AI/ML網絡高速銅纜連接與趨勢

印寧華|Indining China|

2024-09-14 15:12:48 993

近年來，隨著技術的發展和應用場景的拓展，人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 成為熱門的話題，但許多人往往將它們混淆使用，甚至認為這兩個概念完全相同。我們從定義、算法、應用等方面詳細剖析二者之間的聯系與區別。

人工智能AI: 是一種計算機科學，注重研究能夠像人類一樣思考和行動的計算機程序的設計與開發。該領域通常被認為與機器語言、機器學習和自然語言處理密切相關。

2 機器學習ML: 是人工智能AI的一個分支，它將數學和統計學領域中的方法應用到計算機科學中，通過讓計算機從數據中學習，使得計算機不需要明確編程來執行特定任務。換句話說，機器學習是人工智能的一種特殊應用。

人工智能所采用的算法非常多樣化，包括基于規則的推理、決策樹、深度學習、神經網絡、進化算法等。在這些算法中，深度學習和神經網絡模型應用最為廣泛。機器學習的算法類型包括監督式、無監督式和強化學習。其中，監督式學習是一種使用標記數據來訓練算法的方法，無監督式學習是一種從未標記或少量標記數據中進行訓練的方法，強化學習則是通過執行動作來獲取反饋來訓練智能代理。

人工智能的應用領域非常廣泛，包括自然語言處理、計算機視覺、機器人學、游戲等。在實踐中，AI可應用于醫學、金融、安防等眾多領域。機器學習的應用范圍同樣廣泛，其中最常見的應用就是大數據分析、圖像識別、語音識別、語言翻譯、自然語言處理等方面。在商業領域中，機器學習的應用越來越多，如金融風險評估、制造業預測、銷售預測等。人工智能和機器學習都旨在讓計算機更加智能化。機器學習屬于人工智能的一個分支，并且它的算法，比如監督式學習、無監督式學習和強化學習等，是建立在 AI的基礎上的。人工智能則不僅包括了機器學習，還包括了其他的算法模型。因此，可以說人工智能是機器學習的一個更為廣泛的概念。分別應用于不同的領域，且都具有不同的算法和技術。但是，它們之間有一定的關聯性，機器學習是人工智能的一種具體實踐方式，人工智能的多個領域都涉及到了機器學習。

以太網于AI/ML網絡中作用

以太網協議實現了局域網LAN、廣域網WAN、互聯網、云計算、物聯網設備及Wi-Fi系統的全球性無縫通信網絡整合。作為網絡技術的先驅之一，以太網自誕生以來已歷經半個世紀。得益于其部署的簡便性及在保持向后兼容性的同時融合現代技術的能力，以太網持續穩固其作為計算機網絡領域的標準地位。隨著人工智能工作量的日益增長，網絡行業的領軍企業正聯手確保以太網網絡能夠適應并滿足AI對高性能網絡的苛刻要求。

以太網的核心是一個使計算機設備（從服務器到便攜式筆記本）能夠通過有線網絡進行互聯的協議。這一網絡依賴于路由器、交換機和集線器等設備來指導數據流動。以太網還能與無線通信協議無縫結合。以太網之所以能在全球范圍內得到廣泛應用，源于其能夠適應幾乎所有類型的環境。特別是它允許企業在其局域網和廣域網中采用相同的以太網協議，這一點尤為重要。這意味著以太網不僅在數據中心、企業內部網絡、互聯網應用中表現*，還能適用于包括虛擬私人網絡VPN和軟件定義網絡SDN在內的復雜網絡架構。

以太網輕松應對如視頻流媒體和IP語音等帶寬密集型應用。同時，其簡潔性也使其能夠與體積微小、功能相對簡單的設備（例如構成物聯網IoT的各類設備）兼容，無需進行特殊配置。

以太網是如何工作的？
以太網的運作方式是將發送至或自設備（例如個人電腦）的數據分割成稱為“幀”的不同大小的信息塊。這些幀包含了如源地址和目的地址等標準化信息，以協助幀在網絡中正確地進行路由。

