Нагрузка на вычислительные системы постоянно увеличивается, производительность процессоров, памяти и подсистем хранения продолжает стремительно расти. Но появление все новых и новых развивающихся технологий приводит к тому, что компьютеры начинают испытывать дефицит пропускной способности межсоединений.

Потенциальные задержки являются серьезным поводом для беспокойства, и поэтому в ведущих ИТ-компаниях, включая Google, IBM, Samsung и Dell, принимают надлежащие меры. Ожидается, что спецификации, разработанные двумя новыми консорциумами, будут способствовать беспрецедентному росту скорости передачи данных компьютерами уже в начале следующего года.

Характеристики коннектора OpenCAPI Consortium позволят существенно улучшить пропускную способность внутренних межсоединений компьютера. Подобно шине PCI-Express 3.0, соединения OpenCAPI помогут установить связь между подсистемой хранения, памятью, центральными и графическими процессорами, но работать все это будет в десять раз быстрее, а скорость передачи данных достигнет 150 Гбайт/с.

«Оперативная память, средства хранения и графические процессоры становятся все более производительными, и OpenCAPI поможет подготовить компьютеры к появлению новых технологий», — отметил ведущий конструктор IBM Брэд Маккреди.

Графические процессоры управляют сегодня требовательными к ресурсам приложениями виртуальной реальности, решают задачи искусственного интеллекта и выполняют сложные научные расчеты. Дополнительное ускорение компьютерам придают сверхбыстрые технологии наподобие нового типа оперативной памяти и средств хранения 3D Xpoint, обеспечивающие десятикратное по сравнению с памятью DRAM повышение плотности размещения данных и десятикратное по сравнению с твердотельными накопителями увеличение скорости.

Серверы и суперкомпьютеры первыми получат разъемы OpenCAPI. Но в ближайшие годы этой технологией будут охвачены и ПК.

Первые порты OpenCAPI появятся в серверах IBM POWER9 — поставки должны начаться в следующем году. Google и Rackspace намерены оснащать портами OpenCAPI свои серверы Zaius POWER9.

Компания AMD, также принимающая участие в работе OpenCAPI Consortium, конструирует графические процессоры Radeon, которые будут совместимы с портами OpenCAPI серверов POWER9.

Впрочем, появления OpenCAPI в ПК и серверах массового спроса, большая часть которых построена на основе процессоров x86-архитектуры производства Intel и AMD, в ближайшее время ждать не стоит. По заявлению пресс-службы AMD, переходить на OpenCAPI в настольных компьютерах и оснащать соответствующими портами x86-серверы компания пока не намерена.

Ведущий производитель процессоров, компания Intel, не участвует в работе OpenCAPI, и это серьезный минус для группы. При этом нет никаких видимых препятствий, мешающих ее участию. Правда, компании придется вносить изменения в собственные технологии ввода-вывода.

Перспективы OpenCAPI весьма многообещающие, но для использования преимуществ этих соединений в компьютерах многое необходимо менять. На материнских платах должны появиться разъемы OpenCAPI, а производителям придется налаживать поставки компонентов, которые будут устанавливаться в эти разъемы. Все это может привести к удорожанию компонентов, большинство из которых предназначено сегодня для шины PCI-Express.

Появление все новых и новых технологий приводит к тому, что компьютеры начинают испытывать дефицит пропускной способности межсоединений

OpenCAPI является ответвлением технологии CAPI, она была разработана IBM и уже используется в серверах POWER. «В перспективе, вероятно, появятся переходники, позволяющие устанавливать продукты для PCI-Express в слот OpenCAPI», — предположил Маккреди.

Второй консорциум, Gen-Z, анонсировал новый протокол, который предназначен в основном для ускорения передачи данных между компьютерами, хотя при необходимости способен ускорять и внутренние операции. Изначально этот протокол разрабатывался для серверов, но может привести и к фундаментальным изменениям в архитектуре ПК.

В консорциум вошли компании Samsung, Dell, Hewlett Packard Enterprise, AMD, ARM и Micron.

В настоящее время компьютеры поставляются с памятью, средствами хранения и процессорами в едином корпусе. Но спецификации Gen-Z, ориентированные в первую очередь на память и подсистему хранения, позволяют размещать все эти устройства в разных корпусах, связывая их одноранговыми соединениями.

Консорциум Gen-Z намерен также упростить добавление новых типов энергонезависимой памяти (например, 3D Xpoint), которая будет выступать в роли оперативной памяти, средств хранения или и того и другого. Многие новые типы проектируемых в настоящее время технологий памяти также могут быть заменой памяти DRAM и твердотельным накопителям.

Большие пулы хранения, памяти и вычислительных блоков могут размещаться в отдельных корпусах. Особенно пригодится такой подход при развертывании серверных систем. «Спецификации Gen-Z предназначены для установления связи между большими объемами оперативной памяти и средств хранения с центральными и графическими процессорами в ЦОД», — указал технический директор серверного направления Dell EMC Роберт Хормут.

Помещение памяти, средств хранения и вычислительных компонентов в отдельные корпуса сулит дополнительные преимущества приложениям наподобие реляционной СУБД SAP HANA, выполняющей всю обработку в оперативной памяти. Объемы памяти у большинства серверов ограничены 48 Тбайт. Выделив же оперативную память в отдельное устройство, можно увеличить ее объемы и предоставить SAP HANA больше памяти.

Но есть здесь и свои трудности. Разделенные устройства должны синхронизировать работу в реальном времени, совместно обеспечивая поддержку протокола и сбалансирование нагрузки. Эти функции идеально отлажены в современных серверах с интегрированной памятью и средствами хранения.

Для работы в реальном времени консорциум Gen-Z создал высокопроизводительную структуру, которая поддерживает одноранговые соединения и упрощает недорогой доступ к большим объемам данных, без возникновения узких мест. Скорость передачи данных между серверами может достигать 112 ГТ/с (гигатрансфер в секунду). Для сравнения, у готовящихся к выпуску соединений PCI-Express 4.0 скорость передачи данных внутри компьютеров по одной линии составляет 16 ГТ/с, а между тем внутри компьютеров данные обычно передаются быстрее.

В общем случае Gen-Z будет представлять собой двухточечное соединение между памятью и подсистемой хранения на уровне стоек, но его можно использовать и внутри серверной стойки. Технологии Gen-Z не предназначены для замены в серверах шин памяти или хранения.

Как утверждают в OpenCAPI и Gen-Z, их протоколы открыты для всех производителей оборудования, однако интеграция соответствующих соединений в серверы сопряжена с определенными трудностями.

Дело в том, что на серверном рынке доминируют процессоры x86-архитектуры, Intel же не входит в состав ни первого, ни второго консорциума. А без поддержки со стороны Intel с внедрением новых протоколов и соединений могут возникнуть осложнения.

Intel продвигает собственную технологию сетевых и внутренних соединений OmniPath, а также предлагает модули, основанные на достижениях кремниевой фотоники и использующие световые лучи для ускорения передачи данных и подключения серверов на уровне стойки.