Qu'est-ce que l'accès non uniforme à la mémoire (NUMA) ?
L'accès non uniforme à la mémoire (NUMA) est une architecture de mémoire informatique utilisée dans les systèmes multiprocesseurs, dans laquelle le temps d'accès à la mémoire varie en fonction de l'emplacement de la mémoire par rapport au processeur. Dans une architecture NUMA, chaque processeur dispose de sa propre mémoire locale. Bien qu'il puisse également accéder à la mémoire associée à d'autres processeurs, cet accès est plus lent car il nécessite de traverser des interconnexions et, éventuellement, d'autres processeurs, ce qui entraîne une latence supplémentaire et des conflits de bande passante.
La technologie NUMA a été développée pour pallier les limites d'évolutivité des systèmes traditionnels de multiprocessing symétrique (SMP), dans lesquels tous les processeurs partagent un seul espace mémoire. En regroupant la mémoire à proximité de chaque processeur, la technologie NUMA améliore l'efficacité de l'accès à la mémoire et les performances globales, en particulier dans les systèmes comportant un grand nombre d'unités centrales (CPU) ou de cœurs.
Les systèmes d'exploitation modernes et les applications optimisées pour la technologie NUMA peuvent allouer la mémoire de manière à ce que les données restent proches du processeur effectuant le calcul, ce qui permet de réduire la latence et d'augmenter le débit. La technologie NUMA est couramment utilisée dans les serveurs, les systèmes de calcul haute performance (HPC) et les charges de travail d'entreprise qui nécessitent d'importantes ressources en mémoire et en puissance de calcul.
Comment fonctionne la technologie NUMA ?
Dans un système NUMA, l'architecture est divisée en plusieurs nœuds. Chaque nœud contient un ou plusieurs processeurs (ou sockets CPU) ainsi que sa propre mémoire dédiée. Ces nœuds sont interconnectés, ce qui permet aux processeurs d'accéder à la fois à la mémoire locale et à la mémoire distante.
L'accès à la mémoire locale (mémoire physiquement rattachée au même nœud) est plus rapide et présente une latence moindre. Lorsqu'un processeur accède à de la mémoire distante (mémoire située sur un autre nœud), il subit une latence supplémentaire due au chemin d'interconnexion entre les nœuds. C'est cette différence de latence qui définit le caractère « non uniforme » du modèle NUMA.
Les systèmes NUMA modernes reposent sur la prise en charge de la technologie NUMA par le micrologiciel système, le système d'exploitation et les applications. Les logiciels compatibles NUMA s'efforcent d'allouer la mémoire et de planifier les processus de manière à ce que les tâches et leur mémoire restent proches les unes des autres sur un même nœud. Cela permet de réduire le trafic mémoire entre les nœuds et d'optimiser les performances.
La technologie NUMA est généralement mise en œuvre dans les systèmes dotés d'au moins deux sockets de processeur, tels que les serveurs et les plateformes de calcul haute performance. Chaque socket dispose de son propre contrôleur de mémoire et de sa propre mémoire vive dynamique (DRAM) locale ; l'interconnexion système, telle que l'Intel® Ultra Interconnect (UPI) ou AMD Fabric, relie les sockets entre eux et permet d'accéder à la mémoire distante lorsque cela est nécessaire.
NUMA et conception de l'architecture système
Avec la généralisation des systèmes multi-sockets dans les datacenters modernisés et les infrastructures d'entreprise , il est crucial de comprendre l'influence de NUMA sur l'architecture système. Les fournisseurs de matériel conçoivent les serveurs motherboards Les interconnexions du processeur sont conçues selon une topologie NUMA, garantissant des chemins de données optimaux entre les processeurs et les banques de mémoire. Ceci a un impact direct sur les performances des applications, notamment pour les charges de travail qui s'étendent horizontalement sur plusieurs cœurs et sockets.
Les considérations de conception portent également sur les règles de répartition de la mémoire, les paramètres de configuration NUMA au niveau du BIOS et la disposition physique des composants. Les architectes système doivent tenir compte de la manière dont les applications interagissent avec la mémoire et les ressources de calcul afin de garantir une utilisation optimale des capacités matérielles. Des configurations matérielles mal optimisées peuvent entraîner un comportement NUMA sous-optimal, notamment un recours excessif à la mémoire distante et une latence accrue.
