云技術(shù)中的高速連接器電源設(shè)計挑戰(zhàn)

摘要已經(jīng)大規(guī)模普遍使用的互聯(lián)網(wǎng)增加云服務(wù)（例如：蘋果 iCloud）以后，數(shù)據(jù)中心的純計算與存儲要求正經(jīng)歷史無前例的增長。這種增長直接影響到了能耗。隨著它的不斷增長，工程師們也正在尋找控制功耗的解決方案。由于聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所使用的連接器傳輸速度超出了每秒 10Gb (Gbps)，因此，本文中我們將專門研究連接器功率預(yù)算，以及降低這些高速通道功耗的解決方案。引言今天，毫無疑問互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸正迅速增長。思科公司的最新（2011年6月）視覺網(wǎng)絡(luò)指數(shù) (VNI) 預(yù)測報告清楚地顯示了這一趨勢，其預(yù)測興趣點為移動空間的增長情況（請參見圖 1）。 “云”計算與存儲引入以后，在這種新穎模式的推動下，帶寬消耗越來越大。移動用戶從簡單的文本數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)向高清照片和視頻傳輸，用戶迫切需要將這些內(nèi)容復(fù)制到云存儲，將視頻轉(zhuǎn)碼發(fā)布，并將多媒體數(shù)據(jù)復(fù)制到各種各樣的設(shè)備中（更不必說在社交網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布）。這種性能壓力最終要求提高處理和通信能力。圖12010-2015 年互聯(lián)網(wǎng)帶寬趨勢但是，這些增長是有代價的——不僅僅是費用，還包括功耗方面。新一代服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計人員已經(jīng)在同功耗做斗爭——在購置成本 (CoO) 和實用熱設(shè)計兩方面。怎樣構(gòu)建系統(tǒng)才能既提高性能又降低功率呢？在信息爆炸式增長的時代，這是一場永無止境的戰(zhàn)斗。首先研究什么同所有系統(tǒng)設(shè)計一樣，新一代服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)首先應(yīng)提高性能。在云計算架構(gòu)中，服務(wù)通常會隨加載變化而變化。已不再是一臺“服務(wù)器”，而是一種離散式硬件設(shè)備。在大多數(shù)情況下，提供服務(wù)的實際硬件可以放置在服務(wù)提供商基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)部的任何地方，其位置具有“不確定性”，隨時變化。這種性能提升被稱為軟件框架內(nèi)的服務(wù)“虛擬化”或者封裝，其允許服務(wù)在硬件主機之間自由移動。這樣便讓服務(wù)提供商可以根據(jù)需求改變資源，從而降低基礎(chǔ)設(shè)施的功耗。由于服務(wù)得到控制，就有了大量的“機器到機器”（M2M）活動。在大多數(shù)數(shù)據(jù)中心，大多數(shù)數(shù)據(jù)傳輸都在機器之間進(jìn)行，而不用連接外部世界。虛擬化的加入，推動了從1 Gbps連接（許多老舊服務(wù)器上的標(biāo)準(zhǔn)）轉(zhuǎn)向 10 Gbps 連接的需求。今天，這種需求正推動轉(zhuǎn)向使用 25 Gbps 連接。這些連線中的許多長度不到5米，而大多數(shù)的長度都在 1 米以內(nèi)。出現(xiàn)這種情況的原因是服務(wù)器集群的構(gòu)架。單個機架會放置許多刀片式服務(wù)器，其連接至機架頂部（或者底部）的開關(guān)。機架成行放置，通過集線器整合，然后將信息發(fā)送至其他服務(wù)器行或者網(wǎng)絡(luò)存儲器。使用 1Gb 連接時，小型標(biāo)準(zhǔn)線可以在信號完整性丟失相當(dāng)小的情況下輕松傳輸數(shù)據(jù)。這很重要，原因是：1）由于線路阻塞氣流外流使服務(wù)器以外的氣流減少；2）決定你在機架中能夠布置多少條連線的彎曲半徑（參見圖2）。圖2機架內(nèi)部布線轉(zhuǎn)向使用10G以太網(wǎng)以后，信號完整性問題更加突出，無源線纜開始使用更大標(biāo)準(zhǔn)線來補償。氣流/彎曲半徑問題開始顯現(xiàn)，安裝人員/設(shè)計人員開始想要使用光纖連接來解決這個問題。轉(zhuǎn)向使用光纖帶來了一些問題，例如：高成本和高功耗等。典型單個 10G 以太網(wǎng)SFP+模塊的功耗為 1 瓦左右。