Многоядерные микропроцессоры Cavium octeon

Многоядерные  микропроцессоры  Cavium семейства OCTEON

     Многоядерные  микропроцессоры данного семейства  являются наиболее масштабируемыми, обладают высокой производительностью и  низким энергопотреблением среди всех процессоров Cavium. Предназначены для  сетевых приложений, работающих в диапазонах от 100 Мбит/сек до 40 Гбит/сек. Как правило, используются в сетевом оборудовании и в различных системах хранения: маршрутизаторы, коммутаторы, UTM-устройства¹, коммутаторы контента², шлюзы уровня приложений, мультисервисные шлюзы, устройства WLAN, 3G/4G, массивы хранения данных, оборудование для сетей хранения данных и серверов.

     Семейство OCTEON состоит из девяти производственных линий (рис. 1), отличающихся по производительности, возможностям, требованиям к целевой аппаратуре и стоимости. Все процессоры OCTEON совместимы на уровне приложений и поддерживаются стандартными средствами разработки (toolchains) и операционными системами включая Linux. В микропроцессорах данного семейства существует поддержка запуска нескольких операционных систем на отдельных ядрах, группирования процессоров в Data-plane и Control-plane процессоры. Cavium предоставляет полный инструментарий для разработки собственного ПО и портирования других С/С++ приложений. Все пакеты SDK представлены в исходных и двоичных кодах в формате лицензии royalty free.

     Микропроцессоры семейства OCTEON обладают широким набором возможностей аппаратного ускорения:

• Communication Processors (CP) (реализует аппаратное ускорение обработки Packet Processing³, TCP⁴, Queuing/Scheduling и QoS⁵);
• Secure Communication Processors (SCP) (реализует аппаратное ускорение IPsec/SSL, SRTP и безопасности WLAN⁶);
• Network Services Processors (NSP) (реализует аппаратное ускорение Deep Packet Inspection, Compression /Decompression⁷);
• Application Acceleration Processors (AAP) (реализует линейное масштабирование производительности приложений на нескольких ядрах);
• Storage Services Processors (SSP) (реализует аппаратную поддержку RAID и других служб, относящихся к системам хранения).

Рис. 1.1. Многоядерные микропроцессоры Cavium

семейства OCTEON 

     Энергопотребление процессоров семейства OCTEON составляет от 7 до 17 Вт на 1 чип.

     Стоимость одного процессора составляет от $59 до $199. 
Компания Cavium Networks представила семейство однокристальных многоядерных микропроцессоров Octeon II – CN68XX и CN67XX с самой высокой в отрасли производительностью для применения в инфраструктуре мобильного доступа в Интернет, дата-центрах. Семейство представлено шестью полностью совместимыми процессорами: CN6740, CN6750, CN6760, CN6860, CN6870, CN6880. Однокристальные микроконтроллеры могут содержать от 8 до 32 ядер на базе архитектуры MIPS64 v2, с рабочей частотой до 1.5 ГГц и обеспечивают суммарную вычислительную мощность до 48 ГГц в 64-битных вычислениях, оборудованы 85 модулями ускорения работы приложений и систем безопасности, средствами виртуализации и революционной системой оптимизации энергопотребления в реальном времени, что в целом обеспечивает пропускную способность до 40 Гбит/с (или до 100 Гбит/с при объединении нескольких микропроцессоров). 

     Производительность  процессоров семейства Octeon II CN68XX/CN67XX в четыре раза превышает этот показатель предыдущего семейства Octeon Plus, а  полная программная совместимость  позволит OEM производителям вторично использовать существующее программное обеспечение и системный дизайн, получая при этом самый простой путь повышения производительности своих систем. Продукты Octeon II являются первой в отрасли линией многоядерных микропроцессоров, разработанных для оборудования дата-центров и сервис-провайдеров, включая роутеры, базовые станции беспроводных сетей 3G/4G, RNC, xGSNs, EPC, сервисные шлюзы, оборудование DPI, коммутаторы хранения и интеллектуальные адаптеры серверов. 

     Быстрое внедрение дата-центров и технологий облачных вычислений (технология обработки данных, в которой компьютерные ресурсы и мощности предоставляются пользователю как Интернет-сервис) наряду с постоянным ростом трафика, как в проводных сетях, так и в мобильных, требует высоких уровней безопасности приложений, вычислительных мощностей и сервисов при скорости передачи данных до 40 Гбит/с. Одновременно, снижение энергопотребления систем становится основной задачей производителей. Благодаря интегрированной революционной системе оптимизации энергопотребления, которая динамически, в зависимости от требований приложений, регулирует энергопотребление и производительность – процессоры Octeon II идеально подходят для данных приложений и систем.

