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高效能微服务器的设计与实现

高效能微服务器的设计与实现

作者：张华复旦大学

学位级别：硕士

当前数据中心已经成为用电量增长最快的行业,庞大的数据中心数量和规模已经让电力工业不堪重负,尤其在当前节能减排、减少二氧化碳排放的全球协议倡导下,数据中心的节能与降耗已经迫在眉睫,我们需要建设绿色数据中心。然而作为数据中心... 详细信息

当前数据中心已经成为用电量增长最快的行业,庞大的数据中心数量和规模已经让电力工业不堪重负,尤其在当前节能减排、减少二氧化碳排放的全球协议倡导下,数据中心的节能与降耗已经迫在眉睫,我们需要建设绿色数据中心。然而作为数据中心耗电主体的服务器,其实际应用性能远远低于峰值性能,CPU大部分时间处于空转状态,能效十分低下。目前,由于带宽与处理器的运算能力不匹配导致处理器在大部分时间等待数据而处于“饥饿”状态,使得性能大打折扣,某些应用任务的计算效率甚至低于5%。Web服务是数据中心目前应用最广泛的服务,目前采用通用服务器作为Web服务器存在如下问题：1)通过通用服务器的简单堆叠虽然可以提高Web服务的能力,却因CPU利用率很低造成通用服务器简单堆叠能效低下;2)Web服务的负载在时间上存在很大的分布不均衡性,服务器的静态配置与应用需求动态变化之间存在很大矛盾;3)缺乏有效的功耗控制策略,使得能耗并没有随着业务负荷的降低而同比例的降低;4)通过虚拟化来提高Web服务器效能的方法治标不治本,因为虚拟化本身就会带来效率的损失,车建华在博士论文《虚拟计算系统性能与可用性评测方法研究》的研究中,从应用的角度对虚拟机性能进行了测试,虚拟化使得Web服务器的性能损失了20%开销。针对上述问题,本文针对Web服务提出了一种新型的高效能微服务器架构,通过采用微服务器CPU作为处理核心(它通过对传统CPU的主频、微结构、工艺进行改进和创新,更加适用于需要更低功耗、更高密度、更高的IO操作、更高效率的工作负载),省去了中间虚拟层,让应用负载和硬件资源的匹配度更高。同时,在一个机箱内集成计算资源(多个微服务器模块)、存储资源和网络资源,通过共享电源、风扇、网络等资源,从而使该服务器在密度、功耗、成本等方面具有明显优势。本文的主要工作包括以下几点：1)阐述了高效能微服务器研究的背景、内容和意义,介绍了国外在高效能微服务器创新方面的成果,提出本文所要研究的内容;2)分析微服务器典型应用Web服务的特点,以及采用传统通用服务器效能低下的原因;3)基于应用对硬件的需求分析,提出高效能微服务器的设计目标,并重点介绍了高效能微服务器整体架构和微服务器功能模块的设计与实现;4)介绍微服务器模块的功能和稳定性测试以及整机系统Web服务应用测试方法和测试结果;5)通过对比并分析高效能微服务器与通用服务器的测试结果,总结下一步改进的方向;高效能微服务器主要适合于轻量计算、高IO操作、高并发、高通量、横向扩展的应用场景,除了特别适用于Web服务以外,对于CDN服务、缓存服务、网络内容处理、IDC物理机租赁、分布式计算等应用场景也有明显优势,通过对微服务器模块功能和稳定性的测试表明,高效能微服务器功能稳定可靠;通过对Web服务的对比测试报告表明,高效能微服务器的效能远高于传统通用服务器,达到了绿色节能的效果。

关键词：微服务器高效能低功耗横向扩展 Web服务

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基于微服务器集群构架的绿色云计算平台构建

饮食科学 2019年第8期 144-144页

作者：田杨蔡建军天津卡达克数据有限公司

随着计算机和网络技术的发展与普及,数据中心作为计算机和网络集中安装运行的单位,已经成为一个独立的行业并具有完整的业务模式。由于数据中心是将成千上万的计算机集中在密封的环境中运行,IT设备以及降温空调的耗电成本占数据中心运... 详细信息

