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[科技] 华为鸿蒙内核，如何突破6微秒的理论极限？

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李卫东 发表于 2024-6-8 07:00:00 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
华为鸿蒙内核，如何突破6微秒的理论极限？ 第1张图片





作者
 
|
 庄则良

来源 | 心声社区、
蓝血
研
究（lanxueyanjiu)



华为鸿蒙内核，如何突破6微秒的理论极限？ 第2张图片


2012实验室战地英雄会分享时刻


我和华为的缘分开始于2018年的冬天，当时我还默认主流操作系统就是Linux和Windows，然而OS内核实验室的操作系统专家雷继棠的一通电话改变了我的想法。


“华为正在做一个纯自研的操作系统，采用微内核架构，由陈海波教授带领国内外学术界、工业界多名操作系统领域学者、专家联合研发，目标就是打造中国自研的OS（操作系统）内核，与Linux和Windows三分天下。”


这一下子激起了我的兴趣。打造全新的操作系统可是大手笔，如果能把这个整明白，那可是足以载入史册的大事！


当时的憧憬仍记忆犹新，一转眼，我已经加入鸿蒙内核四年多了。


01

被反复打回的代码

我记住了这四“不”



2019年3月，刚加入中央软件院OS内核实验室时，我便感受到了部门浓浓的技术氛围。团队“含博量”超高，博士占比达到40%。技术大牛近在咫尺，比如我的邻桌就是Linux社区某领域的mAIntainer（维护员）。就这样，我忐忑地开始了边恶补、边实践的探索期。


很快，我在鸿蒙内核调度组接到的第一个任务来了，承担微核中的核间中断IPI通信模块的设计开发工作。虽然没有这方面的经验，但我还是凭借对该机制的认识，又趁着刚加入组内的“蜜月期”，一个劲地奋勇争先，不出两个星期就写出了可用的版本。


在我看来，我的代码“作品”既符合功能要求，又可以通过用例防护网，完全满足要求，我心里不免有点儿沾沾自喜，没想到committer楠哥检视后，提了三个意见，随后直接干脆地说：“重写吧。”我顿时傻眼，原本对自己的设计信心满满，结果辛辛苦苦写了半个月，一下子被否定，我有些懊恼和不甘。我仔细看起了检视意见，发现这其中最大的问题是三个字——“不匹配”。作品既不符合编程规范，又只局限在自己的功能，没有考虑设计的整体性，就好比在研究所里盖了一间小木屋，无论是风格还是功能，都无法匹配要求。


我开始有些服气了，意识到写代码光有热情还不够，更要有过硬的专业能力。为了能够改好这段代码，我几乎把自己封闭起来，一点点琢磨微核代码，逐步优化设计，那段时间，我甚至做梦时眼前都是一行行浮动的代码。


很快我就交出了第二份答卷，然而，故事的发展并没有想象中顺利，我迎来了第二次被打回，这次的原因也是三个字——“不全面”，里面许多场景没有考虑到。就像房子虽然建好了，可是没有沙发，舒适度上大打折扣。但这次我没有一丝沮丧，反而充满了动力，因为钻进去了，乐趣也就来了。


我当时只有一个想法，就是好好打磨这张答卷。随着不断趁热打铁，一次次跟楠哥对齐设计，我快速吸收改进意见，来来回回改了四版，同时对编码的思考也越来越深入。与此同时，我对代码的热爱与理解也与日俱增，每每遭遇困难，都会想起楠哥的那句话：“内核是要持续演进10年以上的，一定要严格控制架构腐化。”


死磕两个月后，代码终于达到标准，最后合入主线时，我长长地舒了一口气。这场雕琢中，我学到了写代码要避免“不匹配”“不全面”“不充分”“不符合”，在我后续的编码生涯里时刻提醒着我：在设计过程中，我们不仅要把功能实现出来，更要考虑所有应用的场景，在整体设计一致性的基础上，严格保证新功能与原有功能的一致性。


华为鸿蒙内核，如何突破6微秒的理论极限？ 第3张图片


参加三丫坡攻关期间的留影


02

投身三丫坡攻关

巧解六微秒难题



这两年，在华为纯技术团队里，我比较外向的性格和积累的组织管理能力都得到了发挥，开始承担鸿蒙内核调度组的PL（以及项目负责人）工作。说来也巧，带领团队的第一年，同时发生了两件大事，接到了职业生涯最艰巨的任务令——攻关HPE（高性能执行环境）低时延和参与三丫坡攻关，研究“混合关键性时延”，现在回头看，一切都是最好的安排。


