网络是数据中心最为重要的组成部分,完成了所有设备之间的互连,并让各种数据在不同设备之间畅通传递,包括现在火热的云计算、大数据及虚拟化技术都要依仗网络。有些时候,网络带宽的高低已成为了影响数据中心业务部署发展最为关键的因素。
简单地说,云中的一切都急需更多的带宽资源。企业数据中心需要更多的带宽;hyperscaler、云构建商和 HPC 中心需要更多的带宽;由于部署 5G,移动运营商需要更多网络带宽,以满足不断增长的广域网容量要求。对于这些需求量巨大的网络设备用户,添加更多 100G 以太网 (100GE) 端口显然无法应对带宽方面的挑战。额外的端口需要服务器和交换机拥有更大的机架空间,也需要为服务器机架提供更大的楼面空间;因此这样的解决方案在经济上并不划算。从 100G 迁移至 400G 以太网 (400GE) 才是为数据中心注入更多带宽的经济高效的方法。
思科 2017-2022 年《视觉网络指数》(VNI)显示,在报告涵盖的 5 年内,年均 IP 流量将增加两倍以上。报告预测,到 2022 年,全球 IP 流量将达到每年 4.8 ZB(泽字节),即每月 396 EB(艾字节)。而2017 年,全球 IP 流量的年运行率“仅”为 1.5 ZB/年,即 122 EB/月。思科 VNI 还预测,繁忙时段(即一天中最繁忙的 60 分钟时段)的互联网流量将比同期增长 4.8 倍。
图 1:思科《视觉网络指数》预测从 2017 年至 2022 年 IP 流量将增加 3 倍以上
尽管所有 IP 流量的量都在增长,但视频流量更加推动了这一增长。IP 视频流量包括点对点视频服务的爆炸式使用,比如,苹果 FaceTime、微信视频通话、Facebook Live、微软 Skype;VoD(视频点播)服务的快速增长,比如 Netflix、Amazon Video、YouTube TV、Hulu 和刚刚发布的 Disney+;以及通过 MSO(包括有线和卫星广播提供商在内的多家系统运营商)提供的无数托管 IP 视频广播服务。思科 VNI 预测,同样在这五年内,视频 IP 流量将增加 3 倍,到 2022 年将占 IP 总流量的 82%,如图 2 所示。
图 2:思科《视觉网络指数》预测,到 2022 年,82% 的 IP 流量将用于传输视频(每条柱子的蓝色和绿色部分)
通过网络传输的大多数 IP 视频将供移动设备使用。思科 VNI 预测,到 2022 年,移动流量将占 IP 总流量的 71%。绝大部分移动流量将通过移动运营商的广域网以及数据中心的网络链路和内部传输。数据中心的存储服务器可提供大量信息,包括通过全球互联网传输的视频。
数据中心的数量增加四倍或五倍,以应对不断激增的网络流量,这一提议毫无意义,且代价高昂。在许多情况下,在物理上扩展现有数据中心要么不可能实现,要么毫无意义。包括 Dell’Oro Group 在内的分析人士预测,公有云和私有云提供商以及移动网络运营商都可以通过迁移至 400GE 网络和交换机,化解数据中心内部面临的相同带宽挑战。
随着带宽需求的增加,数据中心网络架构已从树状结构演变为以高速光纤链路连接的叶交换机与脊交换机为基础的架构,如图 3 所示。目前,专家估计,数据中心内的数据流量是互联网总流量的 5 倍。如果要解决日益增长的内部数据中心带宽要求提出的挑战,将数据中心内的叶交换机与脊交换机迁移至 400G 光纤链路是最简单、最经济的方法。
图 3:当前的数据中心架构采用叶脊网络拓扑结构
英特尔在 OFC 2018 上展示了面向这些数据中心应用的 400G 光模块,并为部分客户提供了模块样品。此外,英特尔还展示了内置于英特尔® Stratix® 10 TX FPGA的 58G PAM4 SerDes 收发器之间的互操作性,以及英特尔和其他厂商提供的 400G 插入式光模块。只需 8 个 58G PAM4 SerDes 收发器,就可满足 400G 光模块巨大的带宽要求。英特尔 Stratix 10 TX FPGA 是首批已投产,并采用 SerDes 收发器支持使用 PAM4 调制实现 57.8 Gbps 双向运行的 FPGA。
