作者：陸向陽
圖1 第五代樹莓派單板電腦（圖片來源：Amazon）
Linux作業系統的核心（kernel）是不斷迭代精進的，包含正式改版或若干程度的修補（patch，對岸稱為補丁）等，而在正式迭代前會先有人提交，提交後需要再評估確認，有些會捨棄，有些會納入後續正式的迭代。
最近64位元Arm架構的Linux核心程式，有一家自由軟體顧問公司Igalia嘗試在樹莓派上模擬NUMA（Non-Uniform Memory Access，翻譯成非統一記憶體存取，但使用不普遍），如此可以讓第五代樹莓派（RPi 5）增速6%～18%，這作法已經在Linux核心清單的相關討論中，由帳號Tvrtko Ursulin所提出。
NUMA簡述
在這裡要先說明一下何謂NUMA，這其實是一種電腦硬體架構，1990年代UNIX高階伺服器飛速發展時，系統內CPU數目的增加、RAM容量的增加，但要讓多顆CPU跟過往一樣，都存取同一塊RAM記憶體空間，這一段存取變成了效能瓶頸，故系統商開始提倡NUMA。
NUMA把記憶體分切、配發給CPU，CPU平常多數時間只存取自己所屬的記憶體，必要時才與其他記憶體快進行資料同步或交換，另外NUMA也可能將記憶體分層，分成CPU專屬層、一個群中的共享層、整體系統的共享等等。
雖然有這些空間切分、資料同步機制，但這些都以硬體方式實現，是在背地裡無形中運作，軟體執行上感受不到差異，運作上仍然以為是一個整體連續的記憶體空間。Linux核心在2.5版後也支援NUMA。
效能提升6%～18%
雖然Linux核心支援NUMA，但如果系統硬體設計上本身就沒有NUMA，Linux核心的NUMA功能一樣無法發揮，RPi 5即是如此，主要是RPi 5的主控晶片BMC2712沒有。
不過，前述的Igalia公司提出一個核心修補程式，讓樹莓派系統跑一個NUMA模擬軟體（Emulator），以軟體方式實現NUMA（可能搭配運用上BMC2712內的GPU），這個修補程式其實才約100行，主要的C語言程式碼也不到60行。
圖2 Igalia公司官網強調該公司擅長的多項技術中，Linux核心效能提升也是其一（圖片來源：Igalia）
修補程式相關的C語言程式碼，一起頭即放入Linux記憶體區塊的含括檔memblock.h及NUMA模擬的含括檔numa_emulation.h（資料來源：CNX Software）：
#include <linux/memblock.h>
#include "numa_emulation.h"
static unsigned int emu_nodes;
int __init numa_emu_cmdline(char *str)
{
int ret;
ret = kstrtouint(str, 10, &emu_nodes);
if (ret)
return ret;
if (emu_nodes > MAX_NUMNODES) {
pr_notice("numa=fake=%u too large, reducing to %u\n",
emu_nodes, MAX_NUMNODES);
emu_nodes = MAX_NUMNODES;
}
return 0;
}
int __init numa_emu_init(void)
{
phys_addr_t start, end;
unsigned long size;
unsigned int i;
int ret;
if (!emu_nodes)
return -EINVAL;
start = memblock_start_of_DRAM();
end = memblock_end_of_DRAM() - 1;
size = DIV_ROUND_DOWN_ULL(end - start + 1, emu_nodes);
size = PAGE_ALIGN_DOWN(size);
for (i = 0; i < emu_nodes; i++) {
u64 s, e;
s = start + i * size;
e = s + size - 1;
if (i == (emu_nodes - 1) && e != end)
e = end;
pr_info("Faking a node at [mem %pap-%pap]\n", &s, &e);
ret = numa_add_memblk(i, s, e + 1);
if (ret) {
pr_err("Failed to add fake NUMA node %d!\n", i);
break;
}
}
return ret;
相關配套修改也包含在作業系統上要使用一個NUMA_EMULATION的新Kconfig選項，核心啟動參數要加入numa=fake=<N>，然後搭配命令列numactl –interleave=all COMMAND等，如此可以改變BMC2712內記憶體控制器的存取方式，另外也要透過systemd命令來重新配置系統範圍政策（system-wide policy）。
既然NUMA是為了讓整體系統更具效能的，那就需要測試看看NUMA模擬軟體是否真的有效果，對此用效能基準程式Geekbench 6來測試，發現有無安裝修補程式確實有效能差異。
測試的結果顯示，安裝修補程式後的單核效能提升約6%，多核（RPi 5有4個核心）則提升到18%，這樣的提升形同把2.4GHz的RPi 5超頻到2.83GHz。
仍待觀望
雖然測試結果不錯，但目前還有兩個問題，一是真的在一般運用上能得到加速感受嗎？有時基準測試的跑分不錯，實際上沒有幫助，類似紙上成績不錯，實際表現不佳，因此資訊業界有時也會強調所謂的real application performance，而不是看benchmark。
另一個問題是：這個修補程式提交出去了，但是否能正式列入成Linux核心修補還需要一段時間，且估計時間冗長。目前提交上的相關討論似乎有不樂意的聲音出現，認為這有點變通取巧不正規，不應該正式列入，一旦正式列入就需要後續一連串的相關維護等。
結語
最後筆者覺得，無論提交能否納入正式核心修補，這一嘗試肯定是正向的，過往的樹莓派其實在I/O方面已經出現瓶頸（晶片內的Interconnect頻寬不足），硬體規格數字雖已與過往PC相仿，效能卻仍有落差，估計這是新一代樹莓派要額外提出RP1附屬搭配晶片的原因。
既然有人提出NUMA模擬軟體，這表示開始有人嘗試提升樹莓派的記憶體存取效率，會引起各方關注此一環節的效能提升，是真的起用模擬軟體來零成本提升效能，還是考慮在下一代的樹莓派主控晶片上改善此一環節的硬體設計，對用戶而言都是好消息。
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（本篇文章經同意轉載自vMaker，原文連結；責任編輯：謝嘉洵。）
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