ARM 架构 JuiceFS 性能优化：基于 MLPerf 的实践与调优

随着国产芯片与 ARM 生态的快速发展，如何在 ARM 平台上构建高性能存储基础设施成为技术焦点。Linaro 是一个专注于 Arm 生态和开源软件的国际化技术组织，联合产业链上下游厂商解决共性问题，并协助企业客户在开源基础上完成产品化落地。Linaro 团队在 MLPerf Storage 测试中，对 JuiceFS 社区版（元数据采用 Redis）进行了系统压测，覆盖多种典型机器学习训练负载。
测试结果显示，系统性能在很大程度上受内存带宽和元数据访问效率影响，JuiceFS 的吞吐能力直接决定 GPU 利用率及训练效率。通过 UNet3D、ResNet-50 和 CosmoFlow 等负载的测试，分析发现：单机场景下，GPU 利用率主要受内存拷贝延迟限制；在双机或多机场景下，元数据访问和节点间同步成为主要瓶颈。文章同时提供了针对这些瓶颈的调优思路与实践结果。
总体来看，大规模 AI 训练性能调优是一个系统工程，需要从存储系统、内存带宽、CPU 调度、缓存策略等多方面协同优化，才能在 ARM 平台上实现高效的深度学习训练数据供给。
01 Arm64 与 x86_64 架构差异与并发特性概述

相比 x86，Arm 的应用范围不断扩大，已从移动端延伸至 IoT、可穿戴设备、PC、汽车和服务器，其高能效比（performance per watt）是广泛采用的关键原因。
从架构设计上看，Arm 属于 RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机），x86 属于 CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）。这种设计差异也影响了处理器的执行方式。Arm64 的指令长度固定为 4 字节，而 x86 指令长度可变，大约在 1–15 字节 之间，因此 x86 往往需要更复杂的译码器。相比之下，Arm 的指令更简洁，也更依赖编译器和代码生成阶段对指令的有效组织，所以需要更长的编译时间。
从工程师可感知的角度来看，还有一些架构差异会直接影响程序行为。很多在 x86 上看起来符合直觉的代码，在 Arm 上未必如此，后面要讲到的几个容易踩坑的点，基本都与这些底层差异有关。
其中一个典型问题是原子操作对地址对齐有要求。无论是 LL/SC（Load-Link/Store-Conditional），还是 LSE（Large System Extensions），在执行原子加减等读改写操作时，通常都要求访问地址满足对齐条件。较新的 LSE2 对这一限制有所放宽，开始支持 16-byte window 内的非对齐访问。数据对齐对于 x86 来说不是必须的，但保持良好对齐有助于提升性能。参考文档: Arm Architecture Reference Manual for A-profile architecture
另一个需要重点关注的特点是，Arm 采用的是弱内存序模型（weakly ordered / relaxed memory model），差别体现在对内存访问顺序的约束强弱不同。在多线程场景下，同样的读写操作，在 x86 上通常更容易表现为接近程序书写顺序，而在 Arm 上则允许更多重排序，因此其他线程观察到的读写顺序可能与源码顺序不一致。在 Arm 上出现的异常需要特别考虑内存序的影响。更多细节可参考 Arm 白皮书：Synchronization Overview and Case Study on Arm Architecture。
02 JuiceFS 与 MLPerf 概述

JuiceFS 是一款开源高性能分布式文件系统，基于对象存储构建，在充分利用对象存储低成本优势的同时，提供接近传统文件系统的使用体验。它支持 POSIX、HDFS SDK、Python SDK 以及 S3 兼容接口，并能适配不同类型的应用和数据处理框架；同时支持云原生扩展、数据安全与压缩，可广泛应用于 AI 训练、推理、大数据处理等场景。

为评估 JuiceFS 在 AI 训练等高负载场景下的数据供给能力，可采用 MLPerf Storage 基准测试。该测试由 MLCommons 开发，重点衡量存储系统能否持续高效向计算侧提供数据。
2.0 版本将测试分为训练负载和检查点负载两类，其中训练负载包括 3D U-Net、ResNet-50 和 CosmoFlow，三者在样本大小和访问特征上存在显著差异，并设置了最低 GPU 利用率要求：3D U-Net 与 ResNet-50 为 90%，CosmoFlow 为 70%。

