為什么下一代網(wǎng)絡(luò )基礎設施需要智能芯片

LSI公司高級副總裁兼網(wǎng)絡(luò )解決方案事業(yè)部總經(jīng)理吉姆·安德遜(Jim Anderson)在美國《網(wǎng)絡(luò )世界》網(wǎng)站上撰文指出，考慮到數據通信流量的爆炸式增長(cháng)，摩爾定律不足以跟上更快的網(wǎng)絡(luò )速度需求的步伐。因此，需要更智能的芯片和軟件方法。

加快移動(dòng)和數據中心網(wǎng)絡(luò )速度的最佳方法之一是把通用處理器與智能芯片加速器引擎結合在一起，大幅度優(yōu)化字節優(yōu)先次序的方式，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )性能和基于云的服務(wù)。

這個(gè)行業(yè)面臨的基本挑戰之一是數據流差距：網(wǎng)絡(luò )和存儲容量需求每年增長(cháng)30%至50%與IT預算每年增長(cháng)5%至7%之間的差距?；谠频姆?wù)應用的增長(cháng)和數據存儲的消費正在推動(dòng)網(wǎng)絡(luò )與云之間的數據通訊量成倍增長(cháng)。由于數據流量的增長(cháng)遠遠超過(guò)支持它的基礎設施的建設的增長(cháng)，網(wǎng)絡(luò )經(jīng)營(yíng)者面臨很大的壓力以找到更智能的方法來(lái)改善性能。

云數據中心是采用現有的技術(shù)建立的，到目前為止通過(guò)蠻力成功地改善了性能。所謂蠻力就是增加服務(wù)器、交換機、處理器內核和內存等硬件。然而，這種方法成本高并且沒(méi)有持續性，增加了硬件成本和占地面積以及冷卻和電源需求，并且遠遠不能解決網(wǎng)絡(luò )延遲的問(wèn)題。

以智能芯片的方式增加智能可以?xún)?yōu)化處理在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )和數據中心網(wǎng)絡(luò )上傳送的數據包。特別是智能芯片能夠讓下一代網(wǎng)絡(luò )理解數據的臨界性，然后以?xún)?yōu)化的方式操作、按優(yōu)先次序排列數據和路由數據，從而減少整個(gè)流量和加快傳送重要的數字信息，如用于語(yǔ)音和視頻的實(shí)時(shí)數據。

智能網(wǎng)絡(luò )

日益采用多內核的通用處理器在網(wǎng)絡(luò )基礎設施中廣泛應用。這些處理器驅動(dòng)交換機和路由器、防火墻和負載均衡器、廣域網(wǎng)加速器和VPN(虛擬專(zhuān)用網(wǎng))網(wǎng)關(guān)。然而，這些系統都不夠快，跟不上自己的數據流的速度。其基本原因是：通用處理器旨在專(zhuān)門(mén)用于以計算為中心的服務(wù)器級工作量，不是為處理在目前的和下一代基礎設施中以網(wǎng)絡(luò )為中心的工作量?jì)?yōu)化的。

然而，智能芯片能加快實(shí)時(shí)工作量的吞吐量，如高性能數據包處理，同時(shí)保證不斷變化的通訊流量需求的不變的性能。

智能芯片一般配置通用處理器的多個(gè)內核并且配置用于通訊網(wǎng)絡(luò )功能的多個(gè)加速引擎，如用于深度數據包檢測的包分類(lèi)功能、安全處理和流量管理等網(wǎng)絡(luò )功能。一些加速引擎足夠強大，可以完成從通用處理器卸載的專(zhuān)用數據包處理任務(wù)，使它能夠完全在快速通道加速器中完成交換、路由和其它網(wǎng)絡(luò )任務(wù)，極大地改善網(wǎng)絡(luò )性能。卸載計算密集型工作量以加快為特定工作量?jì)?yōu)化的加速引擎。這種做法可以提供通用處理器的每瓦性能的巨大優(yōu)勢。

