摘  要： 設(shè)計了一種基于先進電信計算架構(gòu)的龍芯服務(wù)器刀片并實際應(yīng)用于一嵌入式計算平臺。介紹了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)并重點論述了服務(wù)器刀片設(shè)計的系統(tǒng)方案、高可靠設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)。實際測試表明，設(shè)計的服務(wù)器刀片能滿足可靠性測試要求，在測試中表現(xiàn)出良好的性能，滿足主流嵌入式計算任務(wù)需求。
　　關(guān)鍵詞： 先進電信計算架構(gòu)；龍芯；刀片服務(wù)器；嵌入式
0 引言
　　隨著多核計算技術(shù)、向量計算技術(shù)、GPU計算技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，在單位空間可集成更高的計算能力。因而，傳統(tǒng)嵌入式計算架構(gòu)的嵌入式計算機系統(tǒng)結(jié)合高性能計算技術(shù)，能較大地提高系統(tǒng)性能并擴展應(yīng)用范圍。
　　先進電信計算架構(gòu)[1]（Advanced Telecom Computing Architecture，ATCA）是針對CPCI、VME等傳統(tǒng)嵌入式[2-3]計算架構(gòu)在擴展能力、可靠性以及兼容性等方面存在的問題，由PICMG組織制定的最新一代嵌入式計算架構(gòu)標準。
　　計算規(guī)模在萬億次的低端個人高性能計算機[4]（Personal High Performance Computer，PHPC）的主要目標是逐漸把萬億次高性能計算帶到“個人”和“桌面”，實現(xiàn)高性能計算的普及化。KD系列PHPC[5]在研制過程中逐步解決了PHPC小型化問題，實現(xiàn)了“三低一高”。最終實現(xiàn)的KD-90系統(tǒng)[6]是一款微波爐大小的、可移動的個人高性能計算機。
　　本文應(yīng)用KD系列PHPC的研究成果，結(jié)合ATCA嵌入式計算架構(gòu)，采用龍芯3號處理器[7-8]，設(shè)計了一款符合ATCA技術(shù)規(guī)范的嵌入式計算平臺。對系統(tǒng)核心部件龍芯服務(wù)器刀片設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)進行了重點闡述，并對刀片的性能進行了測試。測試結(jié)果表明，所設(shè)計的服務(wù)器刀片性能良好。
1 系統(tǒng)設(shè)計
　　1.1 嵌入式計算平臺簡介
　　本嵌入式計算平臺機械結(jié)構(gòu)遵循ATCA規(guī)范進行了定制設(shè)計，考慮電源供電在背板的均衡以及模塊散熱的需求，將3個“1+1+1”冗余的電源模塊單元設(shè)置在整個機箱的右側(cè)；機箱中部5U高度的空間主要設(shè)置8片龍芯服務(wù)器計算刀片（服務(wù)單元#1→#8）、2個交換和管理單元以及2個KVM單元。
　　系統(tǒng)的核心部分為8片龍芯服務(wù)器刀片，采用龍芯3號處理器進行設(shè)計。
　　1.2 龍芯ATCA服務(wù)器刀片設(shè)計方案
　　服務(wù)器刀片設(shè)計采用了基于雙路龍芯3A處理器CC-NUMA（非一致性存儲通道）架構(gòu)的服務(wù)器方案，搭配AMD的RS780E+SB710套片組。通過Intel82576設(shè)計輸出4路千兆網(wǎng)絡(luò)信號，通過背板采用Serdes信號傳輸模式實現(xiàn)與交換模塊的互聯(lián)；輸出的8路USB、2路VGA和4路千兆以太網(wǎng)信號通過ATCA Zone2連接器與背板連接，其設(shè)計框圖如圖1所示。