在测试流程中，数据首先从存储系统读入主机内存，再进入计算阶段。训练耗时由模拟方式复现，以模拟真实训练场景的数据流，从而无需实际部署 GPU，降低实验门槛并提升操作便利性。

03 MLPerf Storage v2.0 测试原理与调优

在介绍具体的模型测试结果之前，需要先了解分布式训练的数据访问原理，有助于读者明白 GPU 利用率、存储吞吐和性能瓶颈的成因，从而更好地理解后续的测试结果和调优策略。
分布式机器学习通常采用数据并行方式，即多个并行进程共享同一数据集，每个进程分别负责读取和处理对应的训练批次。

MLPerf Storage 的训练测试也遵循这一思路，每个训练进程按批次从存储系统读取数据，并通过模拟计算来评估存储系统的持续供数能力。

为了理解测试中性能表现的来源，还需要理解 JuiceFS 客户端的数据处理链路。使用 JuiceFS 进行测试时，如图所示，其执行流程大致可分为三部分。

• 左侧：应用侧 I/O 线程，例如 fio 或 MLPerf Storage 的 DataLoader 线程，负责发起 read/write 请求并等待请求完成。
  
• 中间：FUSE 守护进程中的请求处理主 goroutine，负责接收并处理来自内核态的 FUSE 请求，将文件数据放入内存缓冲区和缓存，并触发后端元数据与对象存储访问。
  
• 右侧：Meta client 和 ObjectStore client 的异步 goroutine，负责与后端 MetaDB 和 ObjectStore 集群进行数据与元数据交互。
  

从性能分析的角度看，这条链路需要重点关注两类问题。第一类是数据拷贝，对应图中的 2.1、3、4、5、6 等步骤，这些位置都会带来额外的内存复制开销，因此往往是分析延迟和 CPU 开销时的重点。
第二类是同步与异步边界。从图中可以看出，1、2、3、4、5、6 这些步骤总体属于同步路径，也就是请求发起后，需要等待当前阶段完成才能继续向下推进；而 7 属于异步路径，由后台 goroutine 负责与后端存储交互。
测试 1：Unet 3d

在这个测试中，样本为 146 MiB 的图像文件，我们主要关注大块数据的读取性能。测试结果显示：

• 单机环境下最高可稳定运行 5 块 GPU，GPU 利用率约为 50%，
  
• 而双机场景可支持 10 块 GPU，GPU 利用率同样约为 50%。
  

为了提升数据读取效率，对训练参数进行了优化：将 reader 并发线程数从 4 调整为 16，以加快数据生成速度，并将数据读取方式改为 direct I/O，以减少缓冲区和内存拷贝开销。
业务指标显示，当单机挂载 6 块 GPU 时，GPU 利用率仅为 83%，对应带宽约为 15.1 GB/s，未达到预期的高利用率目标。进一步使用 FIO 对存储侧进行测试后发现，其带宽同样约为 15.1 GB/s，说明此时系统瓶颈已经落在 JuiceFS 客户端带宽 上，而不是 GPU 计算侧本身。
优化分析 1：绑定 CPU

为了深入分析客户端带宽受限的原因，我们对进程进行了 CPU 绑定，将其固定在 CPU1（NUMA 2、3 节点）运行。通过工具观察，48 个 CPU 核心几乎全部占满，进一步分析 top-down、memory 和 miss 指标发现，系统表现出明显 Memory Bound，主要耗时集中在内存拷贝上。这说明，在 CPU 绑定场景下，JuiceFS 性能瓶颈主要来自 CPU 处理能力和跨 NUMA 节点内存拷贝带来的额外延迟。
优化分析 2： 不进行 CPU 绑定

