Nätverksarkitekter och nätverksansvariga för olika typer av nätverk (företagsnätverk, lagringsnätverk och mobila nätverk) kämpar alla med snabbt ökande datamängder. Greg Huff, teknikchef på LSI, beskriver här hur problemen kan hanteras med SoC-komponenter.

Det finns två alternativ för att öka nätverkens prestanda i den här datafloden. Nätverksarkitekter och nätverksansvariga kan antingen använda den traditionella metoden och distribuera system som har utökats med fler allmänna processorer – eller så kan de använda system med ”smart” kisel som drivs med specialbyggda maskinvaruacceleratorer som har integrerats med flerkärniga processorer.
Genom att lägga till fler och snabbare allmänna processorer till routrar, switchar och annan nätverksutrustning går det visserligen att förbättra prestanda. Men metoden medför en ökning av både systemkostnader och energiförbrukning och bidrar inte till att lösa problemet med latens, en av de största orsakerna till prestandaproblem i nätverk. Däremot går det att dra nytta av smart kisel för att minimera eller eliminera problempunkter i prestanda genom att minska latensen för specifika bearbetningsuppgifter. Under 2013 och framöver kommer designtekniker att i större utsträckning använda smart kisel för att dra nytta av fördelarna med högre prestanda och större effektivitet vad gäller kostnader och energi.

Företagsnätverk
Historiskt sett har Moores lag varit tillräcklig för att kunna hålla takten med den ökande dator- och nätverksbelastningen. Maskinvara och programvara gjorde i stort sett framsteg i låsta steg – efter hand som processorprestanda ökade kunde man lägga till fler avancerade funktioner i programvaran. De här parallella förbättringarna gjorde det möjligt att skapa mer abstraherad programvara – det gick att ta fram en högre funktionsnivå på ett snabbare sätt och med mindre programmering. Men idag innebär de här abstraheringsnivåerna att det är svårare att utföra mer komplexa uppgifter med tillräckliga prestanda.
Oavsett vilket kärnantal eller vilken klockfrekvens allmänna processorer har, är de för långsamma för funktioner som t ex klassificering, krypteringssäkerhet och trafikhantering som måste fungera på en djup nivå i varje paket. Dessutom måste dessa specialiserade funktioner ofta utföras sekventiellt vilket begränsar möjligheten att bearbeta dem parallellt i flera kärnor. Däremot är de här funktionerna och andra specialiserade bearbetningstyper perfekta användningsområden för smart kisel, och det blir mer och mer vanligt att ha flera intelligenta accelerationsmotorer som integreras med flera kärnor i specialiserade SoC-kommunikationsprocessorer (System-on-Chip).
Antalet tillgängliga funktionsspecifika accelerationsmotorer fortsätter att öka och nu går det att integrera fler motorer på ett enda SoC, tack vare krympande geometrier. Det går till och med att integrera en systemleverantörs unika immateriella egendom som en anpassad accelerationsmotor inom ett SoC. I kombination medför de här framstegen att det går att ersätta flera SoC med ett enda SoC och därmed skapa snabbare, mindre och mer energisnåla nätverksarkitekturer.

