作者：Microchip Technology Inc. 頻率與授時系統業務部產品營銷經理David Chandler

利用原子鐘授時現已成為數據中心不可或缺的組成部分。目前，通過全球定位系統（GPS）和其他全球導航衛星系統（GNSS）網絡傳輸的原子鐘時間已使全球各地的服務器實現了同步，并且部署在各個數據中心的原子鐘可在傳輸時間不可用時保持同步。

無論是由于系統需求還是合規性，這種出色的同步性能都至關重要，可確保每年在全球范圍內收集的數據（以澤字節為單位）能夠得到有效存儲并用于許多應用。原子的量子性質可保持精確的時間，是確保未來能夠以更快的速度處理更多數據的關鍵所在，而具有諷刺意味的是，就在幾年前，原子的量子性質還被視為提升數據處理能力和速度的最大阻礙。

1965年，Gordon Moore預測集成電路上的晶體管數量每年翻一番。這一數字最終被修改為每兩年翻一番。隨著晶體管密度的增加，速度有了顯著提升，成本和功耗也不斷下降。

在1965年，人們可能很難想象，2021年時在一個半導體上布置500億個晶體管是一種現實需求，但正如半導體技術隨著時代不斷發展，應用需求也在不斷變化。手機、金融交易和DNA圖繪制等應用都非常依賴單片機每秒可執行的運算次數，而這一數字與芯片上的晶體管數量密切相關。

摩爾定律的消亡 遺憾的是，由于物理學限制，摩爾定律正在迅速走向終結。隨著晶圓生產工藝節點現已達到10納米以下，晶體管的大小僅為硅原子的10到50倍左右。在這個尺度上，原子和自由電子的大小以及量子特性顯著阻礙了晶體管大小的進一步縮減。從本質上講，可以將原子視作推翻這一定律的最終原因。

盡管摩爾定律終將消亡，但是，對提高處理能力的需求卻不斷增加。隨著物聯網（IoT）、信息流服務、社交媒體帖文和自動駕駛汽車的出現，每天產生的數據量會繼續呈指數增長。

據估計，2021年每天產生的數據量為2.5艾字節（2,882,303,761,517,120,000字節）。當前使用的艾字節數據庫每秒可處理超過10萬個事務（一個事務包含許多次運算），而在可預見的將來，數據庫的規模和每秒處理的事務數將持續增長。

同步機器
數據量的這種爆炸式增長，再加上數據必須達到的寫入、讀取、復制、分析、操作和備份速度，這些因素要求數據中心架構師找到一種能夠繞過摩爾定律終結的方法。對于采用分布式數據庫的數據中心，架構師采用了水平擴展方法，即將數據庫分布在一個集群中的多個服務器上，而不是整個數據庫駐留在一個服務器上。

在這種配置下，集群本質上用作一臺巨型機器，因此系統的大小和速度現在受到數據中心的外形尺寸而非原子大小的限制（接招吧，原子！）。

軟件工程師現在的職業是編寫能夠實現水平擴展的代碼。但是，要使各種軟件都正常工作，所有機器都必須同步，否則會違反因果關系的概念。

什么是因果關系？舉個最簡單的示例。假設您用兩臺攝像機來記錄100米短跑的圖像，每臺攝像機都有自己的內部時鐘。第一臺攝像機位于起跑器上。第二臺攝像機位于終點線上。兩個傳感器都在進行連續拍攝，并用各自時鐘的時間給每個圖像添加時間戳。

要確定比賽中獲勝的短跑選手的正式成績，將檢查第一臺攝像機的圖像以了解第一位選手離開起跑器時的時間點，然后用終點線上的攝像機圖像上該選手沖過終點線時的時間減去該時間戳。

要實現此目的，兩臺攝像機的同步精度必須都達到可接受的偏差水平。如果時鐘的同步精度只有±0.05秒，那么便無法確定成績為9.6秒的選手是否確實打破了9.58秒的世界紀錄。如果它們與體育場時鐘的同步精度只有±5秒怎么辦？

想象一下這樣的場景：從體育場的主時鐘觀察，一場比賽正好在下午12:00:00:00開始。第一位選手在下午12:00:09:60時沖過終點線。從體育場主時鐘的角度來看，正式比賽成績是9.6秒。

但是，如果第一臺攝像機的時鐘正好快5秒，而第二臺攝像機的時鐘正好慢5秒呢？比賽將在下午12:00:05:00正式開始，在下午12:00:04:60結束。比賽將在開始前0.4秒正式結束，這會打破世界紀錄并推翻物理定律，目前的紀錄保持者很有可能會不公正地遭到所有贊助商的棄用。

將因果關系應用于數據庫

同樣的因果關系原則在數據庫中也十分重要。事務記錄更新必須按照它們發生的順序出現在數據庫中。如果您期望在通過直接取款支付每月房貸之前直接存入自己的工資，而銀行的數據庫沒有按正確的順序記錄這些事務，那么您可能會被收取透支費。在一臺機器上，因果關系錯誤很容易防止，但在多個服務器上，每個服務器都有自己的內部時鐘，服務器必須同步并為每個事務加上時間戳。