为了理解系统在更通用条件下的带宽限制，我们进一步观察了不绑定 CPU 的情况。通过观察可以看到，CPU 并未被完全用满，但 devkit tuner numafast 指标显示，系统中的 remote 内存访问比例高达约 80%。这意味着，大量内存访问已经跨越本地 NUMA 节点，甚至可能跨越 CPU socket，从而引入了显著的带宽损失和访问时延。
从硬件带宽特性看，跨片内存访问本身就存在明显限制。例如，在 Arm 平台上，跨 socket 的理论物理带宽约为 60 GB/s；进一步通过实测，跨片 copy 带宽在 Arm1 上约为 48 GB/s，而在两组 x86 平台上分别约为 37 GB/s 和 28 GB/s。
这说明，在不绑定 CPU 的情况下，虽然计算核表面上没有被完全耗尽，但大量跨节点、跨 socket 的远端内存访问已经成为新的主要开销来源。因此，可以推测，此时 JuiceFS 带宽无法继续提升，很可能并不是单纯受限于 CPU 算力，而是受限于跨片内存访问的带宽与时延。换言之，系统瓶颈已经从“本地 CPU 忙不过来”转移为“远端内存访问代价过高”。
综合来看，在两种场景下，JuiceFS 带宽无法提升的原因并不相同：

• 绑定 CPU 时，主要受限于 CPU 资源消耗以及大量内存拷贝带来的访问开销；
  
• 不绑定 CPU 时，主要受限于高比例 非本地内存访问，尤其可能是跨 socket 访问带来的带宽和时延损失。
  

测试 2：Resnet50

ResNet-50 测试的单个样本较小，单个样本大小约为 150 KiB，每个 batch 包含 400 个样本，每个 batch 的总数据量约 58.5 MiB。本次 I/O 测试关注 GPU 高并发下的数据加载效率及训练吞吐。测试显示系统可在大规模 GPU 下维持较高利用率：

• 单机：50 块 GPU，GPU 利用率 95%，带宽约 9.2 GB/s
  
• 双机：96 块 GPU，GPU 利用率 90%，带宽约 16.9 GB/s
  

在测试过程中，我们将关键参数 reader.read_threads 从 8 调整为 1，对于该模型（中等大小的图像模型），单线程即可满足数据供给需求。
优化分析 1： 单机性能瓶颈与内存带宽影响

在单机配置 55 块 GPU 时，GPU 利用率下降至 86%，带宽仍为 9.2 GB/s，表明系统瓶颈已转移至 JuiceFS 客户端带宽。
进一步分析发现，ResNet-50 测试采用 Buffer I/O 模式，除了读取数据外，处理数据集时的 内存拷贝会消耗一部分内存带宽。
系统内存拷贝带宽受内存通道数、内存频率及 CPU 频率影响。通过对多台配置不同的机器进行 stream 测试，得到的单机顺序读带宽与系统内存带宽测得的可比带宽一致，表明读数据吞吐能力在很大程度上取决于系统内存带宽。对于需要高吞吐、高 GPU 利用率的训练任务，建议优先选择内存带宽较高的机型，可显著提升数据供给能力和训练效率。
单 CPU 内存拷贝带宽数据JuiceFS 单机部署读带宽Arm3Arm3: 171 GB/s25.3 GiB/sArm2114 GB/s21.6 GiB/sArm1106 GB/s18.3 GiB/sx86290 GB/s17.9 GiB/sx86182 GB/s16.6 GiB/s优化分析 2：双机扩展瓶颈与分布式限制

在多节点部署中，除了单机性能限制外，跨节点内存访问、网络传输和元数据延迟会成为新的瓶颈，因此在单机分析之后进行双机测试，有助于识别这些分布式约束并指导系统优化。
在双机场景下，理论上可以支持 100 块 GPU，但实际测试中只能达到 96 块 GPU。通过分析发现，每个操作的读取延迟有所增加。尽管文件数据已缓存在本地盘上，元数据访问延迟仍然成为主要限制因素。
为解决这一问题，对系统进行了多方面优化：

