高速連接系統(tǒng)設(shè)計(jì)在云計(jì)算中面臨的挑戰(zhàn)

已經(jīng)大規(guī)模普遍使用的互聯(lián)網(wǎng)增加云服務(wù)（例如：蘋果iCloud）以后，數(shù)據(jù)中心的純計(jì)算與存儲(chǔ)要求正經(jīng)歷史無前例的增長。這種增長直接影響到了能耗。隨著它的不斷增長，工程師們也正在尋找控制功耗的解決方案。由于聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所使用的連接器傳輸速度超出了每秒10Gb （Gbps），因此，本文中我們將專門研究連接器功率預(yù)算，以及降低這些高速通道功耗的解決方案。

　　引言

　　今天，毫無疑問互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸正迅速增長。思科公司的最新（2011年6月）視覺網(wǎng)絡(luò)指數(shù)（VNI）預(yù)測報(bào)告清楚地顯示了這一趨勢(shì)，其預(yù)測興趣點(diǎn)為移動(dòng)空間的增長情況（請(qǐng)參見圖1）。 “云”計(jì)算與存儲(chǔ)引入以后，在這種新穎模式的推動(dòng)下，帶寬消耗越來越大。移動(dòng)用戶從簡單的文本數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)向高清照片和視頻傳輸，用戶迫切需要將這些內(nèi)容復(fù)制到云存儲(chǔ)，將視頻轉(zhuǎn)碼發(fā)布，并將多媒體數(shù)據(jù)復(fù)制到各種各樣的設(shè)備中（更不必說在社交網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布）。這種性能壓力最終要求提高處理和通信能力。

　　圖1：2010-2015年互聯(lián)網(wǎng)帶寬趨勢(shì)

　　但是，這些增長是有代價(jià)的——不僅僅是費(fèi)用，還包括功耗方面。新一代服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)人員已經(jīng)在同功耗做斗爭——在購置成本（CoO）和實(shí)用熱設(shè)計(jì)兩方面。怎樣構(gòu)建系統(tǒng)才能既提高性能又降低功率呢？在信息爆炸式增長的時(shí)代，這是一場永無止境的戰(zhàn)斗。

　　首先研究什么

　　同所有系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣，新一代服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)首先應(yīng)提高性能。在云計(jì)算架構(gòu)中，服務(wù)通常會(huì)隨加載變化而變化。已不再是一臺(tái)“服務(wù)器”，而是一種離散式硬件設(shè)備。在大多數(shù)情況下，提供服務(wù)的實(shí)際硬件可以放置在服務(wù)提供商基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)部的任何地方，其位置具有“不確定性”，隨時(shí)變化。這種性能提升被稱為軟件框架內(nèi)的服務(wù)“虛擬化”或者封裝，其允許服務(wù)在硬件主機(jī)之間自由移動(dòng)。這樣便讓服務(wù)提供商可以根據(jù)需求改變資源，從而降低基礎(chǔ)設(shè)施的功耗。

　　由于服務(wù)得到控制，就有了大量的“機(jī)器到機(jī)器”（M2M）活動(dòng)。在大多數(shù)數(shù)據(jù)中心，大多數(shù)數(shù)據(jù)傳輸都在機(jī)器之間進(jìn)行，而不用連接外部世界。虛擬化的加入，推動(dòng)了從1 Gbps連接（許多老舊服務(wù)器上的標(biāo)準(zhǔn)）轉(zhuǎn)向10 Gbps連接的需求。今天，這種需求正推動(dòng)轉(zhuǎn)向使用25 Gbps連接。這些連線中的許多長度不到5米，而大多數(shù)的長度都在1米以內(nèi)。出現(xiàn)這種情況的原因是服務(wù)器集群的構(gòu)架。單個(gè)機(jī)架會(huì)放置許多刀片式服務(wù)器，其連接至機(jī)架頂部（或者底部）的開關(guān)。機(jī)架成行放置，通過集線器整合，然后將信息發(fā)送至其他服務(wù)器行或者網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器。

　　使用1Gb連接時(shí)，小型標(biāo)準(zhǔn)線可以在信號(hào)完整性丟失相當(dāng)小的情況下輕松傳輸數(shù)據(jù)。這很重要，原因是：1）由于線路阻塞氣流外流使服務(wù)器以外的氣流減少；2）決定你在機(jī)架中能夠布置多少條連線的彎曲半徑（參見圖2）。

　　圖2：機(jī)架內(nèi)部布線

　　轉(zhuǎn)向使用10G以太網(wǎng)以后，信號(hào)完整性問題更加突出，無源線纜開始使用更大標(biāo)準(zhǔn)線來補(bǔ)償。氣流/彎曲半徑問題開始顯現(xiàn)，安裝人員/設(shè)計(jì)人員開始想要使用光纖連接來解決這個(gè)問題。轉(zhuǎn)向使用光纖帶來了一些問題，例如：高成本和高功耗等。典型單個(gè)10G以太網(wǎng)SFP+模塊的功耗為1瓦左右。使用數(shù)以萬計(jì)的端口時(shí)，光纖連接的功耗需求量便急劇增加，并且功耗增加帶來的一些問題也隨之出現(xiàn)（機(jī)架溫度上升）。