     Основные  характеристики микропроцессоров семейства Octeon II CN68XX/CN67XX:

     новое cnMIPS64 v2 ядро: superscalar архитектура (несколько инструкций выполняются за один машинный цикл), устройства с 8, 12, 16, 24, 32 ядрами и суммарной вычислительной мощностью до 48 ГГц, 32 КБайт кэш данных, 37 КБайт кэш инструкций; 
 

     HyperConnect коммутатор (Cross-bar) с независимым вводом/выводом и сопроцессором: каждое ядро процессора является спаренным с коммутатором с пропускной способностью свыше 6 Тбит/с (Cross-bar с 4 Мбайт кэшем L2 с архитектурой HiperConnect). Общая архитектура оптимизирована с целью снижения времени ожидания и распределения производительности сравнимой с кольцевой или петлевой архитектурой. Независимый ввод/вывод и сеть сопроцессоров значительно повышают производительность для широкого круга приложений;

     усовершенствованные аппаратные модули ускорения работы приложений и систем безопасности:

     свыше 40 Гбит/с в пакетной обработке  данных и TCP;

     свыше 40 Гбит/с в обработке протоколов безопасности IPsec, SSL. Octeon II поддерживает стандарт шифрования WAPI в кодировании/декодировании. Дополнительно содержит модуль аппаратного ускорения Snow3G;

     улучшенный  механизм ускорения сжатия/распаковки – до 20 Гбит/с;

     движок HFA глубокого анализа пакета третьего поколения предоставляет расределение пропускной способности до 15 Гбит/с независимо от числа правил и числа потоков;

     аппаратное  распределение нагрузки между ядрами, масштабирование и пакетный доступ;

     высокая пропуская способность, интегрированная  память, системые и сетевые интерфейсы:

     до 4-х 72-битных DDR3 интерфейса (пропускная способность свыше 400 Гбит/с);

     Ethernet интерфейсы SGMII, RXAUI, XAUI и double-rate XAUI: возможно  получить двенадцать гигабитных, четыре 10 гигабитных и два 20 гигабитных Ethernet подключений;

     два контроллера PCI-Express;

     инновационная система оптимизации  питания в реальном времени:

     способность динамически изменять рабочую частоту  каждого ядра в итоге снижает  расход энергии в реальном времени  в зависимости от рабочей загрузки приложениями или сетевыми задачами. Дополнительно имеется возможность автоматически переводить неиспользуемые сопроцессоры и интерфейсы вода/вывода в режим пониженного энергопотребления. 

     Для процессоров Octeon II компания предлагает полный комплект средств разработки программного обеспечения – Octeon II SDK, который полностью совместим с Octeon SDK и включает инструментарий разработчика для Linux, набор необходимых пакетов программ для компиляции и генерации выполняемого кода, симуляции, оптимизации кода, а также API с широкими возможностями для задач аппаратного ускорения, дополнительные примеры ПО.

       В семейство Cavium OCTEON III вошли процессоры  с 48 ядрами MIPS64, рассчитанные  на частоту 2,5 ГГц 

     Компания Cavium представила семейство процессоров OCTEON III, в которое вошли модели с числом ядер MIPS64 от 1 до 48, предусматривающие возможность линейного масштабирования производительности системы наращиванием числа процессоров. Тактовая частота OCTEON III достигает 2,5 ГГц. По производительности превосходство OCTEON III над OCTEON II достигает четырех раз. По словам производителя, OCTEON III — первые однокристальные системы, в которых интегрирован «лучший в классе высокопроизводительный поисковый процессор», Cavium NEURON Search. Решения Cavium OCTEON ориентированы на применение в составе встраиваемых систем оборудования корпоративных и беспроводных сетей, включая маршрутизаторы, коммутаторы, базовые станции 3G/4G, шлюзы, блоки глубокой инспекции и фильтрации пакетов и серверные сетевые адаптеры. 

     Компания Cavium давно продвигает парадигму многоядерности, сменившую подход, построенный на повышении производительности за счет повышения частоты.  

     Основой OCTEON III служит 64-разрядная микроархитектура cnMIPS64 III. От базовой разработки MIPS она  отличается увеличенным объемом кэш-памяти и сокращенными, более эффективными конвейерами. Обмен данным к кэш-памятью второго уровня организован посредством интерфейса HyperConnect, пропускная способность которого превышает 20 Тбит/с (ядро и кэш-память работают на одной тактовой частоте). Производитель также отмечает применение архитектуры Low Latency Coherency Architecture, которая позволяет объединить несколько процессоров OCTEON III (до 384 ядер) таким образом, что программным обеспечением они будут восприниматься как один логический процессор. В распоряжении такой конструкции может быть до 2 ТБ памяти, а агрегированную производительность компания оценивает в 800 Гбит/с (манипулировать такими единицами измерения производительности удобно, поскольку процессоры OCTEON III предназначены для обработки трафика). В конфигурацию OCTEON III входит более 500 (!) аппаратных ускорителей, включая средства перенаправления пакетов, защиты данных, инспекции пакетов и т.п. Список периферийных интерфейсов включает порты 40G, 20G, 10G, GE, Interlaken, Interlaken/LA, SRIO, PCIe Gen3, SATA 6 Гбит/с и USB 3.0. Есть интегрированный контроллер DDR3/4 (472 бит). 

     О поддержке OCTEON III уже объявили многочисленные разработчики ПО. Первые 28-нанометровые реализации OCTEON III должны появиться  в виде ознакомительных образцов во втором полугодии.