利用 IP 融合云計算基礎架構

數據中心工作負載和計算應用程序不斷從傳統數據中心遷移到超大規模數據中心。根據 Cisco 全球云指數 測算，“到 2021 年，94% 的工作負載和計算實(shí)例都將在云數據中心進(jìn)行處理”（圖 1）。雖然許多應用程序由超大規模的公共云運營(yíng)商托管，但許多關(guān)鍵任務(wù)工作負載和計算實(shí)例都是由私有超大規模數據中心托管的。預計從 2016 年到 2021 年，私有超大規模數據中心將以 11% 的復合年增長(cháng)率增長(cháng)。雖然大型云提供商開(kāi)發(fā)了定制的機架級系統，但私有云提供商通常采用融合基礎架構 (CI) 或超融合基礎架構 (HCI) 系統來(lái)提高效率并降低管理成本。CI 系統和 HCI 系統使私有云提供商能夠通過(guò)自動(dòng)化系統配置和控制、虛擬化計算、存儲和網(wǎng)絡(luò )操作，大規?？焖俨渴鹦孪到y。向 CI 和 HCI 系統的過(guò)渡正在影響半導體片上系統 (SoC) 供應商，促使他們對其服務(wù)器處理器、低延遲存儲固態(tài)硬盤(pán) (SSD) 和網(wǎng)絡(luò )交換機設計加以?xún)?yōu)化。對  CI 和 HCI 系統的需求推動(dòng)了一類(lèi)新型 SoC 架構的產(chǎn)生，這些架構需要最新的 IP 來(lái)執行產(chǎn)業(yè)功能，如 PCI Express (PCIe)、DDR5、緩存一致性、NVMExpress (NVMe) SSD 存儲和最高帶寬以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )。

圖 1：在傳統和云數據中心之間分配 Cisco 工作負載和計算實(shí)例1

CI 系統將計算、存儲、網(wǎng)絡(luò )和管理結合到同一套解決方案中，而不是作為不同的數據中心功能提供。功能全面的 CI 和 HCI 系統實(shí)現了整體管理的自動(dòng)化，使 IT 人員能夠專(zhuān)心管理應用程序，而不是基礎架構。預先集成的機架級系統降低了整體復雜性，以及集成和運營(yíng)成本。CI 和 HCI 可實(shí)現更快的系統部署、更輕松的互操作性和穩定的管理，同時(shí)還可減少培訓和技術(shù)支持的開(kāi)銷(xiāo)。為了滿(mǎn)足效率和性能要求，用于構建 CI 和 HCI 系統的 SoC 元件（如設計 IP）正在針對處理、內存性能和連接功能進(jìn)行優(yōu)化。

利用 NVMe SSD 和基于 PCIe 的加速器提高性能

基于服務(wù)器的 SSD 可以利用在 PCIe IP 接口上運行的 NVMe 協(xié)議直接連接到服務(wù)器 CPU，同時(shí)還能用作緩存加速器，極其快速地緩存頻繁訪(fǎng)問(wèn)的數據或“熱”數據。高性能的 NVMe SSD 利用極其高效的輸入/輸出操作和低讀取延遲特性在 PCIe 上運行，不僅提高了服務(wù)器的效率而且避免了通過(guò)外部存儲設備訪(fǎng)問(wèn)數據的必要性。在 PCIe 上運行、以實(shí)現服務(wù)器加速的 NVMe SSD 非常適合針對數據庫查詢(xún)的私有云的高處理量應用程序。

除了使用基于 PCIe 的 NVMe SSD 進(jìn)行數據庫加速外，CI 和 HCI 系統還使用 PCIe 交換機架構來(lái)加速人工智能 (AI) 應用的主機處理器。AI 服務(wù)器需要在處理器加速后才能滿(mǎn)足深度學(xué)習性能的需求。由于圖 2 所示基于 PCIe 的交換機架構帶來(lái)的低延遲特性，將主機處理器連接到 GPU 和基于硬件的加速器可對深度學(xué)習算法進(jìn)行優(yōu)化。對于需要緩存一致性的應用程序，基于 PCI Express 協(xié)議棧構建的加速器緩存一致性互連 (CCIX) 協(xié)議可在主機處理器和硬件加速器之間進(jìn)行高速連接。當前運行速率是 25 Gbps 且很快就提高為 32 Gbps 的 CCIX 通過(guò)定義命令，要求在更新內存時(shí)即更新系統中的所有組件，確保系統實(shí)現單個(gè)內存空間，從而減少復制的需求。CCIX 支持交換機拓撲、直連和網(wǎng)格連接。

