Η εξέλιξη των μικροεπεξεργαστών στη Δικτύωση

Η βιομηχανία δικτύωσης έχει υποστεί μια βαθιά μεταμόρφωση τις τελευταίες δύο δεκαετίες, που καθοδηγείται σε μεγάλο βαθμό από την πρόοδο στο σχεδιασμό μικροεπεξεργαστών. Οι πρώιμοι δρομολογητές και διακόπτες στηρίχθηκαν σε γενική χρήση CPU που τρέχουν τη λογική προώθησης λογισμικού, η οποία γρήγορα έγινε ένα εμπόδιο καθώς το εύρος ζώνης απαιτεί να πεταχτεί. Ο σημερινός εξοπλισμός δικτύου επόμενης γενιάς ενσωματώνει υψηλής εξειδίκευσης μικροεπεξεργαστές που εκτός φορτίου επεξεργασία πακέτων, κρυπτογράφηση ασφαλείας και διαχείριση κυκλοφορίας από την κύρια CPU. Αυτές οι καινοτομίες έχουν μετατοπίσει το παράδειγμα: αντί να είναι ένα παθητικό στρώμα προώθησης, οι σύγχρονοι δρομολογητές και διακόπτες ενσωματώνουν τώρα νοημοσύνη που επιτρέπει την επιθεώρηση πακέτων, την ανάλυση σε πραγματικό χρόνο, και τη δυναμική ποιότητα της υπηρεσίας (QoS) πολιτικές. Το αποτέλεσμα είναι μια υποδομή δικτύου που μπορεί να κλιμακωθεί από μικρά κέντρα δεδομένων LAN επιχειρήσεων σε μαζικά κέντρα δεδομένων νέφους και 5G.

Βασικές καινοτομίες Οδηγώντας μεταγενέστερες δρομολογητές και διακόπτες

Πολυπύρηνες και Πολυπύρηνες Αρχιτεκτονικές

Οι σχεδιαστές τσιπ συνδυάζουν δεκάδες σε εκατοντάδες πυρήνες επεξεργασίας σε ένα μόνο die, κάθε πυρήνα που χειρίζεται μια ξεχωριστή λειτουργία ροής ή ελέγχου πακέτων. Αυτή η παράλληλη προσέγγιση μειώνει δραματικά τη λατινότητα και αυξάνει τη διαπερατότητα για εφαρμογές υψηλής ζώνης, όπως η ροή βίντεο, οι επικοινωνίες σε πραγματικό χρόνο και οι εικονικές λειτουργίες δικτύου. Επιχειρήσεις όπως NXP ημιαγωγοί και Οι επεξεργαστές [LFT:3] έχουν εισαγάγει το Intel[LT:3] έχουν εισαγάγει επεξεργαστές με έως 72 πυρήνες ειδικά βελτιστοποιημένους για τη δρομολόγηση και τη μεταγωγής φορτίων εργασίας, επιτρέποντας την επεξεργασία γραμμών-rate 100 Gbps και πέρα. Επιπλέον, πολλές-πυρήνες αρχιτεκτονικές επιτρέπουν στον εξοπλισμό δικτύου να εκτελεί πολλαπλές εικονικές υπηρεσίες ταυτόχρονα, υποστηρίζοντας τη λειτουργία δικτύων (NV) και το λογισμικό-Defined Networking (SDN) χωρίς να θυσιάζει επιδόσεις.