时延是指数据或者命令从一端传送到另一端所需要的时间，它在各类场景中都非常关键，比如在智能制造场景中，如果我们能将时延从50微秒缩短到25微秒，那么它的控制精度就可以做到从10微米到1微米，相当于头发丝的1/7到1/70，从而实现机械臂从打造金属到制作光学器件的跨越。


因为降低时延可以大大提高目标效能的价值，许多行业对它有着强烈的诉求，这次遇到的挑战，就是解决客户的原始诉求——以软件代替硬件，让时延能够在数通设备中快速响应，并且被精准控制。


其实这个诉求难以实现，就连客户心里也没底，对整个业界来说都是一个巨大的难题。但我听完，觉得时延的课题非常有价值，便默默记了下来。当时我正投身三丫坡攻关当中，在操作系统特战1队中研究“混合关键性时延”课题，我发现这事或许可以用我们攻关的课题来解决。于是我抱着“世上无难事，只要肯攀登”的想法，开始了尝试。


时延的降低是有代价的，片面地追求低时延也会降低系统整体吞吐量。针对智能制造、电网等需在同一个硬件上部署多种类型任务的场景，“混合关键性时延”就好比给拥堵的车流进行了车道划分，时延要求高的任务走快车道，时延要求低的任务走慢车道，以综合时延最大限度减少对整体吞吐量的影响。


想到这，我已迫不及待付诸行动。我拉上各个领域模块专家，大家一起集结三丫坡，攻关“混合关键性时延”根技术，我们将OS领域内的调度、中断、进程间通信和虚拟化等关键模块联合起来创建关键路径的快车道。


当时大家信心满满，但当整个方案推进到距离任务令完成期限一个月左右时，核心的阻塞难题出现了——6微秒的理论极限。


我们需要处理的电路波形呈现周期性，起初我们认为只要在周期节点进行检测任务，波段就可以正常运行。然而，经过严密地分析，原本158微秒的周期绝大部分时间都要用来模拟计算，留给操作系统的节点时间只有6微秒的波动范围，这个动作过去是由硬件完成，可以说是大大超出了软件能力和OS调度机制的理论极限。


困难一下子压在心头，不论哪种办法都会导致波形模拟的不正确，我开始有些迷茫了，但还是强行给自己积极的心理暗示，不管怎样都要“啃”下来。


这天晚上，一直绞尽脑汁苦苦思考的我实在扛不住饥饿，和同组的兄弟一起点了个外卖，见他还在忙，我顺便帮他的也拿了。回来后他打趣道：“感谢兄弟，本来我要多跑一趟，现在你一趟搞定！”此话一出，我俩似乎不约而同想到了什么，莫名兴奋起来，我看到他的眼睛里闪烁着灿烂的光芒。时延任务并不是非要等前一个完成才开启下一个，就像两个波段原本都有自己的工作，但既然检测任务采用定时方案，操作系统可预知它何时发生，也就意味着有可能“预备出发”？我有一种强烈的预感，这方案可行！三丫坡的夜景，在那天晚上格外的美丽。


于是我们构思了一个预补偿方案，通过建立业务负载的模型来提前识别周期内任务的负载压力，计算周期到达所需时间，随之便可以精准地推测出调度的时延，从而提前启动。


没多久，我们便完成了动态补偿的自适应反馈式算法，实现了周期起始点的精准识别。我们的确能够推测出OS调度的时延，并在任务周期内提前启动，确保周期能够稳定在6微秒内唤醒。我们还发现，这样操作几乎能100%模拟成功，无论是空载还是满载测试，Demo都能打出符合要求的波段，能够完成DSP（数字信号处理器）器件周期的完美替代，我感到一阵前所未有的激动！


我深知技术绝不能只停留在理论层面，应用在公司的其他领域，实现技术外溢价值才是鸿蒙内核的归宿。经过不断打磨，我们的低时延技术也实现了商用落地。


华为鸿蒙内核，如何突破6微秒的理论极限？ 第4张图片


三丫坡1分队复盘合影


03

我们的技术成了核心卖点



2023年，低时延技术随着鸿蒙内核在数通场景新lite平台上实现首次商用。这不仅面临着架构冲击、平台场景不熟悉等问题，还要达到规模商用的质量和要求；其次，在Linux场景评估明确做不到的小型化问题，要在鸿蒙内核上寻找技术突破方向，以解决产品成本的痛点问题。难题接踵而来，就像要在茫茫荒原中开辟出一条快速通道，真是充满挑战。