鑒于局域網中的計算機通常共享同一連接，以太網的設計基于載波偵聽多路訪問/碰撞檢測（CSMA/CD）的原則。簡而言之，該協議確保在發送任何幀之前，線路處于空閑狀態。然而，在網絡技術的早期，這一點比現在更為重要，因為現在的設備通常通過交換機或節點與網絡建立各自的私有連接。由于以太網目前采用全雙工模式運行，其發送和接收通道完全獨立，因此在傳輸過程中不會發生碰撞。

除了在碰撞情況下，以太網并不具備錯誤糾正功能，因此通信過程需要依賴于更*的協議來保證數據傳輸的準確無誤。盡管如此，以太網仍是大多數互聯網和數字通信的基礎，并且能夠輕松集成至多數高層協議中，因此在當今時代，這幾乎不再是一個問題。

以太網核心組件：多彩電纜

在深入討論以太網技術時，電纜是一個至關重要的組成部分。以太網最初采用同軸電纜，這種電纜也用于有線電視系統。同軸電纜因其堅固耐用和傳輸大帶寬的能力而聞名。然而，它的重量大、操作復雜、缺乏靈活性且成本較高。這些限制導致家庭有線電視安裝需要專業技術人員進行布線，與家用網絡布線相比復雜得多。隨著時間的推移，以太網逐漸摒棄了同軸電纜，轉而采用了雙絞線電纜，這種電纜至今仍然是有線網絡的主流選擇。雙絞線電纜不僅成本較低，而且具有較高的靈活性，可以輕松穿越墻角、內墻、天花板或幾乎任何其他地方，以連接服務器、路由器、集線器、設備和網絡終端。更有趣的是，許多生產以太網電纜的公司已經拋棄了傳統的灰色電纜，推出了多種顏色的電纜。這些彩色電纜不僅美化了服務器機房和數據中心，還通過顏色編碼簡化了網絡連接的管理，有助于IT技術人員更直觀地分組和診斷網絡連接問題。

雙絞線電纜的標準插頭設計與有線電話系統的連接方式相似，因此電纜可以輕松插入任何支持以太網連接的設備。在大多數情況下，只需將設備連接到網絡，即可立即實現網絡連接。然后，以太網及其他*協議（如生成樹協議）會負責數據包和數據的后端路由處理。以太網電纜的長期標準被稱為Category5，通常簡稱為Cat5。Cat5標準自2001年起一直在使用中，支持最高100Mb/秒的傳輸速度。雖然這些電纜的主要用途是支持以太網網絡，但它們也兼容許多電話和視頻應用。Category5e是一種更*別的電纜類型，目前用于支持更快的以太網應用。Category5e電纜主要設計用于100Mb/秒的以太網，但它的結構也支持更高傳輸速度，如千兆以太網，并繼續使用相同的通用連接端口。

誰發明了以太網？
最初的以太網標準是由施樂PARC的工程師Robert Metcalfe和David Boggs于1973年創立的，其設計靈感源自于夏威夷大學的ALOHAnet項目。按照當今的技術標準來看，這一系統相對原始，其原始傳輸速度僅為2.94 Mb/秒，但它標志著計算機*真正實現網絡互聯的重要里程碑。在大學環境之外，公眾直到1980年才有機會接觸到以太網，那是施樂公司向公眾開放以太網技術的時期。當時，已經存在如Token Ring、ARCNET等其他競爭性網絡標準。但Metcalfe在離開施樂并創立3Com之后，成功說服了包括數字設備公司（DEC）、英特爾和施樂在內的多家行業重要企業，與3Com合作推動以太網成為統一的網絡標準。作為這一合作協議的一部分，施樂放棄了對以太網名稱的商標權，使得任何公司都可以在其產品中使用以太網技術。同時，以太網的帶寬和吞吐量也提升至10 Mb/秒，這一速度遠遠超過了當時大部分網絡任務的需求，留有充足的余地。這些因素共同促使以太網成為了全球范圍內的主導網絡標準。