使用數(shù)以萬計的端口時，光纖連接的功耗需求量便急劇增加，并且功耗增加帶來的一些問題也隨之出現(xiàn)（機架溫度上升）。線纜連接問題如果用于高速連接的無源線纜受到體積龐大和彎曲半徑問題的困擾，則光纖解決方案的問題便是高功耗和高成本?？雌饋恚坪醣仨毷褂靡环N折中辦法來解決這個問題。答案就是一種被稱作“有源銅線”的技術(shù)—這是一個聰明的想法，其將一些有源元件嵌入到導(dǎo)體外殼中，以對由小標(biāo)號線引起的高頻損耗進(jìn)行補償。這種解決方案允許使用一些具有“光纖型”彎曲半徑和大體積且功耗較高的小標(biāo)號線。如 DS100BR111 等設(shè)備使用 10 Gbps時每條通道的功耗一般低于 65 mW，其常用于 SFP+ 有源線應(yīng)用。應(yīng)用于 10 Gbps 以太網(wǎng)時，大多數(shù)情況下這種能夠提高線纜信號完整性的技術(shù)僅限于 15 米以下的連線長度。但是，如前所述，大多數(shù)連接線都在 3 米以下，可輕松地使用有源銅線替換無源或者光纖線。今天，這種方法常用于 10 Gbps 連接。但是，未來正快步向我們走來，即使是 10 Gbps 連接也將無法滿足需求。在光纖連接世界里，基本上有兩種連接：1）短距離連接（小于 1000 米）；2）遠(yuǎn)距離（大于 1000 米）通信。更長的光纖連接形成我們現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的骨干網(wǎng)絡(luò)，常使用 100 Gbps WDM 光纖技術(shù)。為了降低這種技術(shù)的成本，包括Google、博科通訊 (Brocade Communications)、JDSU 等在內(nèi)的各大公司，于 2011 年 3 月批準(zhǔn)了一個 10 x 10 Gbps 多源協(xié)議 (MSA)，用于物理媒介依賴 (PMD) 子層，其為 C 形狀系數(shù) (CFP) 模塊提供一種通用架構(gòu)。CFP 連接器適用于要求 100 Gbps 通信的低數(shù)目/長距離連接。但是，SFP 和四通道SPF接口 (QSFP) 連接器擁有更高的密度，本地開關(guān)和路由器均要求這種高密度。今天，通過組合四條 10 Gbps 數(shù)據(jù)通道，四通道 SFP 連接器用于 40 Gbps 以太網(wǎng)。下一步的發(fā)展將是從 10 Gbps 轉(zhuǎn)到 25 Gbps 通道。它通過一些小 QSFP 連接器提供相當(dāng)于 100 Gbps 的數(shù)據(jù)傳輸，并為一些不支持 100 Gbps 標(biāo)準(zhǔn)的 40 Gbps 以太網(wǎng)系統(tǒng)提供向后兼容模式。最終，這種形狀系數(shù)可用于光纖模塊，因為不再需要 CFP模塊使用的 10 到 4 通道轉(zhuǎn)換。這種技術(shù)已經(jīng)數(shù)家廠商多次證明，為廣大基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計人員提供了一種轉(zhuǎn)到高速連接的路線圖。但是，開關(guān)或者服務(wù)器背后的互連并非是出現(xiàn)這種問題的唯一地方。服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備內(nèi)部的各種電氣連接都存在相同的問題。距離是你的敵人一個數(shù)字位的波形橫向傳輸線路和連接器，因此物理學(xué)開始起作用，并試圖通過阻抗錯配和相鄰?fù)ǖ来當(dāng)_引起的頻率反射型可變衰減，完全破壞原始信號。數(shù)據(jù)本身也存在問題，因為之前發(fā)送的符號干擾了傳輸中的當(dāng)前位。這被稱作符號間干擾，即 ISI。信號通過 ASIC 到路由器或者開關(guān)背部這段距離后，無法再辨別出這些位。抹殺無源連線無誤差位傳輸?shù)南嗤?yīng)，也在這里發(fā)揮作用。以前的一些設(shè)計，開關(guān)ASIC使用多條慢數(shù)據(jù)通路（一般為3.125 Gbps），連接到某個物理層設(shè)備（PHY），以在SFP連接器構(gòu)建10 Gbps NRZ連接。PHY的位置非?？拷谖锢磉B接器，因此信號完整性損失得到最小化。但是，由于 ASIC 技術(shù)轉(zhuǎn)而使用更小的幾何外形，吸納 10 Gbps 接口的高速連接便成為一種內(nèi)在要求。首先，由于移除了 PHY，因此這種變化可以降低電氣連接的總功耗。但是，PCB 邊緣的信號完整性損失，要求更昂貴、低功耗的電路板材料，或者再使用一種有源解決方案。用于抗線纜信號損失的相同設(shè)備現(xiàn)在也正用于高性能路由器、開關(guān)和服務(wù)器內(nèi)部連接。