Επιτάχυνση υλικού με FPGA και ASIC

Ενώ οι πολυπύρηνες ΚΜΕ παρέχουν τον υπολογισμό γενικής χρήσης, πολλές εργασίες δικτύωσης επωφελούνται από την ειδική επιτάχυνση υλικού. Οι διατάξεις πυλών πεδίου-προγραμματιζόμενης (FPGA) προσφέρουν ένα ευέλικτο μεσαίο έδαφος: μπορούν να αναδιαμορφωθούν για την εφαρμογή προσαρμοσμένων αγωγών επεξεργασίας πακέτων, μηχανών κρυπτογράφησης ή λογικής ταξινόμησης κυκλοφορίας. Οι ειδικές εφαρμογές ολοκληρωμένες κυκλώσεις (ASIC) το μεταφέρουν περαιτέρω με τη σκληρή ρύθμιση των πιο κρίσιμων λειτουργιών ⁇ όπως η προώθηση των πακετών αναζήτησης, η εξισορρόπηση φορτίου και ο έλεγχος συμφόρησης ⁇ απευθείας στο πυρίτιο. Η αρχιτεκτονική Cisco Silicon One, για παράδειγμα, μοχλεύει μια προγραμματιζόμενη ASIC που συνδυάζει την απόδοση του υλικού σταθερής λειτουργίας με την προσαρμοστικότητα των αγωγών που ορίζονται από το λογισμικό. Ομοίως, η Marvell Prestera[FLT1] οικογένεια επεξεργαστών πακέτων ενσωματώνει τους επιταχυντές υλικού για εγκλωπισμό, αποκεφαλίωση, και έλεγχος πακέτων, μείωση του φορτίου στο επίπεδο ελέγχου και ενεργοποίησης.

Ολοκληρωμένα χαρακτηριστικά ασφαλείας στο επίπεδο σιλικόνης

Η ασφάλεια έχει γίνει κορυφαία προτεραιότητα στο σχεδιασμό του δικτύου και οι σύγχρονοι μικροεπεξεργαστές ενσωματώνουν ισχυρά χαρακτηριστικά ασφαλείας απευθείας στο υλικό. Αυτοί περιλαμβάνουν ασφαλείς μηχανισμούς εκκίνησης που επαληθεύουν την ακεραιότητα του firmware σε ισχύ-on, κρυπτογραφικούς κινητήρες βασισμένους σε υλικό για επιτάχυνση IPSec/TLS, και συστήματα ανίχνευσης εισβολής on-chip που αναλύουν κεφαλές πακέτων και ωφέλιμο φορτίο σε πραγματικό χρόνο. Η τεχνολογία TrustZone του ARM, για παράδειγμα, δημιουργεί ένα ασφαλές περιβάλλον εκτέλεσης εντός του επεξεργαστή, απομονώνοντας τα πρωτόκολλα κρίσιμης δρομολόγησης από λιγότερο αξιόπιστες διαδικασίες. Εν τω μεταξύ, πολλοί επεξεργαστές δικτύου περιλαμβάνουν πλέον ειδικές ενότητες για MACSec (Media Access Control Security) σε ρυθμό γραμμής, επιτρέποντας την κρυπτογράφηση κάθε πλαισίου Ethernet χωρίς υποβάθμιση απόδοσης. Αλλά η ολοκληρωμένη ασφάλεια υπερβαίνει την κρυπτογράφηση: οι μικροεπεξεργαστές υποστηρίζουν επίσης την εμπιστοσύνη, κρυπτογράφηση μνήμης και τον μετριασμό της επίθεσης στο πλάι-κανάλι, παρέχοντας ένα θεμέλιο για μηδενικής αρχιτεκτονικής και στα δίκτυα φορέων.

Επίδραση στην απόδοση και την απόδοση του δικτύου

Μείωση της τάσης και ενίσχυση της διαπερατότητας

Με τον πολυπυρηνικό παραλληλισμό και την επιτάχυνση του υλικού, οι δρομολογητές επόμενης γενιάς μπορούν να επεξεργαστούν εκατομμύρια πακέτα ανά δευτερόλεπτο με ντετερμινιστική λανθάνουσα τάση τόσο χαμηλή όσο 500 νανοδευτερόλεπτα. Αυτή η βελτίωση είναι κρίσιμη για εφαρμογές που είναι ευαίσθητες στην λανθάνουσα τάση, όπως η εμπορία υψηλής συχνότητας, η αυτόνομη οδήγηση V2X (όχημα σε όλα) επικοινωνία, και τα βιομηχανικά συστήματα ελέγχου. Επιπλέον, προηγμένοι αλγόριθμοι διαχείρισης και προτεραιότητας κυκλοφορίας, που τώρα υλοποιούνται στο πυρίτιο και όχι στο λογισμικό, επιτρέπουν την διαπερατότητα της γραμμής ακόμα και κάτω από βαρύ φορτίο. Για παράδειγμα, η Broadcom's Jericho2+ switch-on-a-chip παρέχει 64x 800 Gbps θύρες, διατηρώντας παράλληλα τη ρύθμιση μηδενικού πακέτου-απώλια, ένα κατόρθωμα που θα ήταν αδύνατο με παραδοσιακά σχέδια βασισμένα στην CPU.

