為什么下一代網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施需要智能芯片

LSI公司高級(jí)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(shù)據(jù)通信流量的爆炸式增長，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(shù)據(jù)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(jié)合在一起，大幅度優(yōu)化字節(jié)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(zhàn)之一是數(shù)據(jù)流差距：網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)容量需求每年增長30%至50%與IT預(yù)算每年增長5%至7%之間的差距?；谠频姆?wù)應(yīng)用的增長和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的消費(fèi)正在推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與云之間的數(shù)據(jù)通訊量成倍增長。由于數(shù)據(jù)流量的增長遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過支持它的基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)的增長，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)營者面臨很大的壓力以找到更智能的方法來改善性能。

云數(shù)據(jù)中心是采用現(xiàn)有的技術(shù)建立的，到目前為止通過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(jī)、處理器內(nèi)核和內(nèi)存等硬件。然而，這種方法成本高并且沒有持續(xù)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(yuǎn)遠(yuǎn)不能解決網(wǎng)絡(luò)延遲的問題。

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

智能網(wǎng)絡(luò)

日益采用多內(nèi)核的通用處理器在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中廣泛應(yīng)用。這些處理器驅(qū)動(dòng)交換機(jī)和路由器、防火墻和負(fù)載均衡器、廣域網(wǎng)加速器和VPN(虛擬專用網(wǎng))網(wǎng)關(guān)。然而，這些系統(tǒng)都不夠快，跟不上自己的數(shù)據(jù)流的速度。其基本原因是：通用處理器旨在專門用于以計(jì)算為中心的服務(wù)器級(jí)工作量，不是為處理在目前的和下一代基礎(chǔ)設(shè)施中以網(wǎng)絡(luò)為中心的工作量優(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(shù)據(jù)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(nèi)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(shù)據(jù)包檢測(cè)的包分類功能、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(qiáng)大，可以完成從通用處理器卸載的專用數(shù)據(jù)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(jì)算密集型工作量以加快為特定工作量優(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(shì)。

客戶化的智能芯片可以是想要通過集成自己的優(yōu)化建立獨(dú)特的競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商很好的選擇。例如，廠商專有的、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(shì)，包括用于優(yōu)化的基帶處理、深度數(shù)據(jù)包檢測(cè)和流量管理。這種水平的集成需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和半導(dǎo)體廠商之間的密切協(xié)作。

未來的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心中要克服的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是控制臺(tái)的伸縮性。要實(shí)現(xiàn)云規(guī)模的數(shù)據(jù)中心，控制臺(tái)需要按比例地增加或者縮小。采用傳統(tǒng)的按比例增加的方法，要部署額外的或者更強(qiáng)大的計(jì)算引擎、加速引擎或者同時(shí)部署這兩種設(shè)備幫助提高網(wǎng)絡(luò)控制臺(tái)的性能。

在新興的按比例縮小的架構(gòu)中，如軟件定義的網(wǎng)絡(luò)，控制臺(tái)與數(shù)據(jù)平面是分開的，并且一般是在標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器上運(yùn)行。在按比例增加或者減少的架構(gòu)中，把通用處理器與專用硬件加速引擎結(jié)合在一起的智能多核通訊處理器能夠顯著改善控制臺(tái)性能。數(shù)據(jù)包處理和流量管理等某些功能通常可以卸載到配置線路卡的通用通訊處理器。

雖然發(fā)布這個(gè)控制和數(shù)據(jù)平面的效率仍然是一個(gè)公開的問題，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(chǔ)

存儲(chǔ)方面的智能芯片還有助于消除數(shù)據(jù)流差距。存儲(chǔ)I/O的瓶頸存在于傳統(tǒng)硬盤盤片和執(zhí)行器臂以及從硬盤介質(zhì)傳送數(shù)據(jù)的速度限制之中，正如證據(jù)顯示的那樣，內(nèi)存(100納秒)和一流硬盤(10毫秒)之間的I/O(輸入/輸出)延遲相差5個(gè)數(shù)量級(jí)。

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

另一方面，以NAND閃存方式提供的固態(tài)存儲(chǔ)能夠特別有效地消除這個(gè)瓶頸，在與硬盤容量相當(dāng)?shù)那闆r下提供類似于內(nèi)存的高速I/O。在這方面，智能芯片提供高級(jí)的損耗調(diào)整(wear-leveling)、無用單元收集和獨(dú)特的減少數(shù)據(jù)的技術(shù)以改善閃存的耐用性和增強(qiáng)用于RAID式的數(shù)據(jù)保護(hù)的糾錯(cuò)算法。如圖所示，閃存有助于消除DRAM內(nèi)存與硬盤之間的容量與延遲的差距。

當(dāng)閃存緩存加速卡直接安裝在服務(wù)器PCIe總線上的時(shí)候，固態(tài)存儲(chǔ)一般可提供最高水平的增強(qiáng)性能。嵌入式或者基于托管的智能緩存軟件用于把“熱數(shù)據(jù)”放在閃存內(nèi)存中，在那里以20微秒的速度處理這些數(shù)據(jù)。這個(gè)速度比一流硬盤的2800毫秒快140倍。一些這種類型的卡支持多TB容量的固態(tài)硬盤存儲(chǔ)。目前的新一類解決方案還提供內(nèi)部閃存和SAS(串行SCSI)接口把高性能固態(tài)硬盤與RAID硬盤存儲(chǔ)結(jié)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(chǔ))和SAN(存儲(chǔ)局域網(wǎng))環(huán)境中把數(shù)據(jù)庫應(yīng)用級(jí)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(dǎo)體廠商的觀點(diǎn)，系統(tǒng)廠商就沒有希望消除數(shù)據(jù)流的差距。