高速連接系統(tǒng)設計在云計算中面臨的挑戰(zhàn)

已經(jīng)大規(guī)模普遍使用的互聯(lián)網(wǎng)增加云服務（例如：蘋果iCloud）以后，數(shù)據(jù)中心的純計算與存儲要求正經(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)絡指數(shù)（VNI）預測報告清楚地顯示了這一趨勢，其預測興趣點為移動空間的增長情況（請參見圖1）。 “云”計算與存儲引入以后，在這種新穎模式的推動下，帶寬消耗越來越大。移動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)容復制到云存儲，將視頻轉(zhuǎn)碼發(fā)布，并將多媒體數(shù)據(jù)復制到各種各樣的設備中（更不必說在社交網(wǎng)絡上發(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

　　但是，這些增長是有代價的——不僅僅是費用，還包括功耗方面。新一代服務器和網(wǎng)絡的設計人員已經(jīng)在同功耗做斗爭——在購置成本（CoO）和實用熱設計兩方面。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)設計一樣，新一代服務器和網(wǎng)絡首先應提高性能。在云計算架構(gòu)中，服務通常會隨加載變化而變化。已不再是一臺“服務器”，而是一種離散式硬件設備。在大多數(shù)情況下，提供服務的實際硬件可以放置在服務提供商基礎設施內(nèi)部的任何地方，其位置具有“不確定性”，隨時變化。這種性能提升被稱為軟件框架內(nèi)的服務“虛擬化”或者封裝，其允許服務在硬件主機之間自由移動。這樣便讓服務提供商可以根據(jù)需求改變資源，從而降低基礎設施的功耗。

　　由于服務得到控制，就有了大量的“機器到機器”（M2M）活動。在大多數(shù)數(shù)據(jù)中心，大多數(shù)數(shù)據(jù)傳輸都在機器之間進行，而不用連接外部世界。虛擬化的加入，推動了從1 Gbps連接（許多老舊服務器上的標準）轉(zhuǎn)向10 Gbps連接的需求。今天，這種需求正推動轉(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器集群的構(gòu)架。單個機架會放置許多刀片式服務器，其連接至機架頂部（或者底部）的開關(guān)。機架成行放置，通過集線器整合，然后將信息發(fā)送至其他服務器行或者網(wǎng)絡存儲器。

　　使用1Gb連接時，小型標準線可以在信號完整性丟失相當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器以外的氣流減少；2）決定你在機架中能夠布置多少條連線的彎曲半徑（參見圖2）。

　　圖2：機架內(nèi)部布線

　　轉(zhuǎn)向使用10G以太網(wǎng)以后，信號完整性問題更加突出，無源線纜開始使用更大標準線來補償。氣流/彎曲半徑問題開始顯現(xiàn)，安裝人員/設計人員開始想要使用光纖連接來解決這個問題。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10G以太網(wǎng)SFP+模塊的功耗為1瓦左右。使用數(shù)以萬計的端口時，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)（機架溫度上升）。