云和5G數(shù)據(jù)中心進入新時代

在大數(shù)據(jù)，云計算爆發(fā)的今天，對于所有這些網(wǎng)絡設備的大量用戶，添加更多100G以太網(wǎng)(100GE)端口將無法滿足帶寬挑戰(zhàn)。其他端口需要更多的機架空間用于服務器和交換機，并且需要更多的服務器機架空間;這些解決方案不經(jīng)濟。從100G遷移到400G以太網(wǎng)(400GE)端口是向數(shù)據(jù)中心注入更多帶寬的一種便宜得多的方式。簡單地說，云中的一切都迫切需要更多的帶寬。企業(yè)數(shù)據(jù)中心需要更多帶寬;超大規(guī)模，云和HPC中心需要更多帶寬; 5G部署進一步加劇了蜂窩運營商對更多網(wǎng)絡帶寬的需求，以滿足不斷增長的WAN容量需求。

根據(jù)思科2017-2022年的視覺網(wǎng)絡指數(shù)(VNI)，報告涵蓋的五年內(nèi)每年的IP流量將增加三倍以上，如圖1所示。該報告預測全球IP流量將達到4.8 ZB(zettabytes)每年到2022年。這是每月396 EB(艾字節(jié))。 (exabyte是1018字節(jié)。)2017年，全球IP流量的年度運行率“僅”每年1.5 ZB或每月122 EB。同樣的思科VNI預測，繁忙時段的互聯(lián)網(wǎng)流量，即當天最繁忙的60分鐘，將在同一時期增加4.8倍。

圖1：思科視覺網(wǎng)絡指數(shù)預測從2017年到2022年，IP流量將增加3倍以上

雖然所有IP流量的流量都在增長，但視頻流是增長最快的因素。 IP視頻流量包括對等視頻服務的爆炸性使用，例如Apple的FaceTime，微信視頻通話，F(xiàn)acebook Live，Microsoft Skype;快速增長的VoD(視頻點播)服務數(shù)量，包括Netflix，亞馬遜視頻，YouTube電視，Hulu和剛剛宣布的迪士尼+;以及通過MSO(多個系統(tǒng)運營商，包括有線和衛(wèi)星廣播提供商)提供管理的IP視頻廣播服務。思科的VNI預測，視頻IP流量將在同一時期內(nèi)增加3倍，到2022年將占所有IP流量的82%，如圖2所示。

圖2：根據(jù)思科的視覺網(wǎng)絡指數(shù)，到2022年，82%的IP流量將攜帶視頻(每個條形的藍色和綠色部分)

流經(jīng)這些網(wǎng)絡的大部分IP視頻將被移動設備消耗。思科VNI預測，到2022年，71%的IP流量將成為移動流量。這一移動流量的很大一部分將通過蜂窩運營商的WAN以及連接和內(nèi)部數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡傳輸。這些數(shù)據(jù)中心的存儲服務器提供了大量信息，包括流經(jīng)全球互聯(lián)網(wǎng)的視頻。

將數(shù)據(jù)中心數(shù)量增加四倍或五倍以處理增加的網(wǎng)絡流量非常昂貴并且沒有任何吸引力。在許多情況下，物理擴展現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心要么不可能，要么同樣沒有吸引力。包括Dell'Oro Group在內(nèi)的分析師預測，公共和私有云提供商以及蜂窩網(wǎng)絡運營商將通過遷移到400GE網(wǎng)絡和交換機來解決數(shù)據(jù)中心內(nèi)的常見帶寬挑戰(zhàn)。

隨著帶寬需求的增長，早期的數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡架構(gòu)是典型的三層樹型結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠖咏Y(jié)構(gòu)。如圖3所示。滿足數(shù)據(jù)中心帶寬要求的挑戰(zhàn)的最簡單和最經(jīng)濟的方法是將數(shù)據(jù)中心內(nèi)的交換機遷移到400G光纖鏈路。

圖3：當前的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)采用葉脊拓撲網(wǎng)和主干網(wǎng)絡拓撲。 (圖片來源：英特爾)

英特爾在OFC 2018上展示了用于數(shù)據(jù)中心應用的400G光模塊，并為選定的客戶提供了這些模塊的樣品。此外，英特爾還展示了英特爾 Stratix 10TX FPGA中內(nèi)置的58G PAM4 SerDes收發(fā)器與英特爾和其他供應商的400G插入式光模塊之間的互操作性。只需8個58G PAM4 SerDes收發(fā)器即可處理400G光模塊的帶寬要求。英特爾Stratix 10 TX FPGA是首款采用PAM4調(diào)制，支持57.8 Gbps雙向收發(fā)器的FPGA。