• 将 CPU 核心分组，保证训练线程与 I/O 线程在同一 NUMA 节点上运行。
  
• 将纯数据处理和元数据访问分别分配到不同 CPU 核心和存储路径上。
  
• 调整 Redis 缓存和本地缓存策略，减少高并发访问元数据时的延迟。
  

经过上述调优后，双机场景能够稳定支撑 100 块 GPU 运行，GPU 利用率达到预期水平。
测试 3：cosmoflow

与之前的模型相比，这个模型的单样本数据量更小，这也意味着对 I/O 和元数据访问的要求更高。在单机和双机场景下，CosmoFlow 测试显示：

• 单机：最高稳定 10 块 GPU（偶尔可撑到 12 块 GPU），GPU 利用率约 75%，带宽约 5.6 GB/s
  
• 关键参数调整：将 reader.read_threads 从 4 调整为 1，每次读取 batch 数据量为 2 MiB，单线程即可满足数据供给需求。
  

优化分析 1：单机瓶颈：内存拷贝限制 GPU 利用率

当尝试增加 GPU 数量超过 10 块时，发现 GPU 利用率下降。分析日志和性能数据后发现：

• 数据读取时间增加，而元数据访问延迟变化不大。
  
• 文件数据已缓存在本地盘上，磁盘队列未满，延迟也不高，因此瓶颈不在存储设备。
  
• 使用性能分析工具观察发现，关键瓶颈操作主要集中在 内存拷贝（memcopy），数据读取流程中多次拷贝操作的延迟累积，导致整体读取时间增加。
  

由此推测，当系统使用更多内存带宽时，内存拷贝延迟成为限制读取性能和 GPU 利用率的主要因素。
优化分析 2：双机瓶颈：分布式同步与元数据延迟

在双机场景下，尝试 20 块 GPU 时，第一轮测试 GPU 利用率明显偏低。进一步分析发现：

• 一台机器已开始训练，而另一台机器仍在进行 Dataset 预处理，包括读取文件列表和分片操作。
  
• 由于 CosmoFlow 数据量较大，高索引文件的读取耗时较长，导致两台机器未能同步开始训练，第一轮 GPU 利用率下降。
  

为解决该问题，在代码中加入同步机制，确保所有节点在开始训练前完成 Dataset 预处理。经过该调整后，双机测试能够稳定支撑 20 块 GPU，GPU 利用率达到预期水平。
04 总结

首先，MLPerf Storage 通过不同样本、文件和 batch 大小的组合，考察文件系统的各项能力，包括大中小块顺序读能力、文件并发性能、总读带宽、元数据访问时延、文件读取时延以及文件操作的稳定性。在只读文件场景下，充分利用高速近端缓存（包括原数据和元数据缓存）可以显著提升读取性能。需要注意，文件越小，对 IOPS 和延迟的要求越高。
其次，我们发现系统的内存和带宽对性能影响显著。在 Memory copy 密集型的应用中，内存拷贝不仅消耗内存带宽，同时也占用 CPU，表面上会出现“CPU 忙”的假象，实际上 CPU 大部分时间是在等待数据。测试结果显示，系统内存带宽对 JuiceFS 的吞吐能力有决定性影响，这也为选择服务器提供了参考标准：内存带宽越高的系统，其存储吞吐性能也越好。
第三，Go 运行时对 NUMA 的感知有限，对于大规模 CPU 核心运行场景，性能可能不如小规模核心运行。对于多 NUMA 系统，应尽量避免跨 NUMA，尤其是跨 CPU socket 的访问，因为跨 socket 内存带宽通常较低（约几十 GB/s），会增加延迟并影响整体性能。因此，实际部署时只需要分配足够的 CPU 核心即可，无需过度使用全部核心，以避免额外的内存访问延迟。
第四，在系统层面还有一些潜在优化点。例如，对于 Memory copy 密集的操作，部分 Arm 新系统提供了针对内存访问的指令优化，我们与 Arm 社区合作，将配置提升推送到社区中，新系统可以显著提升内存拷贝效率，在部分场景中带宽提升可达数十个百分点。
此外，对于涉及大量内核与用户态交互的操作，例如文件读写和元数据处理，可以通过优化用户态与内核态的交互，减少不必要的调用次数，从而降低延迟。实践中也发现，将文件处理尽量集中在同一生产节点内，避免跨 NUMA 或跨 socket 的访问，可以进一步提升性能和稳定性。
最后，系统配置优化也体现在缓存策略上。例如，在单机高负载场景下，通过调整 JuiceFS 的内存缓存策略，减少无效内存带宽占用，可以有效提高 GPU 利用率和存储吞吐。整体来看，MLPerf Storage Benchmark 是一个系统工程，需要文件系统、内存带宽、CPU 调度和缓存策略等多方面配合，才能达到最优性能。

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