انقلاب صنعتی چهارم

قسمت سوم

چیپ جدید Cisco باعث تغییر اقتصاد اینترنت می شود

در دسامبر 1947 روزی که John Bardeen  و Walter Brattain ترانزیستور را اختراع کردند، از عظمت تغییراتی که این قطعه کوچک در دنیا و زندگی انسانها ایجاد می کند، باخبر نبودند. امروز پس از گذشت 72 سال از این اختراع، شاهد نزدیک شدن به انتهای پیشرفت این قطعه به علت کاهش تعداد اتم های هر ترانزیستور و اثرات نشتی کوانتومی هستیم، به طوری که فاصله زمانی زیادی تا دیوار اصل عدم قطعیت هایزنبرگ نمانده است. زمان انتقال به تکنولوژی های دیگر فرارسیده و شرکتهایی مانند Google  در تولید کامپیوترهای کوانتومی و  Cisco در قطعات منحصر به فرد با کاربرد شبکه اینترنت در این فرآیند پیشتاز شده اند. مطلب زیر گزارشی است که  Cisco طی 5 سال گذشته انجام داده و امروز به نتیجه رسیده است.

شرکت Cisco  به تازگی تولید یک چیپ ASIC  (Application Specific Integrated Circuit) جدید که 5 سال بر روی طراحی آن کار شده و به منظور ایجاد نوآوری دیجیتالی اینترنت برای دهه آینده طراحی شده است را اعلام کرد.

اینترنت اشتهای سیری ناپذیر برای پهنای باند دارد. ظهور چندین فن آوری جدید و در حال توسعه مانند 5G، AI، محاسبات کوانتومی، IoT و …، محدودیت های فیزیکی و اقتصادی زیرساخت های فعلی که به اینترنت وصل می شوند را آشکارتر ساخته است.

روش های سنتی فشرده سازی تراشه های سیلیکونی برای بهبود عملکرد به زودی گران و پیچیده می شوند. به نقل از روزنامه اکونومیست، سرانجام اجزای ریزپردازنده به”حد اساسی کوچک بودن" خواهند رسید. تراشه های سیلیکون اکنون در چنان سطح میکروسکوپی ساخته شده اند که برای تداوم منظم قانون Moore مبنی بر دو برابر شدن تعداد ترانزیستورها در هر دو سال در یک چیپ، بهبود سیلیکون نه تنها گران تمام می شود، بلکه تولید کنندگان مجبور به جنگیدن با محدودیت های تئوری فیزیک می شوند.

اجزای ریزپردازنده به”محدودیت اساسی کوچک بودن" خواهند رسید.

مهندسین Cisco  معتقدند که درست در زمانی که اینترنت و پهنای باند زیاد برای تجارت مشتریان بسیار مهم شده این صنعت به سقف فنی رسیده است. اما این شرکت تقریباً نیم دهه پیش آمادگی خود را برای مواجهه با این چالش آغاز کرد.

در سال 2014 به Rakesh Chopra مهندس Cisco  مأموریت تجزیه و تحلیل عمیق این موضوع بسیار مهم محول شد. وی مسیرهای اقتصادی توسعه ریزپردازنده را بررسی کرد. محدودیتهای بالقوه تجهیزات پردازش و شبکه در آینده، تقاضای پهنای باند اینترنت و شبکه های گسترده آن و راه هایی که Cisco  می تواند در این انتقال طی نماید.

وی در تحلیل خود، تاریخی که منحنی مقدار نیاز به تکنولوژی، منحنی رشد آن را قطع می کند و یک دوره عدم پایداری شروع می شود را پیدا نمود: سال 2019

ساخت یک تراشه برای آینده

طی تجزیه و تحلیل چوپرا از نیمه هادی ها و بازده کاهش چشمگیر عملکرد آنها، او با یک شرکت بی نظیر بنام Semiconductor Leaba روبرو شد.

Ofer Iny، که اکنون از مهندسین Cisco میباشد، در سال 2014 بنیانگذار شرکت Leaba Semiconductor بود. قبل از آن، او و شریکش Eyal Dagan شرکت Dune Networks را راه اندازی کرده بودند که تعدادی از قدرتمندترین تراشه های موجود در بازار امروز را معماری نموده است.

Iny در مصاحبه ای گفت: این بار ماموریت ایجاد یک معماری جدید سیلیکونی است که قابل برنامه ریزی و مقیاس پذیر بوده و از هرگونه کاهشی در عملکرد که در ASIC معمولی وجود دارد، جلوگیری کند.