英特爾Stratix 10 TX FPGA系列中每個器件具有60個高速SerDes收發(fā)器，每個器件能夠使用PAM4調(diào)制以57.8 Gbps的速度運行。所有這些收發(fā)器通道都包含專用物理介質(zhì)附件(PMA)和硬化物理編碼子層(PCS)。在將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA內(nèi)核架構(gòu)之前，PMA為高速物理通道提供主要接口功能，PCS處理編碼/解碼，字對齊和其他預處理功能。

一個400GE端口需要8個50 Gbps SerDes收發(fā)器，因此Intel Stratix 10 TX FPGA系列中最大的成員可以實現(xiàn)多達5個400GE端口。因此，英特爾Stratix 10 TX FPGA為新的400GE設備設計提供了出色的實施工具。 (注意：這些相同的高速SerDes收發(fā)器是雙模收發(fā)器，可配置為使用NRZ調(diào)制以28.9 Gbps運行。28.9 Gbps NRZ模式也使英特爾Stratix 10 TX中可用的高速收發(fā)器數(shù)量翻倍)。

由于采用HyperFlex核心架構(gòu)和英特爾14納米三柵極工藝技術，所有英特爾Stratix 10器件的單片F(xiàn)PGA內(nèi)核均能夠以1GHz頻率運行。最大的英特爾Stratix 10 TX FPGA內(nèi)核包含275.3萬個邏輯單元和5,760個具有硬浮點和定點計算能力的可變精度DSP模塊，以及多個不同大小的嵌入式SRAM存儲器模塊。

英特爾Stratix 10 FPGA采用異構(gòu)3D系統(tǒng)級封裝(SiP)技術，采用英特爾嵌入式多芯片互連橋接(EMIB)技術將多個芯片集成在一個封裝中，該技術采用小型硅橋?qū)⒍鄠€芯片連接在一起封裝，如圖4所示。對于Intel Stratix 10 FPGA，封裝中的一個大芯片包含單片F(xiàn)PGA內(nèi)核。其他較小的芯片稱為cell，為英特爾Stratix 10器件系列提供了多種接口選擇。

圖4：英特爾Stratix 10 FPGA和SoC采用英特爾EMIB互連技術，將單片F(xiàn)PGA芯片與多個連接區(qū)塊綁定，提供各種I / O特性和功能。 (圖片來源：英特爾)

英特爾Stratix 10 TX FPGA和SoC采用多達五個“E-tiles”來實現(xiàn)器件的多個58 Gbps PAM4 SerDes收發(fā)器。在PAM-4模式下，E-tile上的每個收發(fā)器通道都支持57.8 Gbps的數(shù)據(jù)速率，并針對新標準和新興標準(包括OIF CEI 56 LR，MR和VSR)的短距離和長距離電氣規(guī)范。這些高速SerDes收發(fā)器中集成的高級均衡電路可實現(xiàn)大多數(shù)高速串行協(xié)議所需的誤碼率(BER)，這些收發(fā)器可支持高數(shù)據(jù)速率的傳統(tǒng)和高損耗背板。

400GE設計需要高速Reed-Solomon前向糾錯(FEC)和完整的400GE協(xié)議棧。英特爾Stratix 10 TX FPGA通過在英特爾Stratix 10 TX FPGA的E-tile中的固定硬件中實現(xiàn)FEC和最低級別的協(xié)議棧來滿足這些要求，而400GE協(xié)議棧的較高部分通過可編程實現(xiàn)FPGA架構(gòu)內(nèi)的邏輯。

使用英特爾Stratix 10 TX FPGA實現(xiàn)400GE解決方案需要的不僅僅是快速的SerDes收發(fā)器。FPGA的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)必須處理通過SerDes收發(fā)器的多個高速數(shù)據(jù)流的極高數(shù)據(jù)速率。對于400GE設計解決方案，F(xiàn)PGA架構(gòu)必須能夠以366 MHz的最低時鐘速率運行。英特爾Stratix 10 TX FPGA具有性能加倍的HyperFlex內(nèi)核架構(gòu)和1 GHz最大頻率，可輕松實現(xiàn)此最低時鐘速率。

英特爾提供經(jīng)過測試的基于英特爾Stratix 10 TX FPGA的400GE端口參考設計，該產(chǎn)品通過測試和插件測試可與多家供應商的產(chǎn)品實現(xiàn)互操作。