　　服務(wù)器刀片主要特點：
　?。?）系統(tǒng)采用800 MHz、16 bit的HT[7]（Hyper Transport Link）總線與I/O橋片互聯(lián)，系統(tǒng)總帶寬達25.6 Gb/s；
　　（2）系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)傳輸支持采用CRC數(shù)據(jù)校驗機制，具備傳輸失效后自動重試功能；
　?。?）獨立的IPMC監(jiān)控電路可以通過網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控設(shè)備工作狀態(tài)并進行控制；
　　（4）服務(wù)器刀片通過PCIe總線連接高性能以太網(wǎng)驅(qū)動器Intel82576網(wǎng)卡。
2 高可靠設(shè)計技術(shù)
　　2.1 系統(tǒng)級冗余技術(shù)
　　結(jié)合ATCA架構(gòu)支持的冗余技術(shù)，系統(tǒng)進一步采用了全面的冗余體系來支持服務(wù)器刀片的高可靠運行。如圖1所示，交換刀片、KVM刀片、電源模塊、風(fēng)扇、機箱管理等都采用了冗余設(shè)計，采用1+1冗余模式確保無單點故障。
　　同時，龍芯服務(wù)器刀片設(shè)計提供4路千兆以太網(wǎng)通道，分成兩組，分別連至兩個交換刀片，形成2+2的冗余模式，如圖2所示。

　　2.2 遠程管理監(jiān)控技術(shù)
　　系統(tǒng)采用遠程管理監(jiān)控技術(shù)對服務(wù)器刀片運行的所有狀態(tài)進行監(jiān)控，包括：故障預(yù)警/告警、機箱環(huán)境溫度監(jiān)控、刀片電壓/電流監(jiān)控、功能單元的存在性/健康性監(jiān)控等。
　　外部機箱管理為遠程管理軟件，遠程用戶可通過網(wǎng)絡(luò)向機箱管理單元發(fā)送命令請求，由機箱管理單元將命令翻譯并發(fā)送到相應(yīng)的節(jié)點單元的IPMC，實現(xiàn)對各節(jié)點單元管理和控制。
　　2.3 散熱計算與熱仿真技術(shù)
　　根據(jù)服務(wù)器單元的功耗以及空氣散熱技術(shù)實踐的最高上限推算，每個槽位服務(wù)器刀片的最大功耗應(yīng)該在100 W以內(nèi)，根據(jù)功耗與空氣流通速率對應(yīng)的關(guān)系，對應(yīng)的空氣流通速率為0.51 m/min。
　　根據(jù)計算所得相關(guān)參數(shù)，機箱和刀片的機械尺寸位置，在所有刀片滿載持續(xù)工作30 min情況下，對整機散熱進行了瞬態(tài)仿真分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，在環(huán)境溫度45 ℃，相對濕度75%情況下，整個機箱的散熱良好。

3 系統(tǒng)測試
　　3.1 健壯性測試
　　首先為拷機測試，測試期間系統(tǒng)運行Linpack測試以及Spec cpu2000等大型測試軟件至滿負荷，實測72小時內(nèi)運行無故障。其次為IO訪問壓力測試，測試整機在100 MB、500 MB以及1 GB文件拷貝、創(chuàng)建、壓縮、解壓、FTP傳輸時的健壯性，實際測試系統(tǒng)利用腳本完成相應(yīng)任務(wù)操作連續(xù)48小時正常無故障。最后測試系統(tǒng)在多用戶并發(fā)訪問特定應(yīng)用時的穩(wěn)定性，利用Loadrunner模擬進行100~1 000個用戶測試，48小時內(nèi)訪問正常。
　　3.2 性能測試
　　對單個龍芯服務(wù)器刀片的測試結(jié)果參見表1計算子系統(tǒng)基礎(chǔ)性能測試結(jié)果。測試處理器為龍芯3A，工作主頻為825 MHz，單處理器內(nèi)存為DDR3 8 GB，工作頻率為533 MHz。

　　3.3 功耗測試
　　在系統(tǒng)滿載情況下，對系統(tǒng)總功耗和單個服務(wù)器的刀片進行了功耗測試，結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)論
　　分析計算子系統(tǒng)的整型和浮點性能的測試數(shù)據(jù)，由于工作主頻的差異，龍芯3A處理器與主流的x86處理器性能相比差距較大，處理器單核性能只是相當于同主頻的PIII處理器，內(nèi)存的讀寫性能也相對偏低。
　　而對于計算型應(yīng)用，嵌入式計算平臺的優(yōu)勢在于在較小的空間范圍內(nèi)實現(xiàn)了一個由16個處理器，共計64個處理器核組建的SMP集群，通過高密度集成獲取較高的計算能力。當系統(tǒng)配置龍芯3B 處理器時，可獲得接近2 T的峰值計算能力。
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