پس از ترغیب مدیران شرکت توسط چوپرا و اعضای تیمش، Cisco شرکت Leaba Semiconductor را در سال 2016 خریداری کرد. نتیجه ای که به دست آمد، یک معماری سیلیکونی قابل برنامه ریزی برای شبکه است که Cisco  می گوید به شدت اقتصاد اینترنت را تغییر خواهد داد. معماری جدید Cisco Silicon One™ نام دارد.

اخیراً Cisco  جزئیاتی از معماری سیلیکون جدید و همچنین دامنه کامل استراتژی این شرکت برای ایجاد اینترنت در آینده که به نوآوری دیجیتال دهه بعدی قدرت می بخشد را اعلام نمود. رهبران Cisco  می گویند این استراتژی متمرکز بر توسعه سه فناوری اصلی است و اهرمی خواهد بود که”مرزهای نوآوری را به سطح بعدی سوق خواهد داد." این سه فناوری اصلی عبارتند از سیلیکون، اپتیک و نرم افزار.

"در آغاز، شما فکر می کنید،‘ این معنی ندارد. غیر ممکنه. نمی تواند اتفاق بیفتد.”

Cisco می گوید  ASIC جدید با نام Q100  پایه و اساس این استراتژی است. این یک معماری سیلیکونی”clean-sheet" (طراحی از نقطه صفر) است و برای اینکه بتواند بدون هیچ گونه کاهش عملکردی، قابل برنامه ریزی و انعطاف پذیر باشد، Iny و تیمهای مختلفی از مهندسین مجبور شدند یک رویکرد توسعه کاملاً جدید را اتخاذ کنند.

در ابتدای این پروژه در سال 2014، Iny گفت که هیچ راهی برای دانستن نیازهای پهنای باند در آینده وجود ندارد، اما روندهای تاریخی نشان می دهد که نیاز به پهنای باند، بسیار زیاد خواهد بود.

Iny گفت:”در آغاز، شما فکر می کنید، این معنی ندارد. غیر ممکنه. نمی تواند رخ دهد. اما این از نگاه فناوری است. در نگاه به تقاضای بازار، برای من کمی راحت تر است، زیرا یک روند تاریخی روشن وجود دارد که اگر بتوانید عملکرد را دو برابر کنید، بازار آن را مصرف می کند.”

یک معماری اساساً متفاوت

Cisco Q100، اولین تراشه ساخته شده بر روی معماری جدید Cisco Silicon One، بیش از 10 ترابیت بر ثانیه (Tbps) پهنای باند مسیریابی بدون کاهش در عملکرد (بر خلاف آنچه که تا کنون همراه طراحی سیلیکونی شبکه بوده است)، برای قابلیت برنامه نویسی، بافر، بهره وری انرژی، scaling یا قابلیت انعطاف پذیری ویژگی ها را ارائه می دهد. تنها در یک چیپ پهنای باند کافی برای مسیریابی شبکه یک شهر متوسط وجود دارد.

اعلامیه Cisco همچنین حاکی از این است که سرعت این تراشه ها در آینده نزدیک به 25 ترابیت بر ثانیه یا بالاتر می روند.

اما عملکرد سریع همه چیز نیست. ساختن یک تراشه جدید و سریع، صرفاً هدف Iny و همکارانش در Cisco  نبود. درعوض، آنها می خواستند یک معماری تراشه را عرضه نمایند که می تواند عملکردی بی نظیر را با هزینه ای مشابه سیلیکون موجود در بازار ارائه دهد و قابل اجرا در همه بخش های بازار Cisco  باشد.

از نظر تاريخي، استفاده از چند نوع مختلف سيليكون در تجهيزات شبكه در هر سطح متداول است. معماری سیلیکون جدید Cisco  راهی برای استفاده از یک معماری در هر دامنه فراهم می کند.

در سال 2014 وقتی چوپرا دستاوردهای Leaba Semiconductor را شنید، از طراحی و ویژگی های آن شگفت زده شد، اما رویکرد پیشنهادی این شرکت نوپا احساس فوق العاده ای به جا گذاشت.

بیشتر تراشه های موجود در بازار به همان اندازه قدرتمند هستند که اندازه اجزای فعلی و فیزیک اجازه می دهد و نرم افزار در بالای آن اعمال می شود. Iny و تیم Leaba خواستند این قاعده را تغییر دهند و تراشه را برای نیازهای مشتری طراحی کنند. انجام این کار مستلزم این است که مهندسان سخت افزار و توسعه دهندگان نرم افزار به طور هم زمان با هم همکاری نزدیک داشته باشند و این امر به معنای تکرار و تکرار در طراحی است.

