替代CPU？阿里云以CIPU定義下一代云計算

2022阿里云峰會只有半天時間的云上跨時空連線，時間雖短，但發布的信息令人震撼。

最重磅的消息，當屬阿里云智能總裁張建鋒發布的全新“處理器”：CIPU（Cloud infrastructure Processing Units 云基礎設施處理器）。他介紹說，以CIPU為中心的體系架構是一個全新的架構體系，“將替代CPU成為云時代IDC的處理核心”。

眾所周知，無論是個人計算機還是數據中心、超算集群等基礎設施，CPU的核心地位都牢不可破。為何在阿里云的話語體系里，這個只比CPU多個“I”的新名詞，一舉成了在云計算架構中取代CPU“C位”的存在？

阿里云的葫蘆里，賣的是什么藥？

創新架構，解決真實存在的問題

在搞清楚“為什么”之前，要先弄清楚“是什么”。

CIPU意即云基礎設施處理器。從字面上看，CIPU專門用于云計算，定位是云數據中心的管理中樞。在張建鋒的介紹中，CIPU的功能定位也很專一：“專門用于連接服務器內硬件和云上虛擬化資源”。

阿里云給出的 CIPU 架構圖顯示，通過“飛天”云計算操作系統，CIPU能夠長出“三頭六臂”，分別接入計算加速單元、存儲加速單元和網絡加速單元。可以看出，CIPU扮演了統籌協調各類計算硬件的角色，并實現計算、存儲、網絡的加速。過程中，它以中心管理者的姿態，取代了傳統數據中心中CPU的位置。

CPU為什么當不了核心了？

CPU和GPU等計算單元，是服務器中最昂貴的部分。而云計算要體現出彈性特征，需要做好資源池化、虛擬化以及網絡分發等各項工作。在傳統的數據中心，這些“雜活兒”，都要身價不菲的CPU來承載。也就是說，CPU不僅要充當計算核心，還要負責網絡管控、安全、訪問協議等“瑣事”，不僅大材小用，還嚴重透支著服務器的計算資源。

而對于云計算服務商來說，云計算的核心賣點是隨時隨地的彈性計算，但廠商不能為了提供彈性計算服務，就放任計算性能有一定的損失。相反，只有把服務器的計算資源“吃干榨凈”——盡量多地將CPU用于提供計算能力，用戶才能用上更便宜好用的云服務。

換言之，要說服更多用戶上云，云服務商就不僅要提供更好彈性的云，還要提供性能更好、成本更低、安全性佳的云。

那么云服務商必然要面對這樣的難題：對服務器物理機的虛擬化、計算存儲分離都會造成性能損耗、提高延遲，云服務本身還會承受許多攻擊，需要強調云上隱私保護的重要性。這些問題已經不是簡單地軟件迭代就能解決得了的，探索更加云化的體系結構是完全合理的方向。

事實上，阿里云早就注意到了虛擬化等給 CPU 帶來的額外消耗，并致力于解決問題。2017 年，阿里云代表云數據中心虛擬化技術變革、致力于以軟硬協同設計提升虛擬化效率的“神龍架構”問世。歷經多輪迭代，神龍架構逐漸加入了編排調度、硬件加速等更多能力，最終誕生了CIPU的雛形。

飛天+CIPU支撐的云計算技術體系

阿里云認為，云計算歷經十余年發展，有兩個比較標志性的階段。

第一階段是分布式和虛擬化技術替代了大型機、小型機，滿足了當時企業業務擴展帶來的算力彈性需求；第二階段出現了資源池化技術，把計算和存儲資源分離，再規模化編排和調度，提供了超大規模的計算和存儲資源池。

“這兩個階段的演進推動了云計算發展，但都是基于傳統的以CPU為中心的體系架構去做優化，已經觸及瓶頸。”阿里云認為，近年來云上的需求發生了很大變化，數據密集型的計算越來越多，提高了對云計算提供的低時延、高帶寬的需求，這些需求“很難通過傳統體系結構去滿足”。

這已經成為云計算的下一戰場。以英特爾、英偉達為代表的硬件廠商，和以亞馬遜為代表的頭部云廠商，都紛紛推出了IPU、DPU，來應對愈加棘手的數據吞吐、網絡時延和帶寬的問題。但他們仍然在舊有的計算體系架構上做文章，尚未真正實現突破和大規模落地。