Lagringsnätverk
Den största flaskhalsen i dagens datacenter orsakas av de fem storleksordnade skillnaderna i I/O-latens mellan servrars huvudminne (100 nanosekunder) och traditionella hårddiskenheter (10 millisekunder). Latensen i externa SAN (Storage Area Network) och NAS (Network-Attached Storage) är till och med högre på grund av de mellanliggande nätverks- och prestandabegränsningar som uppstår när en enstaka resurs sekventiellt bearbetar flera samtidiga begäranden i långa köer.
Det är en beprövad teknik att cachelagra innehåll i minnet på en server eller i ett SAN på en DRAM-appliance (Dynamic RAM) för att minska latensen och därmed förbättra prestanda på programnivå. Men eftersom det tillgängliga minnet på en server eller i en cachelagringsappliance (mätt i gigabyte) endast är en liten bråkdel av kapaciteten i till och med en enstaka diskenhet (mätt i terabyte), räcker inte de prestandafördelar som går att uppnå med traditionell cachelagring för att hantera datafloden.
Framsteg inom NAND-flashminnen och flashlagringsprocessorer i kombination med mer intelligenta cachelagringsalgoritmer löser de traditionella problemen med skalbarhet inom cachelagring. Det gör cachelagring till ett effektivt, kraftfullt och kostnadseffektivt sätt att accelerera programprestanda i framtiden. Halvledarminnen är perfekta för cachelagring eftersom de ger en betydligt mindre latens än hårddiskenheter med jämförbar kapacitet. Cachelagring ger inte bara högre programprestanda utan ger även möjlighet att använda virtualiserade servrar så att det går att utföra mer arbete på ett kostnadseffektivt sätt med samma antal programvarulicenser.
Halvledarminnen ger vanligtvis bäst prestandaförtjänster när flashminnet placeras direkt på servern i PCIe-bussen. Sedan används intelligent cachelagringsprogramvara för att placera de data som används oftast i flashlagring med låg latens. Det går att komma åt de data som används ofta både snabbt och deterministiskt oavsett arbetsbelastningen eftersom det inte finns någon extern anslutning, inget mellanliggande nätverk till ett SAN eller NAS samt ingen risk för associerad trafiköverbelastning eller fördröjning. Något som är intressant för de personer som har uppgiften att hantera eller analysera massiva datainflöden är att vissa accelerationskort för flashlagring nu stöder halvledarlagring med flera terabyte. Det gör det möjligt att lagra hela databaser eller andra datauppsättningar som data som används ofta.

Mobila nätverk
Trafikbelastningen i mobila nätverk fördubblas varje år, till stor del på grund av den stora ökningen av videoprogram. Bandbredden för åtkomst per användare ökar i storleksordning från ungefär 100 Mbit/s i 3G-nätverk till 1 Gbit/s i 4G LTE Advanced-nätverk (Long Term Evolution), som i sin tur kommer att leda till ännu fler grafikintensiva program som kräver större bandbredd.
Basstationer måste utvecklas snabbt för att hantera den ökande nätverksbelastningen. I infrastrukturen används nu flera radioenheter i molnlika distribuerade antennsystem och nätverkstopologierna planas ut. Operatörer har planer på att leverera avancerad QoS (Quality of Service) med platsbaserade tjänster och programinriktad fakturering. Precis som i företagsnätverken går det bara att hantera de här komplexa realtidsuppgifterna genom att använda accelerationsmotorer som är inbyggda i smart kisel.
Det krävs fler och mindre celler för att kunna ge högre 4G-datahastigheter på ett pålitligt sätt till ett ökande antal mobila enheter i ett nätverk. Det är det som driver behovet av att distribuera flera SoC i basstationer. Det finns ytterligare en viktig fördel med att minska antalet komponenter och använda flera SoC – lägre effektförbrukning. Effektförbrukning är nu en mycket viktig faktor i alla nätverksinfrastrukturer, från gränsen till kärnan.

Det kommer att bli nödvändigt att använda SoC-kretsar med flera kärnor och flera accelerationsmotorer i mobila 3G- och 4G-nätverk.
(klicka här för större bild)

Det sker snabba och komplexa förändringar i företagsnätverk, i datacenters lagringsarkitekturer och i infrastrukturer för mobila nätverk. Det bästa (och möjligtvis det enda) sättet att möta de här förändringarna på ett effektivt och kostnadseffektivt sätt och samtidigt dra nytta av de möjligheter som datafloden medför, är att använda de lösningar med smart kisel som dyker upp i flera olika format för att kunna uppfylla behoven i nästa generations nätverk.
Greg Huff, teknikchef på LSI

Greg Huff är teknikchef på LSI. I den här rollen har han ansvaret att ta fram en strategi för framtida tillväxt av LSI-produkter i lagrings- och nätverksbranschen. Huff kom till företaget i maj 2011 från HP, där han hade befattningen vice vd och teknikchef i företagets Industry Standard Server-verksamhet. Där hade han ansvar för den tekniska strategin för HP:s ProLiant-servrar, produkter i BladeSystem-serien och företagets verksamhet för infrastrukturprogramvara. Han hade tidigare befattningen FoU-chef för HP Superdome-produktserien. Huff har en bachelorexamen i elteknik från Texas A&M University och en MBA från Cox School of Business på Southern Methodist University.

Filed under: Embedded