NUMA: почему эта архитектура снова в центре внимания и как она влияет на современные вычисления

Технологии многопроцессорных систем развиваются так быстро, что иногда ключевые изменения оказываются почти незаметны для широкого круга пользователей. NUMA — Non-Uniform Memory Access — как раз из таких. Если вы работаете с тяжёлыми приложениями, сталкиваетесь с большим числом потоков, используете серверы, виртуализацию, игровые движки или задумываетесь о производительности современных процессоров, то NUMA играет гораздо большую роль, чем может казаться на первый взгляд.

Хотя сама концепция появилась давно, в последние годы она переживает новую волну актуальности: рост числа ядер в процессорах, увеличение объёмов оперативной памяти и усложнение программных моделей заставляют архитектуру NUMA вновь становиться предметом обсуждения — как среди инженеров, так и среди разработчиков. Интерес к этой теме заметен даже в профильных ИТ-каталогах, где можно увидеть разные подходы производителей, включая отечественные решения системного уровня. Например, в подборке NUMA-ориентированных продуктов на Deltasite представлены разработки российских компаний, работающих с низкоуровневыми архитектурами, среди них и Нума Технологии, специализирующаяся на системном программировании и защитных платформах.

Что такое NUMA и почему она важна сегодня

NUMA — это архитектурный подход, при котором память в системе не является единым «равномерным» пространством, как в традиционной SMP-архитектуре. В NUMA память разделена на несколько узлов, или нод. Каждый узел связан с определённой группой ядер или с процессорным сокетом, что позволяет существенно снизить задержки при доступе к «локальной» памяти. Эта идея возникла как попытка справиться с главной проблемой масштабирования: чем больше процессоров в системе, тем труднее сделать так, чтобы каждый из них имел одинаково быстрый доступ к одной большой памяти.

Сегодня NUMA используется во всех современных серверных и рабочих платформах. И что важно — не только в дорогих системах, но и в массовых процессорах кажется уже привычным делением на чиплеты, как у AMD, или на кластеры ядер, как у Intel. Внутренние топологии этих процессоров всё чаще напоминают NUMA-структуры, и от того, насколько хорошо система работает с этой архитектурой, зависит производительность игр, виртуальных машин, сложных баз данных и даже мультимедийных приложений.

Как устроена работа NUMA-архитектуры

Главный принцип NUMA состоит в том, что данные должны обрабатываться как можно ближе к тому процессору, который выполняет вычисления. Если задачу удаётся удерживать в пределах одной ноды, задержки падают, пропускная способность растёт, а система работает более предсказуемо. Если же данные «размазаны» между узлами, процессор может обращаться к удалённой памяти другой ноды, и производительность начинает зависеть от скорости межузловых соединений, будь то HyperTransport, Infinity Fabric или QPI.

Работа NUMA тесно связана с операционной системой. Современные ОС стараются учитывать топологию нод: размещать процессы ближе к локальной памяти, распределять виртуальные машины по узлам, ограничивать миграцию потоков между кластерами. Но идеальная работа возможна лишь тогда, когда приложения также оптимизированы под NUMA, а этого пока нельзя сказать о большинстве массовых продуктов.

Где NUMA проявляет себя сильнее всего

Наибольшую роль NUMA играет там, где важно быстрое взаимодействие большого числа потоков и оперативной памяти. Это прежде всего:

• серверы крупных баз данных, где важно уменьшить задержки при поиске и агрегации данных;
• виртуализация и облачные платформы;
• высокопроизводительные вычисления и научные симуляции;
• игровые серверы и движки, где нужно распределять ресурсы между множеством задач одновременно;
• программные рендер-фермы, системы обработки видео, создание CGI-контента.

Интересно и то, что NUMA становится фактором даже для энтузиастов игр: движки вроде Unreal Engine всё больше зависят от того, как именно процессор взаимодействует с памятью при многопоточном рендеринге. На мощных рабочих станциях NUMA-топология может заметно влиять на время рендеринга крупных сцен или на стабильность работы редакторов.

Почему стоит обращать внимание на NUMA, даже если вы не администратор серверов

Хотя обычно о NUMA говорят системные инженеры, фактически она влияет на любой современный цифровой опыт. Нестабильная работа игрового сервера, микрофризы в приложениях, странные просадки при работе многопоточных программ — всё это может быть следствием того, как распределяются процессы и память между узлами. Для разработчиков игр NUMA помогает понять, почему распределение потоков и потокобезопасность становятся всё более важными. Для пользователей — это взгляд на то, за счёт чего достигается стабильность современных сервисов.

Даже в российском контексте интерес к NUMA растёт: компании, которые занимаются системным программированием — BIOS/UEFI, доверенные платформы, защищённые вычислительные комплексы — неизбежно работают с архитектурными принципами NUMA. В этом плане отечественные разработчики системного уровня, такие как "Нума Технологии", показывают, что работа с низкоуровневой инфраструктурой давно ведётся и в России, пусть и не так публично, как у мировых производителей.

Итоги: NUMA — тихая основа производительности, о которой стоит знать

NUMA относится к тем технологиям, которые редко оказываются на поверхности, но глубоко встроены в современные вычислительные архитектуры. Когда вы сталкиваетесь с быстрыми базами данных, плавным рендерингом, стабильными игровыми серверами или просто с системой, которая справляется с сотнями процессов — велика вероятность, что NUMA в этот момент делает свою работу. И чем лучше понимают эту архитектуру операционные системы, приложения и разработчики, тем выше итоговая производительность.

Если вы работаете с большими нагрузками, создаёте игры, обслуживаете сайты, управляете серверами или интересуетесь высокопроизводительными системами, NUMA — это не абстрактная теория, а практическая часть вашего инструментария. Она объясняет, как устроено современное железо, почему многопоточность стала сложнее и почему одни системы выдерживают нагрузку лучше других.