軟體定義互連

軟體定義互連技術打破現有網路的剛性體系結構，實現從物理層、數據鏈路層、網路層到業務層全維軟體定義的網路體系，從而將剛性網路變為柔性網路，構建可定義、可重組、可重構、可重建的軟體定義體系架構。軟體定義互連技術可為新型數據中心、雲計算等信息基礎設施提供高效扁平和靈活定義的互連，為自動駕駛、即時保密通信等情景網路動態服務提供隨需而變的“柔性骨骼”，為物聯網時代大規模感測節點的群體智慧型提供靈活定義的“隨需連線”。

基本介紹

• 中文名：軟體定義互連
• 外文名：Software Defined Interconnection，SDI
• 所屬學科：網路體系結構
• 相關技術：軟體定義網路、軟體定義存儲、軟體定義數據中心
• 技術特點：靈活性、兼容性、高性能、高效能

基本概念

軟體定義互連是一種面向交換互連領域的軟體定義硬體技術，基於可重構和可程式技術，具有可擴展的硬體/軟體架構，允許應用程式對硬體進行線上定義，以動態更改交換互連的功能、性能，實現對不同套用場景的最佳擬合適配。

提出背景

當前，信息系統體系架構正在經歷從馮諾依曼到軟體定義的變革，伴隨人工智慧技術的飛速發展，對新一代軟體定義體系架構的需求愈發緊迫。作為體系架構的核心關鍵，現有交換互連技術遠遠滯後於發展的需求，體現於以下幾個方面：

• 基於特定協定設計，在協定轉換時大量採用橋接晶片的解決方案，無法支持各個連線埠靈活的協定轉換模式；
• 各連線埠互連頻寬也是固定分配的，造成了系統組網的不靈活和擴容的不方便；
• 內部交換拓撲結構也是固定的，通常依據特定的通信模型構建，無法適用更多的套用場景；
• 內部工作模式通常也是固定的（電路或分組），無法在多種工作模式之間靈活切換；

總的來說，當前的信息系統本質上仍然是固定協定互連的剛性結構，為了實現支持業務的靈活性與多樣性，業界提出了軟體定義網路（SDN）、軟體定義存儲（SDM）、軟體定義數據中心（SDC）等諸多技術，但僅限於高層協定的軟體定義，其底層硬體結構（尤其是物理層和鏈路層）仍是剛性的，存在效率低下、性能受損、實時性下降等突出問題。要破解現有軟體定義系統存在的上述問題，就必須打破硬體的剛性結構，實現硬體的可軟體定義。同時，軟體定義硬體是物理層面的軟體定義，既是軟體定義的基礎與核心，也是軟體定義中最難和最有挑戰的技術。

技術內涵

2009年，中國工程院鄔江興院士團隊原創提出解決硬體可軟體定義的軟體定義互連（SDI）技術，其技術內涵具體包括：

1）協定類型可軟體定義：可分別定義國際標準協定、私有協定、自定義協定以及動態協定；2）協定轉換可軟體定義：在各個互連連線埠上可實現所支持任意異構協定之間的相互轉換；3）互連拓撲可軟體定義：互連拓撲可依據通信業務模型的需求定義為環形、樹形、交叉連線、立方體和3D Tolus等結構；4）互連頻寬可軟體定義：每個互連連線埠所支持的速率以及整體互連頻寬都可以進行定義，包括部分利用度、全利用度，以及不同的調度策略和服務質量等；

軟體定義互連技術內涵（1-4）

5）互連連線埠可軟體定義：每個互連連線埠的綁定方式可以從1x、2x、4x等模式任意定義，連線埠的類型以及連線埠的流控方式也可以定義；6）互連內容可處理：可對通過的數據包進行擾碼/加密、安全監測、語法轉換、正則匹配等流式處理；7）交換模式可軟體定義：不僅可以支持點到點的單播、點到多點的組播、點到所有點的廣播，還可以支持電路交換模式、分組交換模式以及混合交換模式等；8）軟體定義互連技術天然支持異構、冗餘、動態，屬於內生安全的擬態架構。