Optimisation logicielle pour les systèmes NUMA
Pour que la technologie NUMA puisse exploiter pleinement son potentiel de performances, les logiciels doivent être conçus, ou tout au moins configurés, de manière à tenir compte de la topologie mémoire sous-jacente. Les systèmes d'exploitation tels que Linux Windows intègrent une prise en charge de la technologie NUMA au niveau du noyau, ce qui permet d'utiliser des fonctionnalités telles que l'affinité processeur, le liaison mémoire et l'ordonnancement tenant compte de la technologie NUMA. Ces mécanismes contribuent à garantir que les threads soient ordonnancés sur des processeurs disposant d'un accès rapide aux zones de mémoire qu'ils utilisent le plus fréquemment.
Les développeurs d'applications et les administrateurs système peuvent améliorer encore davantage les performances en tirant parti des API spécifiques à NUMA et des pratiques d'optimisation. Les frameworks de programmation parallèle, tels qu'OpenMP et MPI, offrent des options permettant de contrôler le placement des threads et la localité mémoire. Pour les charges de travail d'entreprise et de calcul haute performance (HPC), ce niveau d'optimisation peut réduire considérablement la latence mémoire et augmenter le débit, en particulier lors de l'exécution sur des systèmes multi-sockets dotés d'une grande capacité mémoire.
Cas d'utilisation et avantages de la technologie NUMA
La technologie NUMA offre des avantages en termes de performances pour les charges de travail qui exigent un parallélisme élevé et une grande capacité mémoire. En réduisant les accès à la mémoire entre nœuds et en optimisant l'utilisation de la bande passante disponible, la technologie NUMA améliore l'évolutivité et contribue à éliminer les goulots d'étranglement dans les architectures multi-sockets.
Calcul haute performance (HPC)
Dans le domaine du calcul haute performance, les simulations scientifiques, la modélisation et les tâches d'analyse de données à grande échelle tirent parti de la technologie NUMA, qui permet de réduire la latence d'accès à la mémoire entre plusieurs sockets de processeurs.
Plateformes de virtualisation
Les hyperviseurs et les machines virtuelles peuvent être optimisés pour utiliser une planification tenant compte de la technologie NUMA, ce qui garantit que les processeurs virtuels et leur mémoire restent sur le même nœud physique.
Bases de données en mémoire
La technologie NUMA permet de garantir un accès à la mémoire à faible latence dans les systèmes de bases de données qui stockent de grands volumes de données directement en mémoire vive (RAM).
Applications d'entreprise à grande échelle
La technologie NUMA améliore la réactivité et le débit des logiciels d'entreprise, tels que les systèmes de planification des ressources d'entreprise (ERP), qui nécessitent l'accès à de vastes espaces mémoire répartis sur plusieurs cœurs.
FAQ
- Qu'est-ce que le clustering NUMA ?
Le clustering NUMA désigne l'organisation des processeurs et de la mémoire en nœuds ou clusters au sein d'un système compatible NUMA. Chaque cluster dispose de sa propre mémoire locale, et les processeurs d'un même cluster peuvent accéder à cette mémoire avec une latence réduite. Cette configuration améliore les performances et l'évolutivité en réduisant les conflits d'accès aux ressources de mémoire partagées. - Qu'est-ce que la topologie NUMA ?
La topologie NUMA décrit la manière dont les processeurs, la mémoire et les interconnexions sont organisés physiquement et logiquement au sein d'un système. Elle définit quels processeurs sont connectés à quelles zones de mémoire, ainsi que la manière dont s'effectuent les échanges entre les nœuds. Comprendre la topologie du système permet d'optimiser l'allocation de la mémoire et les performances des applications. - Le NUMA est-il important pour la virtualisation ?
Oui, le NUMA joue un rôle essentiel dans la virtualisation en contribuant à garantir un placement optimal de la mémoire et des processeurs pour les machines virtuelles. Lorsqu'un hyperviseur prend en charge le NUMA, il peut maintenir les processeurs virtuels et la mémoire qui leur est associée au sein d'un même nœud physique, ce qui réduit la latence et évite les baisses de performances. - Comment activer la technologie NUMA sur un système ?
La prise en charge de la technologie NUMA est généralement activée par défaut sur les plates-formes serveur modernes. Dans certains cas, il peut être nécessaire de l'activer dans les paramètres du BIOS ou de l'UEFI du système. Une fois activée, la topologie NUMA est mise à la disposition du système d'exploitation afin d'optimiser la planification des tâches et l'allocation de mémoire. - Que se passe-t-il si un logiciel n'est pas compatible NUMA ?
Si un logiciel n'est pas compatible NUMA, il peut accéder à la mémoire de manière inefficace entre les nœuds, ce qui entraîne une latence plus élevée et une baisse des performances. Cela peut constituer un goulot d'étranglement dans les systèmes multi-sockets dotés de vastes pools de mémoire, en particulier en cas de charges de travail élevées.