Как появился на свет QuantumFlow, самый мощный в мире сетевой процессор

QuantumFlow - один из сложнейших кремниевых продуктов, созданный компанией Cisco Systems для интеллектуальной поддержки современных коммуникаций.

Процессор Cisco QuantumFlow представляет собой «сердце» (а еще можно сказать – «мозг») нового сетевого продукта - маршрутизатора агрегационных услуг Cisco ASR 1000, который в ближайшем будущем станет передавать цифровой контент по всей планете, повышая качество видеоизображений, ускоряя доставку информации, увеличивая качество музыки и делая Интернет еще более интересным и привлекательным.

Процессор QuantumFlow с тактовой частотой, превышающей 1 гигагерц, увеличит производительность маршрутизатора ASR 1000 на несколько порядков по сравнению с любым маршрутизатором такого же класса, особенно, при выполнении сложных задач. Новый чипсет Cisco  состоит из 40 процессорных ядер и 800 миллионов транзисторов. Многоядерные чипы, такие как QuantumFlow, объединяют в одном полупроводниковом продукте несколько процессоров, повышая их «тягловую силу», как бывает, когда несколько лошадей запрягают в одну повозку. Это дает несомненные преимущества, особенно, если учесть, что большинство сетевых процессоров может одновременно обрабатывать лишь один поток пакетов. Процессор же QuantumFlow может одновременно обрабатывать по четыре потока на каждом из 40 ядер. Иначе говоря, QuantumFlow одновременно работает со 160 цифровыми пакетами!

Следует иметь в виду, что согласованная обработка всех этих потоков представляет собой непростую задачу. «Сложность этой задачи составляет N в квадрате, - говорит Стефан Дикерхофф (Stefan Dyckerhoff), вице-президент и генеральный менеджер отдела Cisco по разработке маршрутизаторов  среднего класса. - Именно здесь Уилл Этертон (Will Eatherton) и его команда добились наиболее впечатляющих результатов».

Новый подход к кремнию

Успешно разработав процессор предыдущего поколения Cisco SPP для флагманских маршрутизаторов Cisco CRS-1, Уилл Этертон получил от руководства компании новое задание: разработать то, чем Cisco никогда раньше не занималась. Задание включало самостоятельную разработку мощного сетевого микропроцессора, а это, как заметил Этертон, «не просто новый проект, а настоящее свершение».

Умело руководя своей командой, Уилл Этертон оптимизировал процессор Cisco QuantumFlow для выполнения специфических задач, стоящих перед современными IP-сетями. Новый процессор оказывает особо эффективную поддержку сложным видео- и аудиокоммуникациям. «Мы работали совершенно самостоятельно, опираясь на собственный сетевой опыт. Это позволило создать процессор, выполняющий многие задачи гораздо быстрее, чем любой другой сетевой процессор, имеющийся на рынке», - утверждает главный творец QuantumFlow, который увлекается марафонским бегом и решил заняться электротехникой, так как посчитал физику недостаточно сложной.

Команда Этертона разработала новые алгоритмы и архитектурные решения для более эффективной координации параллельной обработки трафика многоядерным процессором. Еще одно важное достижение состоит в том, что программное обеспечение для процессора QuantumFlow написано на широко известном языке «C», что позволяет Cisco и ее заказчикам гораздо легче и быстрее разрабатывать и внедрять новые функции и услуги для маршрутизатора ASR 1000.

Чипсет QuantumFlow, созданный на основе 42 запатентованных технологий, предоставляет новому маршрутизатору Cisco необходимые ресурсы для поддержки функций учета состояний («stateful») без потери скорости. Соединение с учетом состояний означает, что маршуртизатор или другое сетевое устройство отслеживает весь поток пакетов и может точно определить взаимные связи пакетов, их адресацию и функции.