使用低功耗緩沖中斷器和重定時器時，可使用標(biāo)準(zhǔn) FR-4 PCB 材料（控制成本），并且功耗非常低。實際上，這些設(shè)備以一種類似的方式用于 10 Gbps NRZ以太網(wǎng) PHY，以恢復(fù)數(shù)據(jù)和再計時數(shù)據(jù)，滿足連接器規(guī)范。達(dá)標(biāo)努力在服務(wù)器中，包括 PCI express (PCIe) 在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)比比皆是。由于數(shù)據(jù)傳輸速率更高，內(nèi)核處理器向（自）內(nèi)核傳輸信息的能力，推動 PCIe 等標(biāo)準(zhǔn)不斷提高傳輸速度。最新的標(biāo)準(zhǔn)為第 3 代，其標(biāo)稱擁有 8 Gbps 的連接速度。如前所述，在許多情況下，設(shè)備內(nèi)部物理距離不變，歸因于處理器硬件、連接器數(shù)目和間隔。服務(wù)器也不例外，同樣受到信號完整性問題和功耗的困擾。前面使用第 1 代或者第 2 代PCIe 的一些設(shè)計，只要小心謹(jǐn)慎地布局和選擇連接器，便能夠滿足操作規(guī)范。但是，隨著服務(wù)器轉(zhuǎn)向第 3 代，電路板材料和連接器正對信號完整性產(chǎn)生影響，以致于不再能夠滿足這種標(biāo)準(zhǔn)。如 PCIe 等標(biāo)準(zhǔn)帶來另一個問題，讓問題的解決更加困難，而同時還要保持低功耗。這個問題便是帶外 (OoB) 信號傳輸，其出現(xiàn)在通道早期訓(xùn)練過程。由于在通道接入時標(biāo)準(zhǔn) PCIe 板并不了解，因此它必須與根組件溝通，并對通道做出調(diào)節(jié)，以幫助維持信號完整性。這種通信在帶外完成，并且如果失敗（因故受到阻塞），通道便無法初始化。一些PCIe 集成電路 (IC) 中斷器的廠商使用一種重復(fù)根組件的方法。這種方法將通道分成兩部分，有效地縮短了距離，并大大提高了信號完整性（連接器更少/距離更短）。這種方法存在的問題是功耗。重復(fù)根組件，要求理解通道傳輸，并在兩端正確地對其重復(fù)。另外，串行化和去串行化過程，還會引起過多的延遲。其他廠商通過使用一種模擬方法對帶內(nèi)和帶外信號進(jìn)行調(diào)節(jié)（去除了所有信息處理），暫時解決了這個問題。如 DS80PCI402 等器件使用這種方法，每條通道僅要求 65 mW。該器件插入到 PCIe 通道中以后，有效縮短了末節(jié)點和根組件之間的通道距離，其不干擾帶外過程，大大改善了 8 Gbps 數(shù)據(jù)信號完整性，同時能耗更小。其他改善方面我們的信息基礎(chǔ)設(shè)施正不斷增長，以滿足日益增加的用戶數(shù)和技術(shù)（例如：云計算等）需求。連接功耗預(yù)算只是這些系統(tǒng)總功耗的一部分而已。各大廠商都在尋找一種方法，以產(chǎn)生更低連接功耗的內(nèi)核。由于ARM內(nèi)核的易用性和極低的功耗，人們對于在云服務(wù)器中使用這種引擎的關(guān)注度正不斷上升。另外，一些專用處理器也使用其各自的方法進(jìn)入到信息基礎(chǔ)設(shè)施中提供各種服務(wù)，例如：視頻和圖像實時轉(zhuǎn)碼、語音識別等等。這些專用服務(wù)通常要求在通用處理器中執(zhí)行浮點運算功能。這些專用處理器提供許多高能效的方法，執(zhí)行相同運算功能。結(jié)論隨著云計算和存儲在規(guī)模和容量方面都不斷增長，節(jié)點之間的連接能力也不斷提高。設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)會是在不斷增加網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量的同時，維持最低的功率。這些解決方案不僅受到來自日益增長的高帶寬要求的挑戰(zhàn)，而且也會達(dá)到功耗最小化的上限。作者簡介Richard Zarr 是 TI 技術(shù)專家，致力于高速信號和數(shù)據(jù)通路技術(shù)。他擁有超過 30 年的實際工程經(jīng)驗，并在全世界發(fā)表了大量論文和文章。Richard 是 IEEE 會員，他畢業(yè)于美國南弗羅里達(dá)大學(xué) (University of South Florida)，電機工程學(xué)士學(xué)位，并擁有數(shù)項 LED 照明和加密專利。

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