軟體定義互連技術內涵（5-8）

關鍵技術

軟體定義互連作為一項創新技術，尤其是涉及到底層軟體定義硬體的創新，其技術創新具有很長的鏈條，圍繞不同領域需求也有很廣的空間，對其技術從共性關鍵技術、基礎支撐技術兩個方面進行了分類：

1、共性關鍵技術是研製面向不同領域軟體定義互連晶片都要用到的共用技術，包括協定控制、解析轉換器、交換結構三個研究方向。

• 軟體定義協定控制電路
• 可程式協定解析轉換技術
• 軟體定義互連結構技術

2、基礎支撐技術是軟體定義互連在後續發展中必須解決和依賴的底層技術，包含軟體定義硬體結構、軟體定義晶片的編譯、資源感知與管理、混合粒度資源調度四個方向。

• 軟體定義硬體結構技術
• 面向典型硬體電路的編譯技術
• 異構資源感知與統一化管理技術
• 任務驅動的跨粒度資源調度技術

核心優勢

軟體定義互連技術可以通過軟體來定義物理層互連部件的協定類型、互連頻寬、連線埠類型與速率、協定間轉換和拓撲結構等主要參數，從架構技術上保證用戶可定義的基於可重構、可重配、可重建的動態異構計算體系的高效能與靈活性。

軟體定義互連技術是信息設備“結構適應套用、結構決定效能、功能、安全”的核心支撐技術，2013年，SDI技術用於世界上首台擬態計算機原理樣機，使擬態計算機整體效能提升13.6~315倍的結構支撐。

軟體定義互連作為一種架構核心技術，能從架構技術上保證信息系統的高效能與靈活性，已成為新一代信息網路和信息系統的嶄新“核心”，直接決定著信息系統體系架構整體技術的進步。

技術現狀

國家數字交換系統工程技術研究中心牽頭研製出了第一款軟體定義互連晶片SDI3210（圖3所示）和第一款支持多種協定的軟體定義協定控制器SDC4040（圖4所示）。針對RapidIO、Ethernet、FC三種協定開展了軟體定義協定控制器、軟體定義協定解析器和軟體定義協定轉換器等相關的研究工作。但由於計算、網路和存儲等互連協定生態的多樣性，軟體定義互連後續還要支持諸如PCIe、Infiniband、TTE（Time Triger Ethernet）等典型互連協定，乃至USB（Universal Serial Bus）、WIFI、BlueTooth等有無線端點協定，通過支持端點互連協定的軟體定義模式支持，可以建立端到端的軟體定義互連生態。未來，隨著CPU、GPU、DSP、NPU、TPU等處理器件和各種內外部存儲器件都內嵌軟體定義協定控制器對外接口，面向不同套用領域的協同計算平台構建將極大簡化，而且管理維護和升級也變得非常方便，從而賦能進入軟硬體協同計算時代。要實現更多互連和端點（包含計算和存儲）協定的支持，要研究協定的更多異構特性，凝練抽取共性算核的新形態，最佳化改進實現架構，研究內容涉及異構協定的物理層編解碼、幀同步、流量控制、QoS保證機制、協定解析機制、路由定址轉發方式等研究。

發展趨勢

未來的網路體系是一種分散式網路架構，包含了多種異構計算單元（CPU、DSP、GPU、NPU、私有ASIC等）的計算資源、使用各種存儲介質（SRAM、DRAM、SSD、SCM等）的存儲單元資源和相互間的各種網路連線資源。多樣化套用需要多元化、專業化、智慧化的網路，現有的網路架構很難適應多樣化套用，必須發展顛覆性創新技術，實現網路全維可定義，使網路世界獲得與現實世界可匹配的多模態融合活力。

軟體定義互連技術就是針對未來多樣化需要的新型網路技術，是交換與互連技術及產業的未來演進形態，是體系架構的核心技術，能從架構技術上保證信息系統的高效能與靈活性，其發展趨勢主要包括兩點：

