基于异构模式的云计算关键技术研究
时间：2021-01-24 20:04:11 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：随着信息技术的快速发展，云计算成为了下一代互联网的发展方向。云计算技术具有强大的功能，所以在很多商业领域得到了应用。而CPU+GPU这种异构模式要比传统的模式更加经济环保，所以也得到了广泛的注意。本文对基于异构模式的云计算关键技术进行研究，探讨云计算的发展状况及未来发展方向。
关键词：云计算；CPU+GPU异构模式；关键技术；研究
中图分类号：TP3
近些年人们提出了一个新的计算模式，也就是结合CPU和GPU的异构模式，这也成为了近些年人们研究高性能计算机的焦点。GPU是图形处理器，并行运算的能力强大，而且可以增加计算的核数。联合CPU和GPU，可以提高计算机的计算能力，而且还能够节约计算成本，这样计算机就可以满足人们高需求的计算要求。在实际应用中，联合CPU和GPU的混合模式系统，都展现出了很好的计算性能。
1 云计算的概念
云计算是一种共享计算的方法，它通过整合其它计算机数据和处理器资源，然后一起进行计算工作。整合之后的系统为人们提供计算服务，计算任务分配到各台计算机上面，并不是在远程服务器上面，这种计算模式和互联网差不多。
很多数据及应用软件都可以以不同的形式进行云储存，所以在游览器中安装简单的系统，就能够利用网络连入云中，通过云中的计算资源，来进行不同需求的计算。云计算就是把各种资源进行集中管理，然后处理虚拟后形成一个大的共享系统，基于供应商和使用者的协议提供服务。
2 云计算关键技术
云计算能够按照需要进行分配，能够把用户的需求的资源进行整合。
2.1 虚拟化技术。云计算技术的基础是虚拟化技术，这种技术能够把硬件和软件分离开来。云技术能够把人们的目光吸引到软件提供的服务上。云计算是由服务商提供，用户和服务商之间存在一定的协议，服务商进行数据的管理，用户不需要知道数据的存储地点。用户的数据存储子在云文件夹中，数据实现共享。其实就是把计算机虚拟化，用户拥有对虚拟计算机的管理权，这样能够提升资源的利用效率。
云计算技术的发展推动了各个行业的发展，企业发现构建云基础结构关键是虚拟化。用虚拟化技术构建结构部需要放弃现有的信息架构。云计算使得信息技术开始向业务中心模式发展，这也使得用户的实际需求开始反作用于服务。采取这种模式，成本低廉，服务质量高，信息实现了高度共享。这也使得企业的生产效率提高，所需的花费大幅度降低。
2.2 资源管理技术。云计算设计的资源类别很多，比如计算、存储等资源。因此资源较为复杂，这就出现了管理的问题。云计算的资源大部分是虚拟化资源，对于虚拟资源的管理影响了资源的使用。云系统不断接受用户的请求，然后把请求分配给对应的资源所有者，合理调度要求的资源，使得需要得到解决。用户的需求也会发生改变，这些需求无法提前预测，所以这种情况下要求系统能够及时、灵活地调动资源。云计算的资源要比网络资源更加复杂繁多，数据更加分散，所以资源的调动更加频繁。
管理系统一般有四种任务，资源搜索、资源派发、资源存储和资源调度。关键是资源的调动，系统对请求进行分配，然后通过很多的结点一同工作。云计算的资源管理较为复杂，涉及到了很多的方面，比如说云存储计费、资源调度等。云计算之前需要安排好一系列的问题。这主要是因为云计算的资源分布较为广泛，而且形式不一样，自然对资源管理的方法也不一样。
2.3 自动分配。云计算就是通过自动安装，来实现它的应用，把资源的储存状态转换为可用状态。云计算过程中，系统通过为用户提供各种服务来完成应用的安装。系统采取多个步骤进行资源的分配，调用不同的资源管理工具进行自动分配。这样就不需要进行人机交互，这使得分配过程不再依靠人工操作。
