 “Google” 正式启用。

2000-2020：以云计算为中心，PC、Android、iOS 为客户端的 C/S 集中式计算架构，进入移动互联网时代

  • 2000 年 5 月，3G 标准确立（简称 IMT-2000）。

  • 2006 年，Google 首席执行官 Eric Schmidt（埃里克•施密特）在搜索引擎大会首次提出 “云计算” 的概念。

  • 2006 年，Amazon Web Services（AWS）开始以 Web 服务的形式向企业提供 IT 基础设施服务，包括弹性计算网云（EC2）、简单储存服务（S3）、简单数据库（SimpleDB）等，现在通常称为云计算。

  • 2007 年，苹果公司推出 iPhone；

  • 2008 年，谷歌公司推出了 Android 操作系统；

  • 2008 年，Martin 和他的导师 Nick McKeown 教授发表了题为《OpenFlow: Enabling Innovation in Campus Networks》的论文，标志着 SDN（Software Defined Networking/Networks，软件定义网络） 诞生。

  • 2009 年，阿里云写下第一行代码。

  • 2010 年，4G 成熟并商用。

2020-2040：未来将形成一个集中和分散统一协同的泛在计算能力框架，进入产业互联网时代

  • 2020 年：5G 及边缘计算元年。

过去，所有的应用都在围绕着消费互联网去实现，主要有 C/S、B/S 两种计算架构。而 5G 时代所提出的 “大带宽、低时延、海量连接” 的概念，都是围着 AR、VR、交互式视频、物联网、工业互联网、车联网，这些新的产业场景来打造的。这些应用场景对时延、提出了全新的要求。

为了满足产业需求而诞生的边缘计算，使计算出现在了通信管道的场景中，引发了 20 年来计算机体系结构的又一次重大变革 —— 计算调度架构由原来 “云-端”，变成了 “云-边-端”。

在这个过程中除了计算调度架构的变化，计算硬件、软件驱动平台甚至应用的开发模式也在悄悄的发生变化。如：传统 CAP 原则限制的分布式服务群集，随着业务发展开始向 BASE（Basically Available 基本可用、Soft state 软状态、Eventually consistent 最终一致性）模式过渡。

但这并不是非此即彼的情况，集中式云数据中心将继续存在，且整体容量仍可能继续扩大，但新的需求（如：物联网、工业互联网、车联网）以及 5G 时代超低时延业务的潜力正在将计算拉近最终用户。

总之，随着计算密度越来越高，分布越来越广泛，未来集中与分布式的界限将变得更模糊，更为泛在。因此未来也必将形成一个集中和分散的统一协同泛在计算能力框架。

可见，在过去的 60 年里，计算作为信息化处理的基础，其架构在集中式架构和分布式架构之间交替往复。促使这种轮回最重要因素有 3 点：

  • 载体芯片的算力
  • 网络的传输能力
  • 成本

随着载体芯片单机算力的不断提升以及软件定义智能化网络的成熟，产业应用也在不断寻求着 “计算效率” 与 “计算成本” 的平衡。

目前的芯片工艺制程持续由 5nm 向 3nm 演进，未来的智能终端、甚至家庭网关都能够成为参与计算并对外提供算力的节点，由此也将必然促进用户周边信息化空间内，不同距离、不同规模的算力相互凝聚和协同，呈现 “云-边-端” 三级计算架构。

泛在计算

计算体系结构的演进规律_计算体系_02

泛在计算并不是一个新的概念，早在 1980 年代泛在计算之父，Mark Weiser 博士就提出了泛在计算的概念：

泛在计算（又叫普适计算）即建立一个充满计算和通信能力的环境，同时使这个环境与人们逐渐的融合在一起。
—Dr Mark weiser 1988

他强调了计算和环境融为一体，而计算机甚至终端本身将从人们的视线里消失。在泛在计算环境中，人们能够在任何时间、任何地点、以任何方式进行信息的获取与处理，而这个过程是在计算设备的帮助下高度自动化完成的。

泛在计算是信息空间与物理空间的融合，在这个融合的空间中人们可以随时随地、透明地获得数字化的服务。
—清华大学教授 徐光祐

徐教授的概念强调服务的随时随地和透明获取。总结而言，泛在计算将成为人、环境和万物互联的数字化基础设施，助力数字化新生态系统的形成。

泛在计算其包含的主要特征如下：

  1. 计算和网络融合的基础设施环境：依赖广域连接和网络能力将计算能力拉通共享，形成算网融合的底层环境；
  2. 物理空间和信息化融合的数字化服务：更加强调广域的物理空间和的数字化建模和信息提供，构建类似数字孪生的新服务形态；
  3. 人和信息的随时可连接、获取、处理：这就需要形成一套类似云服务，但又更为灵活和广泛的服务模式，让任何一个节点可以随时接入计算。

泛在计算的应用场景既包括可穿戴设备和智能手机，也包括智能教室，可感知环境的家庭、办公等。同时也将孵化一种新的计算服务提供商业创新，引入区块链记账为基础的新型算力提供和交易形态，促进全社会算力的流动。当前，已有不少国内外高校、组织、公司针对泛在计算平台提出了构想与实践，主要应用领域有高性能分布式计算、科学研究、云渲染、云游戏、CDN、人工智能等方面。例如：诞生于 2003 年美国加州大学伯克利分校 BOINC（全名伯克利开放式网络计算平台）主要聚合、共享全球 C 端用户算力资源的开放算力平台，以众包分发匹配的方式为世界各地科研机构提供强大运算能力。

泛在计算的愿景是高效利用未来的云边端三级算力，以低时延确定性的 5G 基础网络为依托，实现云边管端四层协同，向全社会赋能算网一体化产品。