随着计算机和网络技术的发展与普及,数据中心作为计算机和网络集中安装运行的单位,已经成为一个独立的行业并具有完整的业务模式。由于数据中心是将成千上万的计算机集中在密封的环境中运行,IT设备以及降温空调的耗电成本占数据中心运营成本的50%以上。巨大的耗电量也限制了数据中心的建设规模。因此绿色节能机房成为了当前数据中心的必然选择。

关键词：微服务器集群构架绿色云计算平台

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层叠式多CPU-FPGA微服务器体系架构的研究与实现

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层叠式多CPU-FPGA微服务器体系架构的研究与实现

作者：杨慧德东南大学

学位级别：硕士

随着高性能计算和云计算的发展,计算机系统的性能不断提升,越来越高的功耗逐渐成为系统性能提升的瓶颈。当前,嵌入式微处理器(如ARM)的性能有了很大的改善,而且具有低功耗的特点。与此同时,集成电路和可编程技术的发展,使得FPGA(Field-P... 详细信息

随着高性能计算和云计算的发展,计算机系统的性能不断提升,越来越高的功耗逐渐成为系统性能提升的瓶颈。当前,嵌入式微处理器(如ARM)的性能有了很大的改善,而且具有低功耗的特点。与此同时,集成电路和可编程技术的发展,使得FPGA(Field-Programmable Gate Array)的应用更加广泛,利用硬件并行计算,能实现特定算法的加速。FPGA与嵌入式CPU的结合,能够弥补CPU相对不足的计算能力。因此,采用多个低功耗的CPU-FPGA模块来构建微服务器,是一种实现高密度节能型高性能计算平台的新途径。本文研究实现了一个物理上层叠排列的,由多个CPU-FPGA模块构成的微服务器原型系统的体系架构。该微服务器体系架构在本文中包括三个方面:微服务器总体架构、微服务器互联方式和微服务器存储结构。在总体架构方面,本文在需求分析的基础上,研究设计了层叠式多CPU-FPGA微服务器的总体架构,即该微服务器由多个通过内部自定义总线互连的模块组成,模块分为Master和Slave;每个模块具有CPU-FPGA异构计算结构;多个模块形成分布式共享存储系统;系统的对外通信接口为Master的以太网口。在互联方式方面,本文从板内互联、板间互联和系统对外连接三个方面阐述了微服务器内外的互联结构。板内互联综合采用了 AXIP和AXIP接口;板间互联选择了简易高效的自定义总线SEU-mBUS互联;系统对外连接采用Master上的单数据通路方式。在存储结构方面,本文首先确定了系统要实现的是分布式共享存储结构,然后在对存储一致性模型分析的基础上,从减少一致性维护通信量的角度,确定了系统使用基于锁的域一致性模型,最后在操作系统层次上,主要从存储器组织和一致性协议两个方面设计了微服务器的SVM(Shared Virtual Memory)结构。最后本文实现了该微服务器架构原型系统,并且在该原型上实现了卫星云图检索系统的应用实例,依据该应用对原型系统的计算速度进行性能测试,最后分析出该微服务器相对于塔式服务器具有较大的性能提升。

关键词： CPU-FPGA 微服务器体系架构高性能计算低功耗

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蚁群:一种新型的高效多用计算平台

计算机研究与发展 2015年第6期52卷 1341-1350页

作者：谢向辉钱磊吴东原昊李祥数学工程与先进计算国家重点实验室江苏无锡214125

在科学计算和大数据处理应用需求的推动下,高性能计算机的性能不断提升、系统规模日益扩大,系统功耗越来越成为制约能力提升的重要瓶颈.在深入分析现有4类高性能计算机的基础上探讨了2项关键技术:1)可重构微服务器(reconfigurable micro... 详细信息