客戶(hù)化的智能芯片可以是想要通過(guò)集成自己的優(yōu)化建立獨特的競爭優(yōu)勢的網(wǎng)絡(luò )設備廠(chǎng)商很好的選擇。例如，廠(chǎng)商專(zhuān)有的、差異化的智能資產(chǎn)可以集成到芯片中，提供領(lǐng)先于通用處理器的優(yōu)勢，包括用于優(yōu)化的基帶處理、深度數據包檢測和流量管理。這種水平的集成需要網(wǎng)絡(luò )設備和半導體廠(chǎng)商之間的密切協(xié)作。

未來(lái)的數據中心網(wǎng)絡(luò )需要速度更快和更平坦，因此，比以前更智能。在虛擬化的大型數據中心中要克服的關(guān)鍵挑戰之一是控制臺的伸縮性。要實(shí)現云規模的數據中心，控制臺需要按比例地增加或者縮小。采用傳統的按比例增加的方法，要部署額外的或者更強大的計算引擎、加速引擎或者同時(shí)部署這兩種設備幫助提高網(wǎng)絡(luò )控制臺的性能。

在新興的按比例縮小的架構中，如軟件定義的網(wǎng)絡(luò )，控制臺與數據平面是分開(kāi)的，并且一般是在標準的服務(wù)器上運行。在按比例增加或者減少的架構中，把通用處理器與專(zhuān)用硬件加速引擎結合在一起的智能多核通訊處理器能夠顯著(zhù)改善控制臺性能。數據包處理和流量管理等某些功能通?？梢孕遁d到配置線(xiàn)路卡的通用通訊處理器。

雖然發(fā)布這個(gè)控制和數據平面的效率仍然是一個(gè)公開(kāi)的問(wèn)題，但是，明顯的事情是軟件定義的網(wǎng)絡(luò )需要智能芯片提供其承諾的伸縮性性能。

智能存儲

存儲方面的智能芯片還有助于消除數據流差距。存儲I/O的瓶頸存在于傳統硬盤(pán)盤(pán)片和執行器臂以及從硬盤(pán)介質(zhì)傳送數據的速度限制之中，正如證據顯示的那樣，內存(100納秒)和一流硬盤(pán)(10毫秒)之間的I/O(輸入/輸出)延遲相差5個(gè)數量級。

另一個(gè)限制是傳統的緩存系統能夠支持的內存數量(按GB衡量)只是一個(gè)硬盤(pán)容量(按TB衡量)的很小一部分。這兩個(gè)產(chǎn)品沒(méi)有提供改善性能的空間，只是在緩存設備中增加了若干GB的DRAM內存或者更多的轉速更快的硬盤(pán)。

另一方面，以NAND閃存方式提供的固態(tài)存儲能夠特別有效地消除這個(gè)瓶頸，在與硬盤(pán)容量相當的情況下提供類(lèi)似于內存的高速I(mǎi)/O。在這方面，智能芯片提供高級的損耗調整(wear-leveling)、無(wú)用單元收集和獨特的減少數據的技術(shù)以改善閃存的耐用性和增強用于RAID式的數據保護的糾錯算法。如圖所示，閃存有助于消除DRAM內存與硬盤(pán)之間的容量與延遲的差距。

當閃存緩存加速卡直接安裝在服務(wù)器PCIe總線(xiàn)上的時(shí)候，固態(tài)存儲一般可提供最高水平的增強性能。嵌入式或者基于托管的智能緩存軟件用于把“熱數據”放在閃存內存中，在那里以20微秒的速度處理這些數據。這個(gè)速度比一流硬盤(pán)的2800毫秒快140倍。一些這種類(lèi)型的卡支持多TB容量的固態(tài)硬盤(pán)存儲。目前的新一類(lèi)解決方案還提供內部閃存和SAS(串行SCSI)接口把高性能固態(tài)硬盤(pán)與RAID硬盤(pán)存儲結合在一起。一個(gè)基于PCIe的閃存加速卡能夠在DAS(直接附加存儲)和SAN(存儲局域網(wǎng))環(huán)境中把數據庫應用級性能提高5至10倍。

智能芯片是這些解決方案的核心。因此，不深入了解半導體廠(chǎng)商的觀(guān)點(diǎn)，系統廠(chǎng)商就沒(méi)有希望消除數據流的差距。