以太網迎來50周年；Metcalfe獲得圖靈獎

2023年5月22日，以太網迎來了其成立50周年的紀念。在這一重要周年之前的幾個月，即2023年3月22日，計算機協會向Bob Metcalfe頒發了享有盛譽的A. M. 圖靈獎，以表彰他在發明及商業化以太網方面的杰出貢獻。圖靈獎附帶100萬美元的獎金，于6月10日在舊金山的頒獎典禮上正式授予。Metcalfe對1973年的那一天記憶猶新。“我當時坐在施樂PARC的34號樓內，使用selectric打字機撰寫關于網絡應該如何運作的思考總結，并親手繪制了相關圖表。我使用selectric上的Orator字球編寫了這份備忘錄，選擇了無襯線字體，因為我偏愛那種字型。” 以太網的共同發明者Boggs于去年去世，Metcalfe對他們的伙伴關系懷有深切的懷念。“他和我就像Bobbsey Twins，”他在接受Network World采訪時回憶道。“我們的合作非常互補；在我們兩人中，我更擅長表達，而他更注重細節。我們共同打造了這一偉大的項目，我非常懷念他。他是我的好朋友。”

以太網的光明未來

以太網標準之所以能夠隨著技術進步而發展，得益于其簡潔性以及在保持向后兼容的同時支持更高速度的能力。目前，幾乎所有計算機或計算設備都能支持高達每秒一千兆比特（即1Gb/s，等同于1000 Mbit/s）的速度。這種通常稱為千兆以太網的技術，與早期以太網支持的10 Mbit/s標準相比，其技術進步顯而易見。對于家庭網絡和大多數辦公環境來說，千兆以太網已經提供了充足的帶寬。在這種速度下，即便是帶寬密集型的應用，如視頻流媒體或在線視頻游戲，也能在多用戶同時使用同一網絡的情況下流暢運行。然而，以太網的潛力遠不止于此。IEEE以太網工作組幾年前已經批準了200 Gb/s和400 Gb/s以太網的規范。主要是數據中心、互聯網服務提供商（ISP）以及諸如網絡運營中心之類的專業機構對這些高速度最感興趣。一些云服務提供商等機構表示，他們正在某種程度上使用400 Gb/s的速度，盡管該標準的*采納似乎因新電纜要求（目前的Cat5和Cat5e電纜不支持這些速度）、設備向后兼容性問題以及數據中心內增加的功耗需求等因素而受到阻礙。技術上，800 Gb/s以太網的規范已經存在，但目前尚無人在測試環境之外使用。以太網之所以引人注目，是因為它作為一個開放協議，800 Gb/s的速度遠未觸及其理論上的最大極限。實際上，目前正進行研究，以為每秒1.6太字節的標準奠定基礎。這樣的超高速度可能僅在特定應用場景中才顯得實用。例如，一個企業或政府機構可以利用這種速度快速地將其網絡數據備份到遠程位置。假設他們需要傳輸500太字節的數據，這一過程可以在不到14分鐘內完成。

UEC聯盟著手為人工智能 基礎架構擴展以太網規模

隨著人工智能（AI）工作負荷對網絡提出前所未有的性能和容量需求，一些網絡供應商聯合起來，致力于提升以太網技術，以滿足人工智能所需的規模和速度。2023年7月，由Linux基金會及其聯合開發基金會倡議主辦的超級以太網聯盟（Ultra Ethernet Consortium，UEC）宣布正式成立，旨在為日益增長的AI網絡互聯生態圈提供強有力的支持。在2023年8月的IEEE Hot Interconnects（HOTI）國際論壇上，來自英特爾、英偉達、AMD等公司的代表圍繞“EtherNET 還是EtherNOT”問題進行了小組討論。當前，新興的AI/ML工作負載正在推動對高性能網絡互聯的需求。大約十年前，基于融合以太網的RDMA (RoCE) 將低延遲的數據傳輸引入了以太網架構，但與其他網絡技術相比，以太網在技術發展上略顯滯后。隨著以太網時代的到來，云廠商、設備商等各方面臨關鍵的抉擇。