Ενεργειακή απόδοση και θερμική διαχείριση

Εκτός από την ωμή απόδοση, η ενεργειακή απόδοση έχει γίνει ένας σημαντικός στόχος σχεδιασμού. Τα κέντρα δεδομένων και οι τοποθεσίες υπολογισμού άκρων πρέπει να ελαχιστοποιήσουν την κατανάλωση ενέργειας για τον έλεγχο του λειτουργικού κόστους και την επίτευξη των στόχων βιωσιμότητας. Οι καινοτομίες μικροεπεξεργαστών το αντιμετωπίζουν αυτό μέσω της προηγμένης ενέργειας gating, της δυναμικής κλιμάκωσης της συχνότητας και της χρήσης μικρότερων κόμβων διεργασίας (π.χ., 5nm και 3nm). Πολλοί επεξεργαστές δικτύων ενσωματώνουν πλέον ευφυείς καταστάσεις ύπνου που τροφοδοτούν αχρησιμοποίητους πυρήνες και επιταχυντές όταν η κυκλοφορία είναι χαμηλή, ενώ ακόμα ξυπνούν μέσα σε μικροδευτερόλεπτα για να χειριστούν τα κύματα. Για παράδειγμα, Οι πυρήνες ZEN 4c του AMD καθιστούν εφικτή την ανάπτυξη υψηλής πυκνότητας που καταναλώνουν σε ορισμένες συσκευές δικτύου παρέχουν έως 90% βελτίωση απόδοσης ανά watt σε προηγούμενες γενιές. Σε συνδυασμό με υγρά σχέδια ψύξης και βελτιστοποιημένων σανίδων, αυτές οι προκατασκευές καθιστούν εφικτή την ανάπτυξη πλατφορμών δρομολόγησης υψηλής πυκνότητας που καταναλώνουν λιγότερο από 10watt ανά 100 Gbps.

Πραγματικές-Παγκόσμιες Εφαρμογές και Μελέτες Περιπτώσεων

Διασυνδέσεις του Data Center

Οι εταιρείες όπως η Google, η Amazon, και η Microsoft αναπτύσσουν προσαρμοσμένες διαδρομές ASIC και προγραμματιζόμενους διακόπτες για να χειριστούν την κυκλοφορία Ανατολής-Δύσης στα κέντρα δεδομένων τους. Το ιστός του δικτύου Google Jupiter βασίζεται σε μια εμπορική πλατφόρμα πυριτίου (το τσιπ «Juniper» που συνδυάζει επεξεργαστές πολλαπλών πυρήνων ARM με επιταχυντές υλικού για τη σήραγγα και την εξισορρόπηση φορτίου. Αυτή η αρχιτεκτονική επιτρέπει στην Google να τρέξει ένα επίπεδο, μη μπλοκάρισμα δίκτυο που ζυγίζει σε περισσότερους από εκατό χιλιάδες servers με υπο-10 μικροδευτερόλεπτο latency. Ομοίως, η Azure της Microsoft χρησιμοποιεί προγραμματίσιμο SmartNICs που ξεφορτώνει εικονική μεταστροφή από τις CPU, απελευθερώνοντας πόρους για τον πελάτη και διατηρώντας την απόδοση της συρματοειδούς ταχύτητας.

Υπολογιστική άκρη και πύλες IoT

Στο άκρο του δικτύου, οι καινοτομίες μικροεπεξεργαστών επιτρέπουν συμπαγείς, χαμηλού ρεύματος δρομολογητές και διακόπτες που μπορούν να επεξεργαστούν τα δεδομένα τοπικά πριν το στείλουν στο σύννεφο. Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούν συχνά ετερογενείς αρχιτεκτονικές που συνδυάζουν πυρήνες ARM Cortex-A για εργασίες ελέγχου-πλάνου με ειδικά τμήματα NDU (νευρική μονάδα επεξεργασίας) για AI συμπερασματικά. Για παράδειγμα, το NXP Layerscape LX2160A ενσωματώνει 16 πυρήνες Cortex-A72 με επιτάχυνση υλικού για την ασφάλεια και την προώθηση πακέτων, καθιστώντας το ιδανικό για 5G router άκρων και βιομηχανικές πύλες IoT. Σε ένα έξυπνο σενάριο εργοστασίου, μια τέτοια συσκευή μπορεί να επιθεωρήσει χιλιάδες πακέτα αισθητήρων ανά δευτερόλεπτο, να ανιχνεύσει ανωμαλίες χρησιμοποιώντας εποχούμενα μοντέλα μάθησης μηχανών, και να ενεργοποιήσει άμεσες εντολές ενεργοποιητή ⁇ όλα με καθυστέρηση χιλιο δευτερολέπτου και χωρίς να βασίζεται σε ένα μακρινό διακομιστή cloud.

