Mikroprosessorien kehitys verkkotyössä

Verkkoteollisuus on kahden viime vuosikymmenen aikana kokenut perusteellisen muutoksen, joka perustuu suurelta osin mikroprosessorisuunnittelun edistymiseen. Varhaiset reitittimet ja kytkimet ovat luoneet yleiskäyttöisiä suorittimia ohjelmistopohjaisen huolintalogiikan käyttöön, josta tuli nopeasti pullonkaula kaistanleveyden vaatimusten noustessa. Tämän päivän seuraavan sukupolven verkkolaitteet integroivat erittäin erikoistuneet mikroprosessorit, jotka irrottavat pakettien käsittelyn, tietoturvasalauksen ja liikenteenhallinnan pääprosessorista. Nämä innovaatiot ovat muuttaneet ajattelutapaa: sen sijaan, että ne olisivat passiivisia eteenpäin suunnattuja kerroksia, nykyaikaisia reitittimiä ja kytkintä, jotka nyt sisältävät älykkyyttä, joka mahdollistaa syväpakkausten tarkastuksen, reaaliaikaisen analytiikan ja dynaamisen palvelun laadun (QoS) politiikan. Tuloksena on verkkoinfrastruktuuri, joka voi skaalata pienyrityksistä LANs massiivisiin pilvipalveluihin ja 5G-ydinverkkoihin.

Avaininnovaatiot, jotka ohjaavat seuraavan sukupolven reitittimiä ja kytkintä

Moniydin- ja moniydinarkkitehtuurit

Näkyvin trendi verkon prosessorin innovaatiossa on siirtyminen yhden ytimen moniydin- ja moniydinsovelluksista. Chip suunnittelijat yhdistävät kymmeniä satoja käsittelyytimien yhden kuution, jokainen ydin käsittelee erillistä pakettivirtaa tai ohjaustoimintoa. Tämä rinnakkaiskäyttö vähentää merkittävästi latenssia ja lisää läpisyöttöä korkeakaistanleveyssovelluksissa, kuten videovirtauksessa, reaaliaikaisessa viestinnässä ja virtuaalisissa verkkotoiminnoissa. Yritykset kuten NXP Semiconductors[] ja ] ovat ottaneet käyttöön jopa 72 prosessoria, jotka on optimoitu erityisesti reititykseen ja siirtymiseen 100 Gbps:n ja sen jälkeen. Lisäksi monet arkkitehtuurit mahdollistavat verkkolaitteiden monitoimisen virtuaalisen käytön samanaikaisesti, tukien verkkotoimintojen Virtualistuksessa (NFV) ja ohjelmisto-Defined Networking (SDN) kanssa.

Laitteiston nopeutuminen FPGA:iden ja ASIC:ien kanssa

Vaikka moniydinsuorittimet tarjoavat yleiskäyttöön tarkoitetun laskentatavan, monet verkottumistehtävät hyötyvät laitteiston kiihdytyksestä. Kenttäohjelmoitavat porttiohjaimet (FPGA) tarjoavat joustavan keskitason: ne voidaan muuntaa siten, että ne voidaan muuntaa räätälöidyiksi pakettien käsittelyputkistoiksi, salausmoottoreiksi tai liikenneluokituslogiikaaleiksi. Sovelluskohtaiset integroidut piirit (ASC) vievät tätä pidemmälle kovilla virittämällä suorituskykykriittisimmät toiminnot ja mahdollistamalla sen, että pöydät etsivät, kuorman tasapainottavat ja ruuhkien hallinta. Cisco Silicon yksi -arkkitehtuuri, esimerkiksi ohjelmoitava ASC, jossa yhdistyvät kiinteätoimisten laitteiden tehokkuus ja ohjelmiston aiheuttamien mukautumiskyky, on sama Marvell Prestera] -tuoteperhe, yhdistää laitteistokiihdyttimet kartoitusta varten, dekapselointia ja syväreagointia varten.