這也是阿里云構建以 CIPU 為基構建一個全新架構體系的初衷。張建鋒介紹，從最底層的數據中心核心部件到最上層云原生軟件，阿里云建立了完整的自研技術體系，做到了軟硬件無縫結合，形成了“飛天+CIPU”支撐的云計算技術體系。

張建鋒介紹說，CIPU替代CPU成為云計算的加速和管控中心，CIPU向下接入數據中心的計算、存儲、網絡資源，快速云化并進行硬件加速；向上接入飛天云操作系統，管控阿里云全球數百萬臺服務器，讓算力“零”損耗對用戶服務，并通過規模化應用RDMA網絡技術，讓訪問云端比訪問本地硬盤更快,網絡時延最低可達二十萬分之一秒。

“有利于爭奪云計算定義權”

目前，阿里云在全球云計算的市場和技術水平均處于領先地位，在權威機構Gartner發布的年度報告里，阿里云的IaaS基礎設施能力、產品能力獲得了全球最高分。其中，在網絡技術上，阿里云被權威機構AMiner評為全球十大最具影響力的網絡研究機構。

“云計算越來越接近進入下一個時代了——全新的架構定義、全新的軟件界面、硬件加速。”張建鋒表示：“我們錯過了PC時代，但云這個時代大家起步是一樣的。大家在重新定義云的結構的窗口期，如果我們定義好了，中國就可以在下一代的技術時代有自己的一席之地。”

他認為，新一代的技術架構，會催生新一代的云原生應用，也是中國軟件和企業數字化的巨大機會。所以，阿里云一方面會向下深耕技術，另一方面，也會加大氣力推動生態的建設。

中國工程院院士、清華大學計算機科學與技術系教授鄭緯民也認為，這是中國爭奪云計算定義權的重要機會。

鄭緯民提出：“這幾年的云計算已經進入一個關鍵的轉換期。過去這些年，我國在云計算領域主要在軟件層面有創新，發展了一些開源生態，但還是在傳統IT的格局下追趕。現在，阿里云提出了CIPU技術，把上一代計算架構的中心完全打破了，在基礎技術上實現了世界領先，和國際IT巨頭站在同一個起跑線上。他們提出了CIPU，使得中國正在爭取云計算的定義權中處于有利的位置，改變了原本由西方技術制定的游戲規則，讓我國IT產業建立了全球領導力。基于這一點改變格局的事情，我對中國在下一個技術時代擁有自己的一席之地表示樂觀。”

阿里云十二年自研“長征路”

自創立以來，阿里云堅持深耕核心技術。12年前，阿里云大力投入自研云操作系統“飛天”，立志打破國外在云計算底層技術上的壟斷。飛天是阿里云底層的核心技術，也是國內唯一自研的云計算操作系統。十多年來，飛天經受“雙11”、12306春運購票等極限并發場景挑戰，解決了全球技術行業面臨的典型技術難題，并獲得2017年中國電子學會科技進步獎特等獎，這是該獎項設立15年來首次頒發的特等獎。

從飛天開始，阿里云不斷推出自研技術成果。

阿里自研的數據庫起源于“去IOE”浪潮。過去數據庫市場一直是Oracle等傳統數據庫巨頭的天下，阿里云十年來始終堅持在數據庫領域投入，已經突破了外國數據庫公司的封鎖。2020年，阿里云代表中國科技廠商，挺進Gartner全球數據庫魔力象限領導者象限，成為基礎軟件領域首次進入領導者象限的中國企業。從阿里巴巴自身“去IOE”，到全行業去IOE，阿里云94%以上的頭部用戶都購買了云數據庫產品。

在云存儲技術方面，使用阿里云自研的盤古分布式系統，協同CIPU、高密存儲服務器和Solar-RDMA網絡，可以讓延遲降低到30微秒，這意味著訪問存儲在遠端的數據，延遲比訪問本地的硬盤還低。

阿里云也是國內最早投入自研綠色科技的云廠商之一。阿里云仁和數據中心（位于浙江杭州）是全國規模最大的單相浸沒液冷數據中心。初步估算，如果全國的數據中心都采用液冷技術，一年可節省電量相當于三峽電站2020年全年發電量的三分之二。