在科学计算和大数据处理应用需求的推动下,高性能计算机的性能不断提升、系统规模日益扩大,系统功耗越来越成为制约能力提升的重要瓶颈.在深入分析现有4类高性能计算机的基础上探讨了2项关键技术:1)可重构微服务器(reconfigurable micro server,RMS)技术.解决单个计算节点在领域应用加速能力、系统功耗和体积间的平衡兼顾问题.2)自治与分治相结合的集群构造技术.解决基于微小型化计算节点的大规模计算平台构造与扩展性问题.在此基础上,提出了一种新型的高效多用计算平台架构——"蚁群",构建了包含2 048个低功耗、微小型化RMS计算节点的蚁群平台原型系统,并实现了大规模指纹实时比对和多RMS节点协同排序2个典型应用.测试表明,单个RMS节点的指纹比对性能是Xeon单核的34倍,功耗仅5W,整个原型系统可实现千万量级指纹库的数百并发实时查询;蚁群平台的数据排序性能功耗比是GPU平台的10倍以上,有效提升数据排序的效率.

关键词：高性能计算集群可重构计算微服务器计算平台

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面向卫星气象信息处理的异构多核硬件加速技术的研究

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面向卫星气象信息处理的异构多核硬件加速技术的研究

作者：江仲鸣东南大学

学位级别：硕士

卫星气象资料的接收和处理不仅是卫星气象广播系统的核心环节之一,还是气象海洋环境保障工作中的一项十分重要的工程,起着基础性和支撑性作用。现役卫星气象广播系统需要依靠体积大、功耗高的桌面级平台来实现气象资料的处理,制约了卫... 详细信息

卫星气象资料的接收和处理不仅是卫星气象广播系统的核心环节之一,还是气象海洋环境保障工作中的一项十分重要的工程,起着基础性和支撑性作用。现役卫星气象广播系统需要依靠体积大、功耗高的桌面级平台来实现气象资料的处理,制约了卫星气象广播系统的进一步发展。近年来,异构多核技术在应用加速和能效提升方面取得长足进展。一方面,本文对面向特定应用的异构多核So C进行了建模分析,并基于模型研究了卫星气象信息处理的硬件加速技术;另一方面,本文基于模型推演设计并实现了面向卫星气象信息处理的异构多核硬件加速原型系统,以此来提高气象数据接收和处理的实时性和能效。本文的主要工作包括:（1）对面向卫星气象信息处理的异构多核硬件加速原型系统进行了分析,提出了原型系统的功能指标和性能指标,并完成了原型系统的整体架构设计,以及对组成原型系统的气象资料快速运算单元、气象资料存储系统和气象资料微服务器进行了总体设计;（2）设计了异构多核So C的四元组模型,并基于该模型研究和设计了卫星气象信息处理算法在异构多核硬件平台上的软硬件计算任务划分方案。进一步地,本文研究了模型在卫星气象信息处理算法硬件化上的应用,并据此设计了气象资料快速运算单元;（3）设计了基于小文件合并和数据库的气象资料存储系统以及基于轻量级开源服务器框架的嵌入式气象资料微服务器;（4）在Xilinx ZCU106硬件平台上实现了原型系统,并对原型系统进行了测试和验证。实验结果表明,本文设计的原型系统能够达到所提出的功能指标和性能指标要求。

关键词：异构多核硬件加速 FPGA 卫星气象信息处理微服务器

新能源汽车动力电池全生命周期监测预警的研究与实现

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新能源汽车动力电池全生命周期监测预警的研究与实现

作者：甘肃安徽大学

学位级别：硕士

随着中国对新能源汽车的重视不断提高,动力电池的安全性能直接影响着消费者对新能源汽车的接受程度。然而,动力电池在使用过程中面临高温、潮湿等多种不利因素,易发生自燃甚至爆炸等安全事故。目前,动力电池的安全管理主要通过使用传统... 详细信息