Integroidut turvallisuusominaisuudet silikonitasolla

Turvallisuudesta on tullut ensisijainen tavoite verkkosuunnittelussa, ja modernit mikroprosessorit upottavat vankat turvaominaisuudet suoraan laitteistoon. Näihin kuuluvat suojatut käynnistysmekanismit, jotka vahvistavat firmware eheyden tehoon, laitteistoon perustuviin salausmoottoreihin IPSec/TLS-kiväärien kiihdytyksessä, ja sirulle tunkeutumisen ilmaisinjärjestelmät, jotka analysoivat pakettien otsikoita ja hyötykuormat reaaliajassa. ARM:n TrustZone-teknologia esimerkiksi luo turvallisen suoritusympäristön prosessorissa, eristäen kriittiset reititysprotokollat vähemmän luotetuista prosesseista. Samaan aikaan monet verkkoprosessorit sisältävät nyt MACsecille (Media Access Control Security) tarkoitettuja moduleja linjanopeudella ja tarjoamalla perustan nollan trust-trust-arkkitehtuurille, joka mahdollistaa jokaisen Ethernet-rungon salauksen ilman suorituskyvyn heikentymistä. Mutta integroitu turvallisuus menee salausta pidemmälle: mikroprosessorit tukevat myös laitteisto-lähtöistä luottamusta, muistisaantia ja sivukanavahyökkäyksiä varten, jotka tarjoavat perustan nollan arkkitehtuurille sekä yritys- että operaattoriverkoissa.

Vaikutus verkon suorituskykyyn ja tehokkuuteen

Latenssin vähentäminen ja virrankulutuksen lisääminen

Mikroprosessoriinnovaatioiden suorituskyky paranee suoraan mitattaviksi verkkomittareiksi. Moniydinrealismin ja laitteistokiihdytyksen avulla seuraavan sukupolven reitittimet voivat käsitellä miljoonia paketteja sekunnissa deterministisellä latenssilla niinkin matalalla kuin 500 nanosekuntia. Tämä parannus on kriittinen latenssille herkille sovelluksille, kuten korkean taajuuden sovelluksille, kuten itsenäiselle ajolle V2X (ajoneuvosta-e-kaikkiin) -viestinnälle, ja teollisille ohjausjärjestelmille. Lisäksi edistyneet jonojen hallinta- ja liikenteen priorisointialgoritmit, jotka on nyt toteutettu piissä eikä ohjelmistossa, mahdollistavat linjavirran jopa raskaassa kuormituksessa. Esimerkiksi Broadcomin Jeriko2+-kytkin-on-a-siru tarjoaa 64x 800 Gbps-portit ja säilyttävät nollareputkesta häviävän puskurin, joka olisi ollut mahdotonta perinteisillä CPU-pohjaisilla suunnitelmilla.

Energiatehokkuus ja lämmönhallinta

Raakatehon lisäksi energiatehokkuudesta on tullut tärkeä suunnittelutavoite. Datakeskusten ja reunan laskenta-alueiden on minimoitava virrankulutus toimintakustannusten hallitsemiseksi ja kestävyystavoitteiden saavuttamiseksi. Mikroprosessoriinnovaatiot käsittelevät tätä kehittyneen voimansiirto-, dynaamisen taajuusskaalauksen ja pienempien prosessisolmujen (esim. 5nm ja 3nm) käytön avulla. Monissa verkkoprosessorissa on nyt älykkäitä unitiloja, joissa on joissakin verkkolaitteissa käytetty teho alas käyttämättömiä ydintä ja kiihdyttimiä, kun liikenne on vähäistä, mutta ne heräävät edelleen mikrosekunnissa käsitelläkseen aaltoja. Esimerkiksi ]AMD:n Zen 4c -runkojen käyttöönotto onnistuu näissä järjestelmissä alle 10 wattia 100 Gbps:tä kohti.

Reaalimaailman sovellukset ja tapaustutkimukset

Datakeskusliitokset

Laaja-alaiset pilvipalvelujen tarjoajat ovat ensi vaiheessa seuraavan sukupolven verkkomikroprosessorien omaksujia. Yritykset kuten Google, Amazon ja Microsoft ottavat käyttöön räätälöityjä reititysavuja ja ohjelmoitavia kytkimiä käsittelemään itä-länsi-liikennettä datakeskuksissaan. Google Jupiter -verkkokangas tukeutuu kauppiaan piialustaan (The ...Juniper...) joka yhdistää moniydinohjaimet ja laitteistokiihdyttimet tunnelien ja kuorman tasapainottamiseen. Tämän arkkitehtuurin avulla Google voi käyttää tasaista, ei-blokkeavaa verkkoa, joka mahdollistaa yli 100 000 palvelimen yli 10 mikrosekunnin latenssin nopeuden. Samoin Microsoftin Azure käyttää ohjelmoituja SmartNics-ohjaimia, jotka lataavat virtuaalista kytkentää isäntäprosessorien avulla, vapauttaen resursseja asiakastyöttömyydelle säilyttäen samalla kaapelin nopeuden suorituskyvyn.

