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串行互连技术新趋势 串行交换主要协议对比

来源:博天堂官网 | 时间:2018-09-30

  传统的平行总线架构已经成为历史。提高时钟频率和最大限度地减小相位差(skew) 和延迟而导致的复杂度的增加,以及对信号噪声和干扰的控制,已大大超出了传统的总线架构的能力。

  今天,通信、网络、服务器和存储系统的设计师正在寻求更高的系统带宽,以加速向串行总线架构的转移。这些自动计时的总线结构消除了数据与时钟线之间的相位差,为更快的数据传输速率和更高的每引脚带宽打开了一扇大门。而且,这样做为高度灵活和具有成本效益的解决方案奠定了基础。

  另外,一种技术应该可以满足多种应用,设计师和 OEM 厂商发现,无论这些技术是基于标准的还是专用的,最佳的解决方案需要针对不同应用采用不同的串行互连技术。每一项技术应当提供唯一的性能属性、成本结构、管理能力及服务和可靠性水平。每项技术也为未来的产品扩展和发展提供了与众不同的机会。

  本文旨在为业内人士和正在这一快速发展的领域做出选择的公司提供一个指导。本文通过描述不同串行 I/O 互连标准的优点及其优势和性能,以及鉴别使那些技术获得最佳效果的应用,为那些不断增加的、正在评估串行互连技术的设计公司、产品开发商和OEM提供有价值的资源。

  串行交换产品市场通常能够分为两个细分市场:通信和网络,以及企业服务器和存储。

  IDT洞悉了通信和网络行业的广泛变化,即在系统组件和机架方面都在由专用向基于标准的产品方向发展。为了避免过于依赖于单一的专用交换提供商,以及与日俱增的要求减少内部研发成本的压力,使服务提供商和设备开发商正向基于标准的交换构架靠拢。

  对基于标准的系统的最新关注将推动由PCI工业计算机制造商组织 (PCI Industrial Computer Manufacturers Group, or PICMG) 开发的基于先进电信计算架构 (Advanced Telecom Computing Architecture,ATA) 规范的系统的采用。这一规范定义了采用交换结构和速率从2.5 Gbit/秒到 2.5 Tbits/秒的串行连接技术的基于背板的系统。ATCA3.0 标准既概述了包括物理特性,如系统的机架形状、热量管理、电源管理及电气信号,还定义了现有的中央办公室和数据中心系统的机械和物理尺寸。但是它没有定义结构协议,而是支持采用针对不同应用的多种协议。市场调查公司RHK的分析师预测,在ATCA 未来的增长方面,到2007年其市场容量将达到7万台。

  由于业界统一了基于标准的硬件,OEM厂商将自然而然地在软件、服务和销售渠道支持方面寻求与众不同。但是,与此同时,对性能的要求将继续增加。用户已经开始迫切需求串行数据速率超过5 Gbits/秒的背板。他们也对与串行互连紧密相关和不太相关的板上交换器件感兴趣。

  作为PCI 的继承者,PCI Express (PCIe) 已经赢得这一市场的广泛接受,首先是在芯片到芯片互连,随后是在背板方面。OEM 厂商将首先在网络和存储市场采用了PCIe技术,在明年将提供原生PCIe 硬件。

  针对应用的高带宽端点,如千兆位以太网、光纤通道、SATA 和串行 SCSI 也将在2005年进入市场,而CPU芯片组上PCIe 端口的有限可用性将可能推动PCIe 扇出产品的应用。模型和系统配置的应用近期仍保留在初级阶段。

  与此同时,到明年,OEM厂商将开始配置基于PCIe 的针对快速增加的 I/O 的刀片系统。国际数据公司 (IDC) 预测,刀片服务器市场将快速增长,从2004年的40万台猛增到2008年的超过257万台。