圖 2：基于 PCIe 交換機架構的多主機 AI 服務(wù)器

利用高存儲性能優(yōu)化應用

經(jīng)過(guò)融合的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò )系統需要性能最高的 DRAM 解決方案才能在主機處理器上運行虛擬應用程序。整個(gè)行業(yè)正在從 DDR4 DRAM 過(guò)渡到新一代 DDR5 和 HBM2 DRAM。DDR5 解決方案能夠實(shí)現高達 4800 Mbps 的數據運行速率，從而能夠和每一個(gè)高達 80 位寬的通道的多個(gè)雙列直插式存儲模塊 (DIMM) 進(jìn)行連接，從而加快了深度學(xué)習等功能的工作負載速度。另外，DDR5 還具有可靠性、可用性和可維護性 (RAS) 功能，包括內聯(lián)或邊帶糾錯碼 (ECC)、奇偶校驗和數據循環(huán)冗余校驗 (CRC)，旨在縮短系統停機時(shí)間。與 DDR5/4 DRAM 相比，HBM2 是一種高效的解決方案，具有很高的帶寬且每比特數據的存取功耗最低。SoC 架構師會(huì )針對高帶寬應用選擇 HBM2 存儲器，針對大容量應用選擇 DDR5，或者針對需要高帶寬 HBM2 和大容量 DDR DRAM 的 AI 加速等應用結合使用這兩種存儲器類(lèi)型。

簡(jiǎn)化數據中心網(wǎng)絡(luò )

傳統的企業(yè)數據中心采用基于樹(shù)的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，其中包含交換式以太網(wǎng)和 VLAN 標記。這種拓撲結構僅定義了一條連接網(wǎng)絡(luò )的路徑，通常用于處理服務(wù)器之間的南北數據流量。私有云數據中心使用的 CI 和 HCI 系統采用扁平的雙層葉脊架構，具有25G、50G、100G 或 200G 以太網(wǎng)鏈路，使虛擬化服務(wù)器能夠在許多虛擬機之間分配工作流。最新 400G 八通道小型可插拔 (OSFP) 多模收發(fā)器（采用 8 條通道 56G PAM-4 PHY IP）通過(guò)提供多個(gè) 56G 葉脊鏈路，助力數據中心實(shí)現高達 400G 的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )拓撲。業(yè)界正計劃向 400G 以太網(wǎng)系統所采用的 112G PAM-4 以太網(wǎng)鏈路過(guò)渡，并且期待能夠過(guò)渡到 800G 以太網(wǎng)應用。

CI 和 HCI 系統可以使用軟件定義網(wǎng)絡(luò ) (SDN) 輕松管理網(wǎng)絡(luò )，將控制流與數據路徑分離，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化數據中心的網(wǎng)絡(luò )。OpenFlow 等通用軟件棧提供了全行業(yè)一致的軟件環(huán)境來(lái)控制 CI 和 HCI 系統。SoC 設計人員并非擁有專(zhuān)利軟件堆棧，而是在整個(gè)私有云數據中心內運行由 OpenFlow 管理的數據，使用戶(hù)可以非常輕松地（虛擬）配置網(wǎng)絡(luò )，無(wú)需實(shí)際訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )的硬件設備。

總結

CI 和 HCI 系統將超大規模數據中心的三個(gè)核心方面（計算、存儲和網(wǎng)絡(luò )）整合到同一套解決方案當中。它們取代了各種各樣經(jīng)常斷開(kāi)連接的系統和管理工具。隨著(zhù)企業(yè)數據中心不斷向私有云過(guò)渡，服務(wù)器和數據中心開(kāi)始利用虛擬化進(jìn)行整合，支持將越來(lái)越多的工作負載放在數量更少的物理服務(wù)器上運行。利用最新的行業(yè) IP 架構和接口協(xié)議進(jìn)行系統融合，從而對低延遲數據庫查詢(xún)和深度學(xué)習等應用加以?xún)?yōu)化。CI 和 HCI 系統的硬件在進(jìn)行集成時(shí)使用全新的一套優(yōu)化處理器、高級存儲器技術(shù) IP、IP 接口、NVMe SSD 和緩存一致性加速器。

為 CI 和 HCI 系統集成處理器 IP、高級存儲器 IP、連接 IP、NVMe 存儲以及緩存一致性加速器時(shí)，SoC 設計人員需要考慮成本、功耗、性能和開(kāi)發(fā)進(jìn)度等因素的技術(shù)權衡問(wèn)題。圖 3 展示了一個(gè)高級 AI 服務(wù)器 SoC，其中包含主機處理器、安全算法、系統內存、連接和加速器。

圖 3： AI 加速/服務(wù)器 SoC

Synopsys 提供種類(lèi)齊全、通過(guò)硅驗證的優(yōu)質(zhì) IP 產(chǎn)品組合，幫助設計人員開(kāi)發(fā)出面向云計算應用（支持 CI 和 HCI 系統）的 SoC。Synopsys DesignWare? 接口 IP、處理器 IP 和基礎 IP 在高性能、低延遲和低功耗方面都進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)支持 16 nm 至 7 nm FinFET 的先進(jìn)處理技術(shù)。