随着中国对新能源汽车的重视不断提高,动力电池的安全性能直接影响着消费者对新能源汽车的接受程度。然而,动力电池在使用过程中面临高温、潮湿等多种不利因素,易发生自燃甚至爆炸等安全事故。目前,动力电池的安全管理主要通过使用传统模型预测电池后续数据和使用动力电池管理系统实时监测电池参数。然而,传统模型预测精度低、数据处理时间长且现有电池管理系统缺乏数据预测功能,这些问题不仅影响动力电池的使用安全,还会造成不良的社会影响。本文针对以上问题做的主要工作如下:(1)针对传统深度学习模型在处理动力电池长时间序列数据时的预测精度低、处理时间长的问题,提出了一种引入采样策略的Transformer预测模型,使用逆Sigmoid衰减采样策略动态选择预测模型训练过程中使用的源数据,降低了原始模型在训练和推理过程中的误差。经过实验对比,引入采样策略的Transformer预测模型在动力电池各种参数数据集上获得了比传统模型更高的精确度和更低的算法复杂度,与原生Transformer模型相比,均方损失函数降低了8.15%。(2)针对原生Transformer模型在处理长时间序列时预测精度下降以及时间复杂度较高的问题,改进了Transformer模型框架。首先,提出了自注意力机制的优化算法,筛选出序列中影响权重最大的元素计算自注意力,保证模型预测精度的同时提高了模型的预测速度。其次,选择步长为2的最大池化层,在模型编码器模块的每一轮多头自注意力计算之后,对序列进行减半的下采样,降低了数据特征计算的时间复杂度。最后,将原有模型解码器的依次输出形式改为一次性输出多个预测值。通过与原生Transformer模型的对比实验,验证了改进框架后的Transformer预测模型不仅提高了长序列预测任务的精度,还降低了模型的计算成本。(3)针对新能源汽车动力电池管理系统缺乏数据预测功能的不足,设计并开发了一套具备数据预测功能的新能源汽车动力电池全生命周期监测预警微服务器。该服务器可以对动力电池数据进行实时监测,并使用结合了采样策略和改进框架的Transformer模型对数据进行预测,使用户更准确地了解电池状态和预警信息。同时对各项服务进行解耦,设计实现了微服务器的三层架构,提高了服务器的扩展性和维护性,最后将该微服务器成功接入到动力电池管理系统中,有效地弥补了现有动力电池管理系统在数据预测方面的缺陷。综上所述,本文设计并实现了具有预测功能的新能源汽车动力电池全生命周期监测预警微服务器,使用结合逆Sigmoid衰减采样策略和改进框架的Transformer模型分析动力电池实时监测数据并进行后续数据的预测,弥补了动力电池安全管理平台在数据预测方面的不足。该研究对于维护动力电池的安全状态、提高新能源汽车的使用安全性具有重要意义。

关键词：新能源汽车动力电池数据预测 Transformer模型微服务器

智能仓储场景中温度传感器故障隐患检测及温度预测的研究与实现

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智能仓储场景中温度传感器故障隐患检测及温度预测的研究与实现

作者：谢国豪安徽大学

学位级别：硕士

粮食是人类赖以生存的物质,是国家的重要战略物资,农业的发展要放在一切经济发展的首要位置。当前国际上各个国家粮食危机频发,我国粮食能在自给自足的情况下保有一定的粮食库存,粮食安全对人民幸福、国家昌盛有着重要影响,直接关乎社... 详细信息

