Если на Intel Architecture Day были даны лишь сведения общего характера о том, как компания видит сети будущего, то на Hot Chips 32 «синие» рассказали в деталях о новой архитектуре сетевых коммутаторов Tofino2. Этот проект развивался в рамках приобретения Intel активов компании Barefoot Networks, в своё время прославившейся в узких кругах выпуском полностью аппаратного, со своей ОС на борту, сетевого контроллера Killer NIC.
 
Эта компания занималась и разработкой высокоскоростных сетевых коммутаторов. Сейчас, когда с момента приобретения Barefoot Networks прошло чуть более года, Intel готова представить подробные результаты. Архитектура Tofino2 следует современным тенденциям и не является жёстко фиксированной — она относится к категории программируемых решений, что должно обеспечить существенную степень гибкости при создании сетей нового поколения.
 
И речь идёт не только о теории: Intel уже имеет на руках работоспособные системы на базе Tofino2. Как Intel, так и Barefoot пришли к идее программируемого коммутатора ранее, ещё до сделки. Надо сказать, что Tofino2 не является процессором в прямом значении термина; разумеется, эти чипы будут содержать блоки фиксированной логики. В частности, это касается блоков сериализации-десериализации (трансиверов, SerDes).
 
А вот уровень MAC и основной конвейер обработки у Tofino2 обещают быть программируемыми. За счёт этого Intel надеется уменьшить накладные расходы на масштабировании в новых коммутаторах. Добавление новых функций, по мнению разработчиков, должно обойтись в 20-30% прироста в площади кристалла и уровне энергопотребления, против десятикратного у вероятных аналогов, построенных исключительно на основе фиксированной логике.

Кроме того, за счёт такой программируемости архитектура Tofino позволяет обрабатывать пакеты любого сетевого протокола. Уже в первой 16-нм версии «кремния» Intel удалось добиться показателей производительности на уровне 6,5 Тбит/с за счёт реализации программируемой части на базе языка P4, который специально создан для сетевых устройств вроде коммутаторов и маршрутизаторов.
 
Это делает решения Tofino сравнимым по классу с чипами Broadcom Tomahawk и Trident, а в некоторых отношениях они превосходят их. Это относится как к производительности и более низкому уровню энергопотребления на порт, так и к более продвинутой системе телеметрии и удалённого управления.
 
Поколение Tofino2, о котором идёт речь, демонстрирует ещё более впечатляющие характеристики: 12,8 Тбит/с и 6 миллиардов пакетов в секунду. Оно использует модную сейчас мультичиповую компоновку (2,5D CoWoS, аналогична используемой в графических чипах) и производится с использованием 7-нм техпроцесса TSMC. В составе базовой части имеется четыре «ядра», каждое с производительностью 3,2 Тбит/с и единый буфер объёмом 64 Мбайт.
 
Также внутри реализовано 32 интерфейса MAC класса 400G; самый производительные аналогт имеют столько же. В отличие от соперников, блоки трансиверов (SerDes) у Tofino2 выполнены отдельными кристаллами-тайлами, каждый из которых содержит 64 канала 56G-PAM4. Контроллер PCI Express расположен в основном кристалле и он, увы, ограничен версией 3.0.

За счёт архитектуры VLIW Tofino2 очень быстро производит анализ пакетов и принимает решение об их дальнейшей «судьбе», для этого, помимо прочего, в составе чипа имеются и функции «машинного обучения» — процессор ведет метрики и статистику буферов ввода-вывода. Объёмистый и единый для всех «конвейеров» буфер пакетов используется для скоростного управления трафиком, задержка QoS не превышает 1,68 наносекунды для 64-байтного пакета.
 
Но, пожалуй, одним из самых главных новшеств в Tofino2 в сравнении с первым поколением программируемых коммутаторов Intel/Barefoot стало наличие установленных в единой упаковке с основным процессором оптических модулей ввода-вывода. Они соответствуют всем современным стандартам и способны обеспечивать работу на скорости 400 Гбит/с, актуальной на сегодня.
 
Другие разработчики кремния для высокоскоростных коммутаторов полагают, что фотоника такого уровня пока является «ранней пташкой» и будет востребована через одно-два поколения, но у Intel уже есть рабочая технология, которая успешно демонстрируется. И не только демонстрируется, но уже поставляется крупнейшим клиентам компании. Похоже, за программируемыми коммутаторами действительно лежит будущее.

Может быть, Tofino2 и несколько опережает своё время, но его архитектура является удобным и универсальным строительным блоком, позволяющим реализовывать владельцам поддержку новых функций малой кровью, а не заменой всех коммутаторов в ЦОД новые. Вопрос лишь в своевременном появлении нового программного обеспечения.