NUMATopologien

NUMATopologien beschreiben die Struktur von Speicher und Rechenressourcen in Non-Uniform Memory Access-Systemen (NUMA). In einer NUMA-Architektur besteht ein NUMA-Knoten aus einem oder mehreren Prozessoren, lokalem Speicher und typischerweise einem Verbindungspfad zu anderen Knoten. Der Zugriff auf Speicher in demselben Knoten ist in der Regel schneller als der Zugriff auf Speicher anderer Knoten, wodurch die Leistung von Speicher- und CPU-intensiven Anwendungen von der Speicherlokalität abhängt.

Die Anordnung der Knoten, ihre Konnektivität und die Bandbreite der Verbindungen bilden die NUMA-Topologie. Topologien können symmetrisch sein, bei denen alle Knoten gleiche Zugriffszeiten haben, oder asymmetrisch, mit unterschiedlichen Latenzen und Durchsätzen zwischen Knoten. Moderne Server unterstützen mehrere CPU-Sockets, wodurch komplexe Topologien entstehen.

Betriebssysteme und Virtualisierungsschichten implementieren NUMA-Policys, die bestimmen, wie Speicher allokiert wird. Optionen wie lokale Allokation, Interleave-Verteilung oder bevorzugte Platzierung beeinflussen Latenz und Durchsatz. Werkzeuge wie numactl, numastat und lstopo helfen bei Konfiguration, Monitoring und Visualisierung der Topologie.

Bei der Leistungsoptimierung profitieren NUMA-aware Scheduling, CPU-Pinning und speicherbewusste Anwendungsarchitektur. Insbesondere datenbank- und speicherintensive workloads zeigen verbesserte Skalierbarkeit, wenn Prozesse und Speicher lokal platziert werden. Virtualisierung unterstützt vNUMA, um Topologieinformationen innerhalb von VMs abzubilden.

Herausforderungen umfassen asymmetrische Topologien, Speicherknappheit, und die Notwendigkeit, Threads und Speicherzugriffe über Knoten hinweg zu minimieren, um Cross-Node-Traffic zu reduzieren. Das Verständnis der NUMA-Topologie ist daher ein wichtiger Bestandteil der Systemgestaltung und Leistungsoptimierung serverbasierter Anwendungen.