但困难并不会成为我们前进的障碍，前所未有的挑战更是激发了团队的斗志，我们迅速投入状态，只要找准核心诉求，就能撕开“城墙口”。


于是，我们决定先跟产品线的同事们聊一聊。马不停蹄奔赴南京，在与客户一起完成了一场激烈的头脑风暴后，我们把所有想到的问题和灵感都记录下来，巨细无遗，逐一攻克。


那段时间，客户的会议室成了我们的驻扎点，在“时时跟进、事事回应”的反复沟通中，我们和客户逐渐形成了联合作战队机制。联合作战队历时3个月的前后三次集中攻关，我们不仅快速将“混合关键性时延”落地到产品，保障了产品转发性能超越友商数倍；还识别到园区产品小型化是核心竞争力，通过三丫坡攻关的专家团队挖掘技术点落地到产品中，实现设备内存从150兆降到100兆的极致优化；最后在联合作战队期间闭环了OS相关版本80%的问题，将版本上可维可测诉求和期望充分对齐，我们的能力和版本问题单流速得到了巨大提升，还获得了数通产品线的“众志成城”贡献奖。“联合作战队”的机制也作为优秀运作机制纳入项目日常管理中，持续为项目作出贡献。


你可能疑惑，只是双方交流一下，为什么可以产生这么大的改变？我们真切地感受到，深入的思想碰撞、积极的充分交流，能够提高解决问题的热情和意愿。做平凡而伟大的事，你不是一个人，而是一群人，集思广益、众志成城的力量是无限大的。


在2023年华为中国合作伙伴大会上，看到华为为了更好地满足中小企业数字化转型的需求，支持分销伙伴业务拓展，正式发布面向分销市场全新子品牌“华为坤灵”。其中，我们的技术“低时延多核转发N倍、业务连续不中断”成为数通产品的核心卖点，满满的自豪感油然而生。


在完成鸿蒙内核数通商用版本目标的同时，我也在不断思考如何让产品竞争力持续领先，如何让操作系统更好地服务产品构建出差异化竞争力，以支撑下一步的精品旗舰产品，实现多个场景的海量发货，助力公司发展。在这条充满挑战的道路上，我们能做的就是不断走到客户前面去，用鸿蒙内核为极限挑战场景打开逃生通道。


在积极组织各方交流、深入了解业务形态及痛点后，我们建立了联合的交付体系和防护网，强有力地保障了商用质量；结合三丫坡攻关，与技术专家们一同攻克技术难题，将技术转化到商用交付版本，助力产品竞争力达成。


2023年4月16日，华为智能汽车解决方案发布会上，华为发布了智能座舱，其中超低时延、快速启动这两个核心卖点，就是利用了确定性低时延的根技术。低时延的基础武器突破，可应用的场景也远不止于此，在计算场景的计算能力提升、在终端手机HarmonyOS上的跟手性应用，鸿蒙内核的低时延将有无限可能，我十分期待它在未来的每一次全新亮相！


04

后  记



虽然加入华为只有短短四年，但这却是我成长最快的四年，从调度领域的技术小白到基层主管，从自己钻研到带领团队攻克技术难题、商用落地，一步步成长刷新了我对技术和价值的认知。


我很庆幸能够加入鸿蒙内核团队，公司的大平台和时代的大背景赋予了它更多的意义。也许你会问我为什么如此充满期许，答案当然是——我坚信鸿蒙内核会成为世界的更优选择。仰望星空，脚踏实地，我将秉持必胜的信念，用心将技术做到极致。


最后，我想用OS内核实验室每一位伙伴的梦想结尾：让鸿蒙内核走进每一部手机、每一辆汽车、每一座基站、每一个网络设备、每一朵云，万物互联的智能世界从鸿蒙内核开始！


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沙发
搜搜哦去 发表于 2024-6-9 07:52:07 | 只看该作者
 
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板凳
小虫子在刷牙 发表于 2024-6-9 23:47:44 | 只看该作者
 
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地板
王泽维爸爸 发表于 2024-6-9 23:47:54 | 只看该作者
 
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5#
万事如易 发表于 2024-6-10 09:01:06 | 只看该作者
 
希望国产越来越好[点赞][点赞][点赞]
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