До сих пор большинство интернет-маршрутизаторов работало без учета состояний («stateless») и обрабатывало каждый пакет отдельно. При этом сетевые специалисты понимали все преимущества учета состояний, но для реализации этих функций нужно было разработать достаточно ”умные” и достаточно мощные маршрутизаторы, способные выполнять сложные сетевые задачи без потери пакетов. Это было не так уж трудно в эпоху, когда Интернет представлял собой, в сущности, простой трубопровод, перекачивающий данные из одной машины в другую. Но сегодня мы живем в мире многозадачности. Современные IP-сети не только перекачивают гигантские объемы информации, но и передают телефонные звонки, потоковую музыку, мгновенные сообщения и самый требовательный вид трафика - видео. Если добавить к этому сложности беспроводной связи, то станет ясно, сколь непростые задачи ныне приходится выполнять маршрутизаторам. Уместно также напомнить, что до сегодняшнего дня сетевые администраторы были вынуждены выбирать между скоростью и функциональностью. «Во многих случаях, - говорит Стефан Дикерхофф, - администраторы включали те или иные функции лишь на короткое время, чтобы не замедлять работу сети, а это, разумеется, не лучший вариант».

Достижение космического масштаба

Когда проекту QuantumFlow дали старт, разработчики даже не думали о маршрутизаторе ASR 1000 - руководство компании лишь попросило заслуженного инженера Cisco (Cisco Distinguished Engineer) Уилла Этертона создать технологию для мультимедийных коммуникационных сетей XXI века. Узнав о задаче, поставленной перед командой Этертона, архитектор проекта ASR 1000 Майкл Бисли (Michael Beesley) понял, что речь идет о работе космического масштаба. «Я обрадовался, как ребенок, - говорит Бисли. - Я понимал, какую функциональность должен поддерживать этот процессор, но не имел ни малейшего представления о его структуре. Я встретился с Уиллом, и он сказал мне, что процессор есть, но для него нужен соответствующий продукт. Таким образом, независимо друг от друга, мы решили важную проблему, подходя к ней с разных сторон: я создавал для мирового рынка самый совершенный маршрутизатор, а Уилл и его команда делали все возможное, чтобы мой маршрутизатор действительно стал наилучшим».

Первый образец процессора QuantumFlow появился на свет в феврале 2007 года. Инженеры, работавшие над этим проектом в разных странах, съехались, чтобы вместе протестировать свое детище. Любая недоработка, вскрытая на этом этапе, могла привести к ужасным последствиям и отложить массовое производство нового процессора как минимум на девять месяцев. В отличие от разработки программного обеспечения, создание чипа похоже на работу скульптора, занимая много времени и практически не допуская переделок. «Мы все были как на иголках, - вспоминает Уилл Этертон. - Люди не покидали служебные помещения Cisco по одному-два месяца. Вместе с тем это было удивительное время: мы видели, как процессор слой за слоем превращается из идеи в реальность».

Чипсет под кодовыми названиями Popeye* и Spinach* был протестирован и отлажен в рекордные сроки. Уилл Этертон, считающий процессор QuantumFlow главным достижением своей жизни, говорит, что пристальный интерес Cisco к новейшим кремниевым технологиям принес замечательные плоды: «Эта победа назревала давно. В процессоре QuantumFlow на практике воплотился наш десятилетний опыт».

Самостоятельно разработать новый процессор компании Cisco помогли два принципиально важных приобретения. В 2002 году Cisco купила компанию Navarro Networks из города Плано (штат Техас). 25 сотрудников этой компании специализировались на разработке высокопроизводительных микрочипов для сетевых приложений. А два года спустя созданию процессора QuantumFlow и маршрутизатора ASR 1000 помогло приобретение начинающей компании Procket Networks, которая разрабатывала мощные маршрутизаторы для управления центральными магистралями цифровых коммуникаций.

Разработку процессора Cisco QuantumFlow в течение пяти с лишним  лет вели более ста инженеров, и этот проект обошелся компании примерно в 100 млн долларов. На начальном этапе Этертон и его команда более года так и сяк оценивали разнообразные варианты строительства процессора, который соответствовал бы многозадачным требованиям современных сетей. Иногда Этертону казалось, что руководство Cisco потеряет терпение, а затем и интерес к столь амбициозному и вместе с тем рискованному проекту. К счастью, этого не случилось, и в результате достоянием всего человечества стал процессор, способный буквально в одно мгновение ока обрабатывать 24 млн команд и поддерживать процессорную мощность двадцати двухъядерных серверов при сокращении рабочих площадей в 10 раз и экономии 38.990 киловатт-часов в год.

* Главный герой диснеевского мультфильма «Моряк Попай». Этот персонаж использовался в рекламе шпината, отсюда и второе кодовое наименование чипсета - Spinach.

Наталья Жукова

natalya.zhukova@apnet.ru