粮食是人类赖以生存的物质,是国家的重要战略物资,农业的发展要放在一切经济发展的首要位置。当前国际上各个国家粮食危机频发,我国粮食能在自给自足的情况下保有一定的粮食库存,粮食安全对人民幸福、国家昌盛有着重要影响,直接关乎社会稳定。近年来,我国粮食产量逐年增加,国家对粮食的储存提出了更高的要求,并提出“藏粮于地,藏粮于技”战略。在智能仓储管理系统中,仍然存在测控设备管理不善、监测系统功能不全等问题。为了解决这些问题,对粮情信息展开研究并建立相关模型,将智能仓储管理系统中的传感器故障隐患检测方法进行优化、实现故障传感器处粮堆温度趋势预测的研究与实现。本文主要研究工作如下:(1)针对智能仓储管理系统中温度传感器存在故障隐患的问题,对温度传感器及储粮应用场景的特点进行分析,将目标传感器与相邻传感器的历史数据作为故障检测的依据,提出了采用极端梯度提升算法(Extreme Gradient Boosting Decision Tree,XGBoost)建立了传感器故障隐患检测的模型,将储粮管理系统中的传感器故障隐患检测和机器学习相关知识有机地融合在一起,最终对传感器故障隐患的检测方法进行了优化。实验结果表明通过XGBoost算法建立传感器故障隐患检测方法具有较强的优势,对诊断存在故障隐患的传感器准确率可高达95.4%。该方法让工作人员能够通过管理系统判断传感器的工作状态,有利于消除储粮安全隐患,减少因传感器故障带来的粮食损失。(2)针对粮仓温度传感器发生故障导致无法检测的问题,对储粮应用场景的特点进行分析,将目标传感器的历史数据作为预测依据,提出了决策树回归算法和支持向量回归(Support Vector Regression,SVR)算法,建立了故障传感器处粮堆温度趋势预测模型,将故障传感器处粮堆温度趋势预测和机器学习中对时间序列的预测方法进行结合,实现了故障传感器处粮堆温度趋势的预测。实验结果表明通过SVR算法建立的故障传感器处粮堆温度趋势预测方法效果更佳,其拟合精度和温度预测趋势更加符合实际情况。(3)针对温度传感器发生故障时无法对粮堆温度进行监控的问题,设计并实现了具有故障传感器处粮堆温度预测功能的微服务器。该服务器结合了支持向量回归预测模型,采用Golang编程语言,以Json为格式的消息和客户端进行交互,设计了网络层、业务层和数据层等模块的功能,成功部署并运行了故障传感器处粮堆温度预测微服务器。该服务器能够满足当前智能仓储管理系统的需求,弥补了传感器发生故障时无法监控粮情信息的不足,并且设计的微服务器与粮情监控系统是相对独立的,提高了系统的重用度和可扩展性。综上,本文针对智能仓储管理系统中温度传感器存在故障隐患导致的粮堆温度信息无法获取等问题,借助粮仓传感器和检测的历史数据之间的时空相关性,开展一系列研究,提出传感器故障隐患检测的改进方案,提高了具有故障隐患的传感器诊断精度;同时提出故障传感器处粮堆温度趋势预测方法,设计并实现了故障传感器处粮堆温度预测功能的微服务器,弥补了智能仓储系统的不足,有着较高的可扩展性可接入其他分布式粮情测控服务中,并具有潜在的使用价值和应用前景。

关键词：智能仓储故障检测极端梯度提升算法温度预测微服务器

基于长短期记忆网络的粮仓储粮虫害预测模型研究

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基于长短期记忆网络的粮仓储粮虫害预测模型研究

作者：许景安徽大学

学位级别：硕士

粮食安全是我国平稳发展的重要基石。根据国家粮食与物资储备局的统计,中国在粮食的储存过程中每年损失2000万吨左右,而因储粮害虫而损失的粮食占其一半。近年来,国家强调要用科学的手段来实现粮食仓储安全的高效化与智能化。因此,如何... 详细信息

