什么是非统一内存访问（NUMA）？
非统一内存访问（NUMA）是一种用于多处理器系统的计算机内存设计，其中内存访问时间取决于内存位置相对于处理器的相对位置。在NUMA架构中，每个处理器都拥有自己的本地内存。虽然它也能访问连接到其他处理器的内存，但由于需要穿越互连网络且可能涉及其他处理器，这种访问速度较慢，从而引入额外的延迟和带宽竞争。
NUMA技术的开发旨在解决传统对称多处理器（SMP）系统的可扩展性局限性——该架构中所有处理器共享单一内存池。通过将内存资源更紧密地分配至各处理器附近，NUMA显著提升了内存访问效率及整体系统性能，尤其在配备大量中央处理器（CPU）或处理核心的系统中效果显著。
针对NUMA优化的现代操作系统和应用程序能够以特定方式分配内存，使数据始终驻留在执行计算的处理器附近，从而最大限度地降低延迟并提升吞吐量。NUMA技术广泛应用于服务器、高性能计算（HPC）系统以及需要大量内存和计算资源的企业级工作负载。
NUMA如何工作？
在NUMA系统中，体系结构被划分为多个节点。每个节点包含一个或多个处理器（或CPU插槽）及其专属内存。这些节点相互连接，使处理器能够访问本地和远程内存。
访问本地内存（物理上连接在同一节点上的内存）速度更快且延迟更低。当处理器访问远程内存（位于不同节点上的内存）时，由于节点间的互连路径会产生额外延迟。这种延迟差异正是NUMA架构中"非统一性"的体现。
现代NUMA系统依赖于系统固件、操作系统和应用程序具备NUMA感知能力。具备NUMA感知能力的软件会尝试以特定方式分配内存并调度进程，使任务及其内存保持在同一节点上紧密相邻。这可减少跨节点内存传输，从而优化系统性能。
NUMA通常应用于配备两个或更多CPU插槽的系统，例如服务器和高性能计算平台。每个插槽均配备独立的内存控制器和本地动态随机存取存储器（DRAM），系统通过互连技术（如英特尔Ultra 互连（UPI）AMD Fabric）将各插槽连接起来，从而在需要时实现对远程内存的访问。
NUMA与系统架构设计
随着多插槽系统在现代化数据中心及企业基础设施中的普及，理解NUMA对系统架构的影响至关重要。硬件供应商在设计服务器主板和CPU互连时，会充分考虑NUMA拓扑结构，确保处理器与内存库之间实现最优数据路径。这直接影响应用程序性能，尤其对于在多个核心和插槽间横向扩展的工作负载而言。
设计考量还包括内存配置规则、BIOS级别的NUMA配置设置以及组件的物理布局。系统架构师必须考虑应用程序如何与内存和计算资源交互，以确保硬件能力得到充分利用。优化不佳的硬件配置可能导致次优的NUMA行为，包括过多的远程内存访问和增加的延迟。
NUMA系统的软件优化
要充分发挥NUMA架构的性能潜力，软件必须经过专门设计或至少进行相应配置，以识别底层内存拓扑结构。Linux和Windows Server等操作系统在内核层面支持NUMA，可实现处理器亲和性、内存绑定以及NUMA感知调度等功能。这些机制能确保线程被调度到能够快速访问其高频使用内存区域的CPU上。
应用程序开发人员和系统管理员可通过利用NUMA专用API和调优实践进一步提升性能。并行编程框架（如OpenMP和MPI）提供了控制线程布局和内存局部性的选项。对于企业级和高性能计算工作负载，此类优化措施能显著降低内存延迟并提升吞吐量，尤其在运行于内存占用量大的多插槽系统时效果更为显著。
NUMA用例与优势
NUMA技术为需要高并行度和大量内存占用的工作负载提供了性能优势。通过减少跨节点内存访问并更有效地利用可用带宽，NUMA增强了可扩展性，并有助于消除多插槽架构中的性能瓶颈。
高性能计算（HPC）
在高性能计算领域，科学仿真、建模及大规模数据分析工作负载可通过NUMA技术获益，该技术能降低跨多个CPU插槽的内存访问延迟。
虚拟化平台
虚拟机管理程序和虚拟机可通过优化实现NUMA感知调度，确保虚拟CPU及其内存始终驻留在同一物理节点上。
内存数据库
NUMA技术有助于在将海量数据直接存储于RAM的数据库系统中维持低延迟内存访问。
大型企业应用程序
NUMA技术可提升企业软件（如企业资源规划系统）的响应速度和吞吐量，这类软件需要访问跨多个核心的大型内存空间。
常见问题
- 什么是NUMA集群？
NUMA集群指在支持NUMA的系统中，将处理器和内存组织为节点或集群的架构。每个集群拥有独立的本地内存，集群内的处理器可通过更低的延迟访问该内存。这种架构通过减少对共享内存资源的竞争，从而提升性能和可扩展性。 - 什么是NUMA拓扑结构？
NUMA拓扑结构描述了CPU、内存和互连设备在系统中的物理与逻辑布局。它定义了哪些处理器连接到哪些内存区域，以及节点间如何进行访问。理解系统的拓扑结构有助于优化内存分配和应用程序性能。 - NUMA对虚拟化是否重要？
是的，NUMA在虚拟化中起着关键作用，它能确保虚拟机获得最优的内存和CPU配置。当虚拟机管理程序具备NUMA感知能力时，可将虚拟CPU及其关联内存保持在同一物理节点内，从而降低延迟并避免性能损失。 - 如何在系统上启用NUMA？
现代服务器平台通常默认启用NUMA支持。某些情况下，可能需要在系统BIOS或UEFI设置中进行激活。启用后，系统会向操作系统暴露NUMA拓扑结构，以实现优化的调度和内存分配。 - 如果软件不支持NUMA，会发生什么？
如果软件不支持NUMA，它可能会在节点间低效地访问内存，导致更高的延迟和更低的性能。这在具有大型内存池的多插槽系统中可能成为瓶颈，尤其是在高负载情况下。