UEC在其白皮書中指出，他們將進一步發展以太網規范，引入多項核心技術和功能，包括：

? 多路徑技術和數據包噴射，確保人工智能工作流能夠同時訪問目標節點。
? 靈活的傳輸順序安排，以優化以太網鏈路的負載平衡；僅在人工智能工作負荷在帶寬密集型操作中要求時，才實施嚴格的順序控制。
? 現代化的擁塞控制機制，確保人工智能工作負荷避免網絡熱點，并在多條路徑上均勻分配負載。這些機制可與多路徑數據包噴射技術協同工作，保障人工智能流量的可靠傳輸。
? 端到端的網絡遙測技術，用于管理網絡擁塞。網絡傳來的信息能夠指示出擁塞的具體位置和原因。縮短擁塞信號的傳遞路徑并為端點提供更多信息，有助于實現更加迅速有效的擁塞控制。然而，當前以太網在滿足AI工作負載需求方面仍存在差距。NVIDIA網絡研究總監Larry Dennison指出，以太網的發展速度可能無法滿足未來幾年市場的需求。蘇黎世聯邦理工學院教授、微軟大規模人工智能和網絡領域的顧問Torsten Hoefler強調，以太網需要進化，以成為數據中心和超級計算機的未來。

從歷史上看，InfiniBand和以太網一直在爭奪AI/HPC市場的主導地位，它們都是開放標準。然而，目前InfiniBand僅由Nvidia作為單一供應商提供支持，而以太網則享有多供應商的支持，從而培育了一個充滿活力和競爭的生態系統。但即使在選擇以太網解決方案時，也可能會遇到自定義實現和供應商鎖定的情況。AI/HPC網絡可能會向一個新的、開放的、功能更強大的傳輸標準過渡，部分或完全取代ROCEv2 RDMA協議，這是超級以太網聯盟正在追求的愿景。

AI/ML網絡技術的綜合選擇分析

在AI/ML網絡技術的選擇上，各大科技公司展現了各自的策略，旨在平衡技術創新與商業利益：
?亞馬遜AWS：受InfiniBand RD協議啟發，推出了SRD傳輸協議和增強型網絡適配器（ENA），基于UDP優化網絡，減少擁塞和延遲，同時維持其獨特的AI/HPC網絡戰略。
?谷歌：混合使用TPU和Nvidia GPU，部署*“coherent”架構和基于MEMS鏡像的光交換系統（OCS），提高數據中心的效率和性能。谷歌的AI/ML網絡相對定制化，重點在于網絡堆棧的創新和高效的數據處理。
?微軟：早期采用InfiniBand構建AI網絡，同時探索基于UDP的True Fabric協議，以提高數據傳輸效率。微軟的策略體現了對InfiniBand開放性的擁抱，以及對Nvidia全棧AI/ML解決方案的支持。
?Meta：部署大型GPU集群，結合DLRM模型和PyTorch生態系統，實現基于以太網和InfiniBand的高效AI/ML集群。Meta的策略旨在推動AI技術的“民主化”，通過開源方法和硬件創新，加速AI應用的普及和創新。
?Oracle：堅定支持以太網，利用Nvidia GPU構建基于ROCEv2 RDMA的高性能集群，展現了其在AI/HPC網絡解決方案方面的專注和創新。
?Nvidia：通過集成Quantum-2 InfiniBand和Spectrum-X以太網交換機，提供*的AI/ML網絡解決方案。Nvidia的策略體現了其在市場中的領導地位和對技術多樣性的投資。
?博通：提供全套AI/HPC網絡解決方案，包括交換機芯片和網絡適配器。博通的戰略收購和技術創新，如基于EQDS UDP的傳輸協議，展現了其在網絡優化方面的專業性和前瞻性。
?思科：推出多功能Silicon One交換機，展示了其網絡解決方案的靈活性和創新能力。思科的策略在于提供高效的AI/ML網絡解決方案，同時支持多樣化的網絡應用編程。