موفقیت به یک معماری با رویکردی کاملاً جدید برای کارآیی نیاز دارد.

بهینه سازی برای بهره وری

در گذشته، هنگامی که امکان ساخت دستگاه های شبکه با استفاده از یک تراشه واحد وجود داشت، راندمان انرژی - که اکنون یکی از مهمترین معیارهای عملکرد است - مسئله حائز اهمیتی نبود. به همین ترتیب، اندازه و فضای فیزیکی تراشه ها در باکس های شبکه فاکتور مهمی به حساب نمی آمد. اما با پیشرفت صنعت و افزایش تقاضا برای قدرت پردازش بیشتر، افزایش عملکرد در یک قطعه کوچکتر به طور مستمر و فزاینده مشکل تر می شود.

چوپرا در مورد تحول در مصرف برق شبکه گفت:”اگر به بزرگترین روترهای اصلی ما در صنعت نگاه کنید، سه یا چهار سال پیش ما شاهد تجهیزات کاملی بودیم که با مصرف 10 کیلووات، هشت ترابیت پهنای باند را تحویل می دادند."

وی گفت:”اکنون شما درباره یك تراشه صحبت می كنید که 10 ترابیت را با قدرت چند صد وات تحویل می دهد، لذا این یک تغییر بزرگ در صنعت است. مصرف توان، امروز سخت ترین مسئله در سیستم است. چگونه می توانید صدها وات را به یک تراشه تحویل دهید؟ چگونه می توانید صدها وات را در یک تراشه خنک کنید؟ اگر دویست یا سیصد وات را در یک چیپ ریخته اید، این کار بسیار سخت است.”

Iny گفت برای مقابله با برخی از این چالش های دشوار، تیم Leaba از ابتدا تصمیم گرفت رویکرد clean sheet  را اتخاذ کند - یعنی اینکه به هیچ روش سنتی متداول ساختن سیلیکون تکیه نکند - و پس از پیوستن به Cisco ، توسعه دهندگان نرم افزار و مهندسان سخت افزار را با در نظر گرفتن بهره وری توان مصرف چیپ، شانه به شانه برای توسعه نرم افزار و سخت افزار Cisco Silicon One قرار داد.

"این باعث می شود شما به آنچه واقعاً مورد نیاز است، تمرکز کنید... و نه تنها ساختن چیزی که آخرین بار ساخته اید به علاوه پنج درصد."

چوپرا می گوید، الگوی جدید توسعه نیز روی خروجی مشتری تمرکز می کند.

"این باعث می شود شما به آنچه واقعاً مورد نیاز است توجه نمایید. همراه با یک ساختار توسعه پویا و تکرار شونده، به شما امکان می دهد ویژگی هایی مهم را ایجاد کنید و نه فقط ساختن چیزی که آخرین بار ساخته اید به علاوه پنج درصد"

همچنین یک رفتار منحصر به فرد از برخی از فرآیندهای اصلی تراشه ایجاد می کند. به عنوان مثال، حرکت داده یکی از مهمترین عواملی است که Iny می گوید، موجب صرفه جویی در انرژی زیادی می شود. با توسعه معماری که تنها یک بار داده ها را تجزیه و تحلیل می کند، تراشه با پایین نگه داشتن تأخیر (latency) و مصرف برق، راندمان زیادی را ایجاد می کند.

Iny گفت:”بافر واقعاً کارآمد برای مصرف توان کمتر نیز مهم است." وی گفت:”این موضوع که یک بافر تک به صورت مشترک عمل کند باعث می شود که بافر، خود بسیار مؤثر باشد. شما اساساً منابع خود را هنگامی در دسترس دارید که واقعا به آنها احتیاج داشته باشید. برخلاف بسیاری از معماری های دیگر، شما منابع خود را به کارکردهای خاص اختصاص نمی دهید."

یک تراشه برای  Routing همه

سازگاری چالش دیگری است که معمولاً در ASIC هایی یافت می شوند که برای عملکردهای شبکه ساخته شده اند. برای دستیابی سریع به مسیریابی، تراشه ها معمولاً دارای تعداد اندکی ویژگی قابل برنامه ریزی هستند. Cisco  می خواهد مشتریان، یک تراشه با کاربرد عمومی را بدست آورند که بتواند بدون هیچگونه کاهش عملکردی به هر قسمت صنعت IT خدمت کند.

این یک سفارش بسیار بلند پروازانه بود و Iny گفت که برای طراحی در سطح سیلیکون نیاز به یک رویکرد جدید دارد. نتیجه ای که حاصل شد، معماری است که به پروتکل های لینک اختصاصی یا لینک های ساختاری تخصصی که تولید کنندگان معمولاً باید به آنها اعتماد کنند متکی نیست.