2.4 分布编程技术。云计算实际上集中处理大量用户需求的技术，为了用户能够享受到轻松的服务，这要求云计算编程十分简单，而且能够通过一些简单的编程程序来完成。系统还需要向用户和编程人员展现复杂的并行执行和调度过程。
2.5 大量数据存储技术。云计算系统是由很多的服务器共同组成，目的是为了大量用户进行服务。系统采用的分布存储方式，这样就能够保证数据的可靠性。目前云计算广泛使用的是GFS和HDFS。GFS是Google File System的缩写，这是一个可以扩散的文件系统。它被广泛应用于有大量数据需求的应用。GFS和传统的文件系统不一样，它面向的是大型数据处理的对象。它可以应用在普通硬件上，而且提供的服务质量优质。一般GFS系统以群的形式出现，主要是由主服务器和块服务器组成。主服务器主要进行元数据的存储，定期和版块服务器进行交流，给块服务器下指令并整合它们的状态。GFS对文件进行冗余存储，每一个数据都进行了备份。客户主要和主服务器进行交流，数据直接和块服务器交互，这使得系统的效率大大提升，减轻了服务器的压力。
3 CPU+GPU异构模式
3.1 CPU和GPU的比较。在计算机领域出现异构模式，主要是因为不断增加的计算需求。CPU和GPU在构造上就存在不一样，CPU主要通过多流水线的分支预测和缓存技术，最大化地发挥CPU的性能。但是CPU的指令并行效率低，而且耗费了大量的芯片。而GPU设计的理念是提供并行服务，而且GPU芯片的大部分面积能够用到执行单元上。正是因为此，可以结合CPU的逻辑控制和GPU的并行运算，这大大提高了计算机的计算能力和效率。
结合CUP和GPU之后就存在一个效率问题，要提升两者的并行效率，就需要考虑这两者之间的同步。GPU具有很高的带宽，但是因为读取过程中存在延迟，所以并行效率的提高还需要考虑GPU存储的使用情况。
3.2 CPU+GPU异构模式的优势及程序开发。基于CPU+GPU异构模式的计算机系统能具有明显的优势，首先GPU可以满足特殊应用的需求，比如说浮点运算。目前CPU的浮点运算能力已经无法到达人们的需求，还有就是GPU开始向图形处理之外的领域发展。GPU向通用领域发展的障碍已经被解决。
目前能够用于CPU+GPU异构模式程序开发的方法主要有四种：图形应用开发方法、低层次GPU编程方法、高层次模板库、高层次的编译器。CPU+GPU异构模式下的程序开发除了需要上述技术，还需要一些辅助技术。在对CPU+GPU异构系统进行管理的时候，可以使用MPI技术。在实际应用中，一般把OpenMP和MPI结合使用。
4 异构模式云计算的应用及发展趋势
随着通信技术的快速发展，云计算技术被广泛用于企业的内网、通信终端、科研网络等领域。云计算在我国的应用还很少，但是随着云计算异构模式的问题在不断得到解决，云计算的概念被广泛推广，这将成为很多行业的主要应用模式，这为很多行业的信息建设和管理打下了基础。未来云计算主要应用领域为：医药、制造、金融、电子政务、教育、电信领域。
5 结束语
目前，我国云计算技术还在发展阶段，普及程度还很低。它改变了计算机资源的管理方式，国家正在推行三网融合的重大战略，这将推动云计算的广泛应用。未来的云计算将发挥群计算的优点，为客户提供更加高效快捷的服务。目前，GPU的构架的开发也朝着有利程序开发的方向发展，人们也在不断研究GPU编程方法，基于CPU和GPU异构模式的计算系统将展现出更加大的计算能力和效率。
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作者简介：宋国平（1968.4-）男，吉林人，硕士，副教授，研究方向：计算机信息安全，网络优化。
作者单位：吉林广播电视大学，长春 130022