這些公司的策略不僅反映了AI/ML網絡技術領域的多樣性和復雜性，也突顯了在追求最佳網絡解決方案時的綜合考量和戰略布局。

AEC有源銅纜是高速互連不可或缺

傳統的有源QSFP電纜

?QSFP有源高速電纜?是一種高效的數據傳輸解決方案，廣泛應用于數據中心、高性能計算以及各種需要高速數據傳輸的場景。這些電纜通常具有高傳輸速率、穩定性強、低功耗和環保等特性，能夠滿足不斷增長的數據處理需求，同時降低運營成本，提高能源效率。

?高傳輸速率與穩定性?：QSFP有源高速電纜支持高達40Gbps的傳輸速率，通過四個數據傳輸通道實現，每個通道支持10Gbps的數據傳輸。這種電纜的設計能夠適應嚴苛的使用環境，包括溫度、濕度以及EMI干擾，從而降低機房維護成本，提高傳輸的穩定性?1。
?低功耗與環保?：與傳統的直連銅纜相比，QSFP有源高速電纜的功耗低，每端功耗小于1.5W，重量更輕，體積更小，光纜的彎折半徑也更小，實現更遠距離傳輸。這些電纜采用環保材料，節省空間的同時更加節能環保?。
?兼容性與定制性?：QSFP有源高速電纜適用于市面上各品牌交換機，實現*兼容。此外，產品長度、顏色、接口類型均可實現定制，滿足不同需求?1。
?應用場景?：QSFP有源高速電纜主要用于連接光纖網絡裝置，提供高速的遠距連線能力。它們也用于將50Gb/s服務器連接到TOR交換機，以及在數據中心內實現短距離互連方案?。

QSFP有源高速電纜通過其高傳輸速率、低功耗、環保特性以及強大的兼容性和定制性，成為高速互聯解決方案中的優選，廣泛應用于數據中心、高性能計算等領域，滿足不斷增長的數據處理需求，同時提高能源效率和降低運營成本?。

800G HiWire AEC產品系列
Credo Technology Group Holding Ltd（納斯達克股票代碼：CRDO）是一家致力于提供安全、高速連接解決方案的創新型企業，近日宣布推出其專為中國超級數據中心市場量身打造的適用于400G Q112網絡接口的HiWire SHIFT AEC (有源電纜Active Electrical Cables)新系列產品，可以滿足AI/ML后端網絡與TOR交換機之間的網絡連接需求。該新系列SHIFT AEC產品是基于Credo先進的800G HiWire AEC設計優化而來，能效*，性能更佳，且具有*的可靠性， MTBF（平均故障間隔時間）長達1億小時，這一點對AI/ML應用而言至關重要。目前，該系列新品正處于樣品測試階段，預計于2025年一季度正式量產。

新系列HiWire SHIFT AEC包括以下產品

400G QSFP-Q112 (4x112) ? 2* 200G QSFP-56
400G QSFP-Q112 (4x112) ? 2* 200G QSFP-112
400G QSFP-Q112 (4x112) ? QSFP-Q112 (4x112)

AEC產品負責人Ameet Suri表示：“為了滿足中國超級數據中心市場客戶對Q112 TOR接口的需求，Credo 拓展其800G HiWire AEC產品系列，推出包含三款Q112新品的HiWire SHIFT AEC新產品系列。HiWire AEC 不斷受到超級數據中心運營商們的青睞，被用于NIC與TOR之間的連接。我們期待借助此次推出的AEC新品，進一步提升AEC解決方案在中國市場的滲透率。”650 Research的負責人Alan Weckel表示：“QSFP112將成為中國超級數據中心市場中AI/ML網絡連接關鍵節點。對于尋求低能耗、高效能、可*解決方案的中國新客戶而言，無疑會優先考慮在AEC領域占據*地位的Credo。”

免責聲明：本文采摘自“大印藍海科技”，本文僅代表作者個人觀點，不代表薩科微及行業觀點，只為轉載與分享，支持保護知識產權，轉載請注明原出處及作者，如有侵權請聯系我們刪除。

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