Μελλοντικές Τάσεις και Αναδυόμενες Τεχνολογίες

AI και επιτάχυνση της μηχανικής μάθησης

Το επόμενο μεγάλο κύμα σε μικροεπεξεργαστές δικτύου είναι η ενσωμάτωση των ειδικών επιταχυντών AI. Αυτές οι μονάδες μπορούν να εκτελέσουν ταξινόμηση κυκλοφορίας σε πραγματικό χρόνο, ανίχνευση ανωμαλίας, και δυναμική βελτιστοποίηση δρομολόγησης χρησιμοποιώντας μοντέλα βαθιάς μάθησης. Για παράδειγμα, NVIDIA BlueField μονάδες επεξεργασίας δεδομένων (DPUs) συνδυάζουν πυρήνες CPU όπλων με επιταχυντές δέκτη CRU Tensor Core GPU, επιτρέποντας στο δίκτυο AI συμπέρασμα. Μελλοντικοί δρομολογητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν AI για να προβλέψουν μοτίβα συμφόρησης και προκαταβολικά επαναδρομικά την κυκλοφορία, ή για να εντοπίσουν αυτόματα επιθέσεις μηδενικής ημέρας με βάση τα πρότυπα συμπεριφοράς. Αυτό το παράδειγμα “ευφυής δικτύωσης” υπόσχεται να μειώσει τα διοικητικά γενικά και να βελτιώσει την ανθεκτικότητα του δικτύου.

Φωτονική Ενσωμάτωση και Αρχιτεκτονικές Τσιπλέ

Για να ξεπεραστούν οι φυσικοί περιορισμοί των ηλεκτρικών διασυνδέσεων, οι ερευνητές διερευνούν οπτικούς υπολογιστικούς και φωτονικούς μικροεπεξεργαστές για δικτύωση. Η έρευνα της Intel για τους φωτονικούς πυριτίου έχει δημιουργήσει ενσωματωμένους πομποδέκτες που μπορούν να μετακινήσουν δεδομένα σε τεραμπίτ ανά δευτερόλεπτο μεταξύ τσιπ. Για τους επεξεργαστές δικτύου, μια αρχιτεκτονική τσιπλετών ⁇ όπου οι μεμονωμένοι πεθαίνουν για CPU, η μνήμη και οι επιταχυντές συνδέονται μέσω διεπαφών die-to-die υψηλής ταχύτητας (όπως UCIe ή BoW) ⁇ προσφέρει ευελιξία και βελτιώσεις απόδοσης. Αυτή η προσέγγιση επιτρέπει στους προμηθευτές υφασμάτων να συνδυάζουν τους τελευταίους compute πυρήνες με εξειδικευμένους αναλογικούς/ψηφιακούς επιταχυντές χωρίς να περιμένουν για μια μονολιθική συρρίκνωση die.

Συμπέρασμα

Από τον πολυπύρηνο παραλληλισμό και την επιτάχυνση του υλικού μέχρι τις ολοκληρωμένες δυνατότητες ασφάλειας και AI, οι τεχνολογίες αυτές ενδυναμώνουν την επόμενη γενιά ψηφιακών υποδομών. Καθώς η βιομηχανία κινείται προς 800 Gbps Ethernet, terabit-κλίμακα δρομολογητών και AR, ο ρόλος του μικροεπεξεργαστή θα αυξηθεί μόνο πιο κρίσιμος. Οι αρχιτέκτονες και οι μηχανικοί του δικτύου πρέπει να παραμείνουν ενημερωμένοι για αυτές τις εξελίξεις σε συστήματα σχεδιασμού που μπορούν να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις του αύριο συνδεδεμένου κόσμου.