粮食安全是我国平稳发展的重要基石。根据国家粮食与物资储备局的统计,中国在粮食的储存过程中每年损失2000万吨左右,而因储粮害虫而损失的粮食占其一半。近年来,国家强调要用科学的手段来实现粮食仓储安全的高效化与智能化。因此,如何保障我国的粮食仓储的安全,减少储粮因虫害而损失更是迫在眉睫。目前,在粮仓储粮中我国对虫害的防治手段主要是虫害的实时监测,利用害虫活动声音的声检测技术、人工取样的取样检测技术,以及利用图像处理等技术识别仓储害虫的图像。与此同时科学技术的发展带来大数据和云计算,深度学习得已运用在生活中的各个领域。鉴于我国仓储中对于虫害的管理的手段主要是实时监测,本文利用深度学习预测粮食虫害的发生,研究工作主要如下:(1)因长短期记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)在长时间序列数据中不会出现梯度消失与梯度爆炸,针对粮仓储粮的虫害问题,利用LSTM算法学习粮仓储粮虫害发生时粮食温度、湿度数据与虫害数据间的时序特征,提出了基于LSTM的粮食虫害预测模型。同时为解决模型训练时出现的过拟合问题,在搭建三层LSTM网络模型时增加了Dropout层。实验结果表明,基于LSTM的储粮虫害预测模型预测性能具有一定优势,能减少因虫害而造成的粮食损耗,从而保障粮食在存储环节中的粮食安全。(2)将粮库每层的虫害样本占每层总样本数据的比例计算后,分析数据后发现粮食虫害发生的次数与层数存在一定关系,粮食虫害的发生与粮食的空间分布相关。针对此现象,采用卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)对虫害数据的空间特征进行提取。将提取后的空间信息与虫害数据融合后输入LSTM网络模型进行训练、优化。实验结果表明,CNN-LSTM预测模型的预测性能明显提高。(3)针对我国绝大多数粮情测控平台对虫害的管理方法单一的问题,为将理论与实际运用相结合,采用Java语言编写了具有虫害预测功能的微服务器。为实现服务间的解耦合,划分了网络层、业务层和数据层,其中业务层中虫害预测功能是基于Keras训练后的模型实现。同时该服务器具有较强的独立性,可快速接入现粮情测控平台的服务端中,弥补了现粮情测控平台关于储粮虫害发生管理上的不足。综上所述,本文针对粮情测控平台中不能预测虫害发生的问题,借助粮食虫害与粮仓历史温度、湿度、虫害数据之间的时空相关性开展研究,建立了粮仓虫害预测模型,设计并实现了具有粮仓虫害预测模型的微服务,弥补了粮情测控服务中关于虫害预测方面的不足,对于提升储粮管理水平和保障粮食安全存储具有重要的意义,并具有一定运用价值。

关键词：储粮虫害 LSTM网络微服务器预测模块

基于BIM技术的乡村建筑信息化智慧服务平台设计

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微型电脑应用 2023年第6期39卷 29-33页

作者：麻文娜葛哲敏裴莹西安欧亚学院人居环境学院陕西西安710065 西安塔力科技有限公司陕西西安710065

考虑到传统平台在乡村建筑信息化智慧服务中无法满足功能和性能上的设计要求,提出基于BIM技术的乡村建筑信息化智慧服务平台设计与实现。利用BIM技术设计乡村建筑信息化智慧服务平台整体架构,结合乡村建筑信息化智慧服务微处理器,完成... 详细信息

考虑到传统平台在乡村建筑信息化智慧服务中无法满足功能和性能上的设计要求,提出基于BIM技术的乡村建筑信息化智慧服务平台设计与实现。利用BIM技术设计乡村建筑信息化智慧服务平台整体架构,结合乡村建筑信息化智慧服务微处理器,完成平台的硬件设计;根据采集的乡村建筑信息化智慧服务数据,搭建了乡村建筑建设信息库,完成平台的软件设计,实现乡村建筑信息化智慧服务。测试结果表明,这个乡村建筑信息化智慧服务平台在功能上可以满足设计要求,还可以通过提高智慧服务响应的加速比,提高平台的性能。

关键词： BIM技术乡村建筑智慧服务微服务器信息化数据库

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