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云计算与标签化冯诺依曼体系结构

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包云岗

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传统冯诺依曼结构中，内存、I/O等硬件在共享环境下处于无序共享状态，不能有效地区分与隔离应用。这对云计算等新兴产业带来了难题——提高资源利用率与保障用户体验不可兼得，导致当前云计算平台往往以低效率手段来保障用户体验。例如，通过对数据中心软件栈十余年的持续优化，2013年谷歌披露其离线数据中心平均CPU利用率已达到75%，但在线应用数据中心平均CPU利用率仍不到30%。因而，2015年美国工程院院士、谷歌数据中心专家Dick Sites呼吁亟需计算机体系结构层面的创新。

无独有偶，几十年前互联网也曾面临过如何既“传得多”又“传得好”的难题。令人鼓舞的是网络界提出了一系列基于网络包标签化机制的新技术（如DiffServ、MPLS等），使互联网得以蓬勃发展。受此启发，本报告提出标签化冯诺依曼体系结构LvNA（Labeled von Neumann Architecture），利用可编程的硬件标签将应用的QoS、安全等需求传递到底层硬件，使具备标签电路的硬件能执行应用层定义的针对标签的处理策略，实现共享硬件资源的按需分配与性能隔离，以应对当前云计算面临的难题，实现保障应用QoS前提下提高资源利用率。

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讲者介绍

包云岗

CCF高级会员、CCF理事、普及工委主任、本刊编委。
中科院计算所研究员
研究方向:计算机体系结构与计算机系统性能分析

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