  在未来几年,InfiniBand 和新兴的先进交换互连 (Advanced Switching Interconnect,ASI) 协议将力争得到高端多处理器服务器和存储市场的接受。作为第一个进入市场的高端协议,InfiniBand将在竞争解决方案中保持其显著的领先优势。然而,从长期看,ASI的服务质量 (QoS) 、安全性和组播等内在优势,以及其与PCIe硬件的兼容性,将使之成为一个更具有吸引力的选择,并推动其在中高端服务器集群和存域网等领域的接受。

  大量的主要结构和器件互连协议可以通过普通功能(互连基架、背板、板上位)组织起来,从而保持主要和从属的匹配。主要匹配表示该协定是最佳的,而且具有普通功能作为主要的使用模型。从属匹配认为用户可能采用该标准,但是需要解决次佳的性能或者实现成本削减等。

  在需要“数据通道结构”的通信应用领域,ASI比以太网更具杰出的性能和价值。ASI具有从基层直到支持运营级的性能,可提供服务质量 (QoS)、高水平的可靠性、出色的性能和广泛的可升级性。它同时支持针对无线局域网 (WAN) 应用的多重协议,并可提供使系统保持在流量管理架构控制状态的无缝结构。单从性能角度来说,ASI 为基于标准的外形尺寸提供了向10 Gbits/秒甚至更高速率方向发展的可能。

  比较而言,尽管有许多产品,以太网不能对运营级的服务质量或提供支持和性能保证。以太网背板的流量管理架构受到以太网交换器的流量管理能力的限制。因此,系统提供商不能使这种功能有所区别。作为针对不可靠传输媒介的低成本网络技术,这种架构允许丢失信息包,它依赖TCP/IP层的端到端可靠性,且流量控制能力最小。最后,这一架构必须额外提供4倍的背板带宽,以弥补协议与产品的不足。

  然而,以太网的普遍采用和大量安装基数也提供了许多重要的优势。例如,由于生产规模的优势,提供商能够以非常具有竞争力的价格提供以太网交换器。而且,因为这一技术已经在广泛的应用中被多种产品采用,该架构对于设计公司和OEM厂商来说也更加熟悉。因此,在许多“上行链路”就使用本地以太网的接入/集合系统中,如E-PON系统,以太网有时很有可能仍然是互连系统的选择。

  非透明桥接的PCIe交换为需要实现高速PCI管理层的多处理器系统设计师提供了一个非常诱人的选择。这些设计师仍然希望最大限度地降低成本,并且保留其现有PCI软件的基础架构。该技术与透明PCI到PCI桥接不同,它增加了总线区段之间的地址域隔离。反过来,它可使多处理器配置中的一个处理器依次作为主机或结构管理器,从而消除系统控制的冲突。这一方法为减少分布式处理器的数量和操作系统的限制要求,并使拥塞管理需求最小化的应用提供了一个低成本的解决方案。然而,它要求系统设计师为用户提供软件补丁。

  采用ASI芯片的多处理器架构为多于6个处理器,且处理器间的通信需要低等待时间环境的系统提供了一个更强大的解决方案。ASI 不依赖于地址路由,而是增加了可提供对等通信和共享 I/O 接入机制的特性。这些能力使设计师无需采用非透明桥接,就可均等地配置多处理器系统。与此同时,ASI 为基于插座的接口通信或基于PCIe架构编写的现有软件提供了一个移植途径,从而保存了软件开发的价值。由于ASI 在物理和数据链接水平上与PCIe架构兼容,设计师能够轻易构建整合了两种技术的系统。事实上,大多数主要的微处理器提供商正在计划引进集成了PCIe端口的产品,这些产品将与ASI 中枢连接并通过非透明PCIe桥接器与内置ASI 芯片共存。

  InfiniBand 是专门为数据中心集群等高端计算应用而定制的。其软件集约的协议、复杂的寻址和路由配置使机架到机架的互连扩大到成百或成千个节点。支持这些应用以及最小的拥塞管理需要丰富的协议。然而,在有限的应用空间下,InfiniBand 只能提供有限的规模经济效益和适度的软件支持。一些高端存储应用也使用 InfiniBand 作为背板互连技术,因为在刚刚被引进市场时,它是唯一的低等待时间、高可靠性和可升级的技术。