Edge Computing ja IoT Gateways

Verkkoreunassa mikroprosessorin innovaatiot mahdollistavat kompaktit, vähän tehoa sisältävät reitittimet ja kytkimet, jotka voivat käsitellä tietoja paikallisesti ennen sen lähettämistä pilveen. Nämä laitteet käyttävät usein heterogeenisiä arkkitehtuuria, jossa yhdistyvät ARM Cortex-A-ohjaintoiminnot ohjaus-planeeraukseen omistettuun NPU- (herätysyksikkö) lohkoihin AI-päätelmää varten. Esimerkiksi NXP Layerscape LX2160A-ohjain integroidaan 16 Cortex-A72-ytimeen laitteistokiihtyvyyden avulla tietoturvaa ja pakettien edelleenkäsittelyä varten, mikä tekee siitä ihanteellisen 5G-reunareitittimille ja teollisille IoT-porteille. Älykkäässä tehdasskenaariossa tällainen laite voi tarkastaa tuhansia anturipaketteja sekunnissa, havaita poikkeavuuksia käyttäen tietokoneen tietokoneen oppimismalleja ja käynnistää välittömästi toimilaitekomennot.

Tulevaisuuden kehitys ja kehittyvät teknologiat

Tekoäly ja koneoppimisen nopeutuminen

Seuraava iso aalto verkkomikroprosessorit on integrointi omistettu AI kiihdyttimet. Nämä yksiköt voivat suorittaa reaaliaikainen liikenteen luokittelu, anomalian havaitseminen, ja dynaaminen reititys optimointi käyttäen syväoppimisen malleja. Esimerkiksi [NVIDIA BlueField[ tietojenkäsittelyyksiköt (DPU) yhdistää Arm CPU ytimet Tensor Core GPU kiihdyttimet, mahdollistaa verkon sisäinen AI inference. Tulevat reitittimet voivat käyttää AI ennustaa ruuhka kuvioita ja ennalta ehkäisevää uudelleenreititystä liikenteen, tai automaattisesti tunnistaa nollapäivän hyökkäyksiä perustuu käyttäytymismallit. Tämä . Älykäs verkkotoiminta.

Fotoninen integraatio ja Chiplet Architectures

Jotta voidaan voittaa sähköisten yhteenliitäntöjen fyysiset rajoitukset, tutkijat tutkivat optisia tietokoneita ja fotonisia mikroprosessorien verkkoja varten. Intel-tutkimus pii fotoniikka on tuottanut integroituja transseivereitä, jotka voivat siirtää tietoja terabitseissa sekunnissa piirien välillä. Verkkoprosessorien osalta sirut ovat arkkitehtuuri. Sirut ovat arkkitehtuuria. ... jossa yksittäiset kuolleet CPU:lle, muisti ja kiihdyttimet on liitetty nopeilla die-die-liittymillä (kuten UCIe tai BoW).Tämä lähestymistapa mahdollistaa sen, että kankaan myyjät voivat yhdistää uusimmat sävelyyyytimet ja erikoisanalogiset/digital kiihdyttimet ilman, että ne odottavat monoliittista die-digital-digital-digital-digital-digital-digital-digital-digital-digital-digital-digital-digital-divers-divers-divers-divers-divers-divers-divers-divers-divers-divers-divers-divers-divers-divers-divers-

Päätelmät

Mikroprosessoriinnovaatiot muokkaavat verkkoreitittimien ja -kytkinten maisemaa, mikä mahdollistaa ennennäkemättömän suorituskyvyn, turvallisuuden ja energiatehokkuuden. Moniydinrealismin ja laitteistokiihdytyksen myötä integroituun turvallisuuteen ja tekoälyn suorituskykyyn, nämä teknologiat mahdollistavat digitaalisen infrastruktuurin seuraavan sukupolven. Alan edetessä 800 Gbps Ethernetiin, terabittimittakaavaisiin reitittimiin ja reuna-ai-seen tekoälyyn, mikroprosessorin rooli vain kasvaa kriittisemmäksi. Verkkoarkkitehtien ja insinöörien on pysyttävä ajan tasalla näistä kehityssuunnista, jotka voivat vastata tulevaisuuden yhdistetyn maailman vaatimuksiin.