Iny گفت:”دستگاه ما می تواند به طور کامل در یک حالت مستقل با تمام ظرفیت  I/O به عنوان واسط شبکه ارائه شود، بدون از دست دادن ظرفیت  I/O دستگاه در آن حالت، که بسیار جذاب و کارآمد است. به علاوه، برای ساختن یک سیستم در مقیاس بزرگ، می توان از همان دستگاه روی یک کارت جانبی که روی کارت ساختار اصلی نشسته است، استفاده کرد."

آنچه که مدنظر او می باشد این است که این معماری می تواند در چندین دستگاه کار کند، به چندین بازار خدمت کند و یک سیستم کامل بدون از دست دادن قابلیت عملکرد ایجاد کند. همچنین Iny می گوید طراحی تراشه اجازه می دهد تا از طریق P4، یک زبان برنامه نویسی سطح بالا و قابل خواندن، قابل برنامه ریزی باشد تا آن را در دسترس تر نماید.

این یک تمایز بزرگ از نحوه ساخت و کاربرد تراشه ها در امروز است.

نه فقط یک تراشه جدید در همان باکس

راکش چوپرا و تیمش وظیفه داشتند تا بدانند چگونه می توانند از این قدرت و توانایی تازه در یک رک واحد استفاده کنند. چوپرا گفت، این چالش بزرگی است، زیرا تیم نه تنها باید برای Cisco Silicon One برنامه ریزی کند، بلکه برای آینده با توان حتی بیشتر آماده باشد.

چوپرا گفت:”وقتی سیستم های مدولار بزرگی می سازید، آنها باید ماندگاری داشته باشند. بنابراین ما باید برای این نسل، نسل بعدی و احتمالاً حتی نسل بعدتر نیز آماده باشیم...”

به عنوان مثالی از اینکه این طراحی چقدر چالش برانگیز است، یک باکس شبکه معمولی را در نظر بگیرید که ممکن است دارای 1000 رابط سریال باشد. اما برای ساخت یک روتر کاملاً ریداندنت 260T، محصول جدید به بیش از 14000 رابط سریال نیاز دارد.

چوپرا گفت: از منظر توزیع برق،یک باکس شبکه معمولی مدرن می تواند قادر به توزیع ده ها کیلووات باشد، اما برای اطمینان از طول عمر، تیم وی نیاز به آماده سازی صدها کیلووات توزیع برق دارد. این نیاز باعث ایجاد انواع ملاحظات و موضوعات بالقوه در زمینه ایمنی انرژی، افزایش دما، کاهش عمر و سایر موارد که منجر به نوآوری در منبع تغذیه، اتصالات، ماژول های نوری، ساخت PCB، سطوح نیرو، فناوری حافظه و غیره گردید.

چوپرا گفت:” در پایان روز فکر می کنم یکی از چیزهای شگفت انگیز درباره سری جدید Cisco 8000 این است که حتی اگر یکی از این موارد کار نکند، محصول قادر به معرفی به بازار نخواهد بود." برای تیمش این یک اولویت بندی دوباره بود که باید به این فکر کنند که”چه مشکلی را باید حل کنیم؟ و برای چه کسانی باید آنها را حل کنیم؟”

نگاه به آینده

Chopra  و Iny هر دو گفتند كه آینده ای نزدیک را پیش بینی می كنند كه در آن سرویس دهندگان مقیاس وب رده 1 تنها کسانی نخواهند بود که خواستار استقرار Cisco Silicon One باشند.

چوپرا گفت:” بازار ارائه دهنده خدمات بیشترین نیاز را به ده ترابیت پهنای باند دارد. این برای مشتری ارائه دهنده لایه 2 یا 3 به چه معناست؟ آنها دیگر نیازی به خرید یک ماموت 42RU با سیستم نصب و راه اندازی کاملاً مشکل و مدیریت دشوار و پر ایراد که برای همیشه مستقر شده اند، ندارند. آنها می توانند یک سیستم ساخته شده بر روی یک قطعه سیلیکون خریداری کرده و آن را در هرجایی مستقر کنند. بنابراین ممکن است آنها اولین مشتری نباشند، اما در نهایت ممکن است کسانی باشند که در طولانی مدت بیشترین منفعت را از این محصول جدید کسب می کنند.”

این یک محصول کاملاً جدید است که برای آینده ساخته شده است و Cisco  آن را پایه و اساس دهه آینده نوآوری دیجیتال می داند.