  除了为有效的路由配置提供所需的特性外,ASI还具有提高流量控制和拥塞管理,以及跨协议的能力。这些能力为与日俱增的采用 I/O 虚拟化和分解架构的服务器和存储应用提供了一种诱人的优势。而且,通过扩展PCIe的能力和融合其生态系统,ASI为设计师提供了保留灵活性规模和软件支持的经济效益。

  面向已定的市场应用,下面的表格总结了最倾向采用的互连协议组合,针对既定的市场应用和普通系统功能。

  在这一应用中,系统将利用ASI 提供的性能丰富的协议优势,包括拥塞管理、服务质量、多点传送、混合数据及控制层传输等能力。这些系统需要以运营级的性能和可靠性,在一个潜在拥塞的环境中支持多种传输类型。

  在要求运营级的性能和可靠性的同时,这些系统也要求提供处理混合数据传输类型的能力。在传输类型组合上增加一个 DSP 集群刀片, AS 背板就能够为无线基础架构提供所需的一系列稳定特性,以及针对控制层和数据层传输的“会聚”结构的灵活性。这最终降低了分类数据层和控制层的拥有成本。

  这些系统非常依赖于DSP束进行基带处理,串行RIO交换器提供在DSP之间性价比高的数据传输,在每个卡上通过串行RapidIO端口。新增的桥接器实现灵活的背板,从而适应基于广泛协议的设计,比如CPRI、OBSAI、GbE、PCIe 或者 AS。

  这些应用依赖于所使用的PCIe交换器提供的附加 I/O 插槽和板上连接性。这种情况更多地发生在 2路和 4路服务器上。现有的PCI-X 插槽可以改为一个PCIe 到 PCI-X 的桥接器。

  由于存储系统开始向PCIe技术转移,对PCI Express 交换器能力的需求将会增加,以便采用非透明桥接支持 I/O 高性能扩展、数据密集端点,如光纤通道、RAID适配卡和冗余的1:1架构。

  ASI 将为这一市场提供的无可比拟的优势将推动这一技术在背板上的应用。从长远来看,ASI将为以太网相关的市场提供引人注目的性能和成本优势,包括一种以太网无法复制的集成的数据层和控制层方案。Rapid Fabric市场容量太小,无法与背板结构的市场价值相比。

  板上互连的变化取决于使用的子系统线卡。NPU刀片服务器开发商很可能转向SPI-4.2 或 SPI-3 接口,并在局域控制层互连采用某种PCIe解决方案。CPU卡开发商将采用 PCIe 技术,而 DSP卡设计商将选择串行 RapidIO 解决方案。

  RapidIO 对于涉及对等处理和依靠如DSP之类的嵌入式处理器件的无线基础架构应用具有特殊的适配性。串行 RapidIO 非常适合实现在分配处理环境,如DSP 集群中的适宜性能,同时提供必须的扩展、升级、兼容和可靠性。与此同时最小化以几个关键参数衡量的系统成本。适合的网路间桥接器将允许在刀片系统,如装备可实现ASI背板的基于ATCA 的机架,之内配置串行 RapidIO 线路板。

  PCIe交换器和桥接器为设计师寻求 I/O 扩展能力,同时仍然保持与现有的PCI-X/PCI 系统的桥接提供了最诱人的选择。未来对 I/O 虚拟化和处理器间通信的要求能够利用ASI解决方案或PCIe的改良版实现。ASI 将为与分解架构一起建立起来的系统提供一个颇具吸引力的选择,而以太网仍然将是刀片服务器架构事实上的标准技术。

  ASI 将直接与 Infinband 争夺中高端市场。从长远来看,由快速扩展的PCIe基础架构所推动的ASI的价格和性能优势,将最终被证明对存储应用具有强劲的优势。

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