要實現此目的，必須有一個服務器充當參考時鐘，就像體育場的時鐘，它必須采用最大程度減小每個服務器時鐘的時間誤差的方式，將時間分配給每個服務器。每個時間戳的偏差（比賽中為±5秒）形成一個時間包絡，其長度為時鐘偏差的兩倍（比賽中為10秒）。對于分布式數據庫，一秒內可以容納的非重疊時間包絡數量應當至少與系統預期的每秒事務數量大致相同。

概率、因果關系的關鍵性和實現成本最后都會在最終解決方案中發揮作用，但這種關系是一個很好的起點。時間戳偏差為±1毫秒的系統將具有2毫秒的時間包絡，一秒內最多可容納500個非重疊時間包絡。此系統可以支持每秒執行約500個事務。
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NTP和PTP的不足
以太網授時技術也稱為網絡時間協議（NTP）和精確時間協議（PTP），用于同步數據中心的分布式數據庫中的所有服務器。這些協議可以確保局域網能夠以亞毫秒（NTP）或亞微秒（PTP）的偏差來分配時間，從而支持每秒執行數千（NTP）或數百萬（PTP）個事務。

遺憾的是，即使憑借這些解決方案可以繞過原子帶來的摩爾定律消亡，物理學仍以光速的形式在分布式數據庫的道路上設置了另一個障礙。

試想一下，一個使用PTP進行準確同步的分布式數據庫在加州圣何塞運行，每秒可輕松執行100,000個事務，且不會產生任何因果關系問題。一位數據庫架構師正坐在自己位于紐約的辦公室里，他的老板要求他更新大量記錄。

這名架構師希望能夠充分利用其新數據庫并展示系統的能力。他計劃每秒執行100,000個事務。

為了根據請求更新記錄，他創建了一個簡單的事務，即僅當第一個記錄的值大于第二個記錄時，才會將第一個記錄的值與第二個記錄相加。如要達到這一目的，他必須對這兩個記錄發出讀取請求。然后，他在紐約的本地機器對這些值進行比較，然后在需要時向第二個記錄發送寫命令。

完成此操作后，他想要接著執行下一個事務，即將第三個值與新的總和進行比較。如果新的總和大于第三個記錄，那么將使用第三個記錄替換總和。他想對600萬條記錄重復此操作。由于數據庫每秒能夠處理100,000個事務，他認為此任務將在大約一分鐘內完成。他告訴老板，他將在五分鐘內更新記錄，然后離開去喝杯咖啡。

喝咖啡的時候，他讀到一個故事，內容是新的百米短跑成績是負0.4秒，這違背了物理定律，并且之前的紀錄保持者因為失去了所有的代言費正在起訴體育場負責人。架構師自顧自地笑了起來，認為體育場應該聘請他作為同步專家。

五分鐘后他回到辦公桌前，沮喪地發現他的數據庫更新只完成了不到1,500個事務。他難過地意識到自己的錯誤，并準備將自己的簡歷發給那個體育場，他希望他的PTP部署不會出現同樣的問題。

問題出在哪里？光速將紐約和圣何塞之間理論上最快的數據傳輸速度限制在13.7毫秒。

距離問題

遺憾的是，現實世界的事務處理速度甚至更慢。即使兩個地點之間有專用的光纖鏈路，光纖的折射率、光纖的實際路徑和其他系統問題也會延長傳輸時間。因此，僅僅從紐約傳輸一次，就需要40到50毫秒的時間才能到達圣何塞。

但是，此事務中有四個獨特的操作。有兩個可以同時發生的讀操作，隨后必須將它們發送回紐約。往返過程需要80到100毫秒。然后，在對兩個值進行比較后，就會發出寫操作，并且必須發回寫確認以指示寫操作已完成，然后才能開始下一個事務。

突然之間，數據庫每秒能否執行100,000個事務已無關緊要，因為距離將系統每秒的處理能力限制為不超過5個事務。要完成600萬個事務，此系統需要13天的時間，這樣便有足夠的時間再喝幾杯咖啡，甚至更新一份簡歷。這種延遲稱為通信延遲。

規避延遲
但就像摩爾定律一樣，數據庫架構師想出了規避延遲的方法。在用戶附近創建數據庫副本，這樣他們便可隨意使用數據，而不必將信號發送到全國各地。

定期比較和協調復制以確保一致性。在協調過程中，事務時間戳用于確定事務的實際順序，并且當存在不可協調的差異時（例如事務時間包絡重疊時），有時會回滾記錄。減少時鐘偏差可以減少復制的實例中不可協調的差異數量，因為時間包絡增多會減少重疊的概率。這可提高效率并降低數據損壞概率。