英特尔 Stratix 10 TX FPGA 家族中的最大器件为每个器件配置了 6 个高速 SerDes 收发器,它们均能使用 PAM4 调制以 57.8 Gbps 的速度运行。所有收发器通道都包含一个专用物理介质附件 (PMA)和一个强化的物理编码子层 (PCS)。PMA 为高速物理通道提供主要连接功能,而 PCS 在数据传输至 FPGA 内核结构之前处理编码/解码、字对齐和其他预处理功能。
一个 400GE 端口需要 8 个 50 Gbps SerDes 收发器,因此英特尔 Stratix 10 TX FPGA 家族中的最大器件可实施多达 5 个 400GE 端口。因此,英特尔 Stratix 10 TX FPGA 为全新 400GE 设备设计提供了出色的实施工具。(注:这些相同的高速 SerDes 收发器是双模收发器,可配置为使用 NRZ 调制以 28.9 Gbps 的速度运行。28.9 Gbps NRZ 模式还可以使英特尔 Stratix 10 TX FPGA 中的可用高速收发器数量增加一倍。)
由于采用了 HyperFlex® 核心架构和英特尔 14 纳米三栅极制程技术,所有英特尔 Stratix 10 器件的单片 FPGA 核心都能够在 1 Ghz fMAX(最大频率)下运行。最大的英特尔 Stratix 10 TX FPGA 核心包含 275.3 万个逻辑元件和 5,760 个具备硬浮点和定点计算能力的精度可调 DSP 模块,以及多个大小不同的嵌入式 SRAM 内存块。
英特尔 Stratix 10 FPGA 采用异构 3D 系统级封装 (SiP) 技术,使用英特尔 Embedded Multi-die Interconnect Bridge (EMIB) 技术将多个管芯集成在单个封装中,EMIB 技术采用小型芯片桥在同一个封装中连接多个管芯,如图 4 所示。对于英特尔 Stratix 10 FPGA,封装内的一个大管芯包含单片 FPGA 核心。其他小管芯(称为 tile)则为英特尔 Stratix 10 设备产品家族的不同成员提供多种连接选择。
图 4:英特尔 Stratix 10 FPGA 和 SoC 采用英特尔 EMIB 互连技术,将单片 FPGA 管芯连接至多个提供不同 I/O 特性和功能的连接 tile
英特尔 Stratix 10 TX FPGA 和 SoC 采用多达 5 个“E-tile”实施器件的多个 58 Gbps PAM4 SerDes 收发器。在 PAM-4 模式下,E-tile 上的各收发器通道支持高达 57.8 Gbps 的数据速率,并确保满足新标准和即将出台的标准(包括 OIF CEI 56 LR、MR 和 VSR)下的短期和长期电气规范。这些高速 SerDes 收发器中集成的先进均衡电路实现了大多数高速串行协议要求的误码率 (BER),而且这些收发器可在高数据速率下支持传统背板和高损耗背板。
400GE 设计要求高速 Reed-Solomon 前向纠错 (FEC) 和完整的 400GE 协议堆栈。通过实施 FEC 和位于英特尔 Stratix 10 TX FPGA 的 E-tile 中的固定硬件的最低水平协议堆栈,英特尔 Stratix 10 TX FPGA 可满足这些要求,而大部分 400GE 协议堆栈通过 FPGA 结构中的可编程逻辑来实施。
使用英特尔 Stratix 10 TX FPGA 实施 400GE 解决方案需要的不仅仅是高速 SerDes 收发器。FPGA 的内部逻辑结构必须处理通过 SerDes 收发器的多个高速数据流的极端数据速率。对于 400GE 设计解决方案,FPGA 结构必须能够以最低 366 Mhz 的时钟速率运行。采用性能翻倍的 HyperFlex 核心架构并具备 1 Ghz fMAX(最大频率)的英特尔 Stratix 10 TX FPGA 可轻松实现这一最低时钟速率。
英特尔提供针对基于英特尔 Stratix 10 TX FPGA 的 400GE 端口测试的参考设计,通过测试和插拔测试,证明该设计可与多家厂商的产品实现互操作。
文章来源于英特尔FPGA
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