一是著力突破軟體定義互連技術基礎理論問題、基礎支撐技術和共性關鍵技術問題，形成覆蓋標準規範、晶片、設備、網路平台、軟體、工具等在內的體系化成果；

軟體定義大互連生態示意圖

二是瞄準信息基礎設施的技術升級，著眼數據中心、行業信息基礎設施、物聯網等關鍵套用的新型體系結構發展，打造支持軟體定義互連為核心的新型數據中心和產業體系，形成從終端、到邊緣計算、到匯聚接入、到核心交換的軟體定義大互連生態。

產業影響

SDI在原理上具有普適性，技術上具有泛在性，套用上具有普適性，具有天然的結構增益，普適的套用領域，顛覆的行業前景。SDI的產業鏈很長、產品面很廣，涉及產業包括晶片設計、晶片製造、封裝測試、板卡設計、整機研製、軟體開發等諸多產業，產品種類涵蓋IP核、系列晶片、板卡部件、整機設備、解決方案等諸多形態，可充分整合上下游廠商，迅速做成產值規模過億的產業公司。按照現有互連技術逐步演進和過渡到SDI技術測算，SDI晶片和IP核的市場規模十億元數量級；SDI相關板卡和設備的市場規模在百億元數量級，SDI解決方案的市場規模可達千億元數量級，市場前景廣闊。

2017年，國家數字交換系統工程技術研究中心牽頭髮起成立了“軟體定義互連（SDI）技術和產業創新聯盟”，截止2020年成員單位170多家，旨在打造未來交換互連的標準體系，為信息系統的體系結構升級提供核心器件支撐，圍繞最佳化產業技術創新鏈，創新產學研結合機制，實現企業、大學和科研機構在戰略層面的有效結合，共同致力於突破軟體定義互連技術和產業發展的瓶頸，推動SDI創新鏈、產業鏈交織協同形成產業集群，建立研、產、融相結合的一體化SDI生態平台。

生態體系

軟體定義互連生態橫跨了設計業、製造業和服務業，生態體系可以分為四層架構：晶片層、硬體層、軟體層和套用層（如圖5所示）。

圖5-SDI生態體系結構

晶片層包含軟體定義計算晶片、軟體定義互連晶片、軟體定義存儲器等底層核心晶片；硬體層主要包含計算板卡、SDI板卡、SDI設備、管理卡等硬體板卡；軟體層則包含了驅動、中間件、編譯器、作業系統、資料庫、領域專用語言等； 套用層包含行業、通信、醫療成像、工業控制、AR、物聯網、HPC、機器人等多種套用。通過整合晶片層、硬體層和軟體層，建立開源開放基礎平台，為上層套用提供基於開放接口的開發環境，從而幫助套用提供商更快、更靈活開發產品，加速占領市場。

套用前景

互連作為體系結構的兩大核心組成要素之一，其創新和進步對體系結構發展將起到直接的推動作用。由於體系結構又是信息系統和信息網路的核心使能技術，不僅直接決定信息系統和信息網路的功能和性能，而且還決定信息系統和信息網路的效能和安全，因此，針對互連的創新具有很強的基礎性、滲透性和使能性。

基於軟體定義互連的技術架構，簡單拓展晶片內部的流表級數，就可以無縫支持到軟體定義網路、軟體定義傳輸層乃至軟體定義套用的業務解析、流表匹配和線上動作，繼而構建廣義的軟體定義互連“多模態”組網體系，徹底拆除當前數據中心、雲計算乃至網際網路技術基因的剛性藩籬，釋放出軟體定義軟硬體協同信息基礎設施的巨大技術紅利。軟體定義互連是多模態智慧網路全維可定義技術的底層支撐技術，隨著軟體定義互連協定層次的向上延展，路由機制的軟體定義、定址方式的軟體定義、服務質量的軟體定義、網路運營的軟體定義都將成為現實，一個能夠支撐國家網路強國戰略的多模態智慧網路將逐漸服務於我們的學習、生活、工作，以及社會的生產、治理和服務，迎來以軟體定義為特徵的智慧型時代。

隨著軟體定義互連技術的發展，其套用場景進一步擴展至晶上系統（SoW：System on Wafer）領域，解決SoW發展初期異構多Die之間互連的問題，並將作為SoW內部Die-to-Die之間的互連規範，構建一個開放式的SoW生態。