但現在，時間戳不僅在每個數據中心內部必須做到精確，在不同的數據中心之間也必須精確，這些數據中心可能相隔數千英里，并通過云相互連接。由于需要一個偏差極低且在兩個地點均可隨時獲得的外部參考，因此這項任務變得愈加困難。
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下至原子級別
此時，數據庫架構師以前的敵人“原子”登場。當原子忙于廢除摩爾定律時，其亞原子粒子卻在忙于自旋。原子核內的中子和質子一直在旋轉，而與此同時電子則一邊忙于圍繞原子核公轉，一邊自旋。這類似于地球在繞太陽公轉的同時自轉。

電子可以圍繞自身的軸順時針或逆時針自旋。考慮到人體內約有7*10^27（7后面有27個零）個原子，所有亞原子粒子都在我們體內自旋，令人驚訝的是我們并沒有一直頭暈目眩。（注：亞原子粒子并不是真的在忙著自旋和公轉，它們實際上是在忙著給我們提供概率波函數和磁相互作用，這會讓我們獲得類似于它們進行自旋和公轉時的結果。但是，如果想到所有的自旋會讓您頭暈目眩，那么試圖理解量子物理學的現實肯定會更令人厭惡。）

如果電子吸收特定精確頻率的微波輻射，繞電子軸的自旋方向會改變。如果地球上發生這種情況，太陽會突然從東方落下，從西方升起！

原子鐘這種機器專門用于檢測電子自旋狀態，然后通過微波輻射改變方向。頻率變化取決于元素、同位素和電子的激發態。

在機器確定頻率（即所謂的超精細躍遷頻率）后，便可將周期確定為頻率的倒數，這樣便可計算周期數來確定經過的時間。國際上對秒的定義是誘導銫原子軌道外層內電子的超精細躍遷所需的9,192,631,770個輻射周期。

原子鐘是世界上最穩定的商用時鐘。一副紙牌大小的原子鐘稱為芯片級原子鐘（CSAC），其24小時內的漂移為百萬分之一秒，而冰箱大小的原子鐘稱為氫微波激射器，其24小時內的漂移僅為十萬億分之一秒。巧合的是，十萬億分之一也大約是氫原子半徑與百米短跑選手和現已失業的紐約數據中心架構師身高的比值。

憑借這些原子鐘提供的精度，可以為在東京、倫敦、紐約、廷巴克圖或世界其他任何地方的數據中心運行的分布式數據庫提供大約50萬到500億個非重疊時間包絡。

時間的分配
時間如何從這些原子鐘到達所有數據中心？協調世界時（UTC）是通過衛星、光纖網絡甚至互聯網分配的全球時間。UTC本身源自位于世界各地的國家實驗室和授時站的一系列高精度原子鐘。UTC的提供組織會收到一份報告，其中載明了源自這些時鐘的UTC時間以及它們各自與計算出的UTC的偏移量。然后，這些實驗室和其他設施將時間傳送到世界各地。
UTC報告每月公布一次，告訴這些國家實驗室他們在上一個月與UTC的微小時間偏移量。從技術上講，直到事發一個月后，我們才知道準確的時間偏差。更糟糕的是，由于地球自轉和我們與可觀測恒星的相對位置的變化，UTC會定期增加額外的秒數，即躍遷秒。雖然這可使地球與宇宙保持一致，但它會引起數據中心和100米短跑成績的混亂。

GNSS登場
數據中心用來獲取UTC的常用方法有兩種：通過互聯網使用公開的NTP時間服務器，以及通過衛星使用GPS或GNSS網絡。雖然在分布式數據庫的早期部署期間，通過互聯網上的公共NTP時間服務器進行授時很常見，但固有的性能、可追溯性和安全問題已經促使人們放棄了這種解決方案。

盡管GPS和其他GNSS通常被視為定位和導航系統，但它們實際上是精確授時系統。接收器的位置和時間取決于信號以光速從多個衛星傳輸到接收器的傳輸時間。極具諷刺意味的是，這是物理學原理引發問題的又一個案例（此案例中是光速而不是原子），但也有助于解決問題。

這些衛星有自己的機載原子鐘，這些原子鐘與從地面站傳輸到衛星的UTC同步。利用這種方法獲取UTC可以提供5納秒范圍內的時間偏差，從而實現每秒1億個時間包絡。

這種方法比公共NTP服務器更可靠、更精確，雖然這些信號可能會被太陽風暴或蓄意的信號干擾等事件中斷，但在出現這些信號時，可以在每個單獨的數據中心放置與衛星信號同步的備份時鐘，以便在中斷期間提供所需的偏差水平。

下一步：躍遷電子
隨著未來對獲取、存儲和處理數據的需求不斷增加，我們需要具有極低偏差的新型原子鐘技術和時間傳輸系統。目前，國家授時實驗室正在開發一種新型原子鐘，用于研究電子躍過軌道層時發生的光學躍遷。這些原子鐘的頻率穩定性可達到萬億分之一赫茲，最終將用于重新定義秒這個單位。

通過專用光纖鏈路或機載激光器實現的信號傳輸已經顯著提高了傳輸精度。憑借這些不斷涌現的創新數據，原子和光將繼續它們之間復雜的愛恨交織關系，從而能夠以更快速度處理越來越多的數據，而不會出現一致性或因果關系問題。

審核編輯 黃宇