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Auf in Cloud und Infrastruktur: Das ist Arms Neoverse-Universum

20. Februar 2019, 14:00 Uhr | Frank Riemenschneider

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Neoverse-Referenzdesigns

Arm
Workload-Blöcke beim Datentransport in einer kleinen 5G-Funkzelle.
© Arm

Insgesamt beitet Arm mit Einführung der neuen CPUs drei Referenz-Designs an, ein Neoverse-N1-„Hyperscale-Referenzdesign“ für höchste Rechenleistung in Server- und Cloudanwendungen, ein Neoverse-N1-„Edge-Referenzdesign“ für rechenintensive Workloads in der Edgle-Cloud, bei Netzwerk-, Storage- und Security-Anwendungen.

Die Referenzdesigns beinhalten neben der Systemarchitektur auch Benchmark- und Workload-Analysetools, einen Leitfaden zur Implementierung der IP in TSMCs 7-nm-Prozess und ein Software-Board-Support-Package. Arm verspricht, dass man innerhalb eines Tages Linux auf Neoverse-N1- und E1-Plattformen zum Booten bringt.

Starten will ich mit dem „kleinsten“ Referenzdesign, dem Neoverse-E1-Referenz-Design für den Datentransport z.B. in kleinen 5G-Zellen (Bild 7).

Es sollte nicht überraschen, dass die Nachfrage nach kleinen Mobilfunk-Zellen steigt. Schließlich bieten kleine Zellen eine kostengünstige Lösung, um Datenkapazitätslücken zu schließen und Netzwerke auf 5G vorzubereiten, ohne teurere Makrostandorte aufbauen zu müssen.

Kleine Zellen sind relativ kostengünstige und einfach zu installierende Low-Power-Funkzugangsknoten mit einer typischen Reichweite von 10 bis mehreren hundert Metern. Wir benötigen kleine Zellen, weil wir immer mehr Inhalte (z.B. kommendes 8K-Video und Virtual/Augmented Reality) auf einer ständig wachsenden Anzahl von Geräten konsumieren. Zelluläre und drahtlose Netzwerke spüren bereits die Belastung durch all diese Daten, und das Problem wird sich in den kommenden Jahren mit der Zunahme des Internet der Dinge (IoT) noch verschärfen. IDC-Analysten prognostizieren, dass es bis 2020 schätzungsweise 28 Milliarden angeschlossene IoT-Geräte geben wird. Kleine Zellen bieten eine praktikable Lösung, insbesondere für Innenanwendungen, bei denen der Großteil der hohen Datennutzung stattfindet.

Ein wichtiger Trend für kleine Zellen ist Power-over-Ethernet (PoE), oder der Prozess der Verwendung von Ethernet-Verkabelung als Backhaul. Dieser Ansatz senkt sowohl die Installationskosten für die Betreiber als auch die Gesamtkosten der Lösung: Während die heutigen Smartphones theoretisch in der Lage sind, Daten mit hoher Geschwindigkeit herunterzuladen, zeigt ein einfacher Test, dass sie diese Spitzengeschwindigkeiten aufgrund ihrer Entfernung zur Basisstation in der Regel nicht erreichen. Kleine Zellen bringen die Basisstation näher an den Benutzer und erhöhen so den Durchsatz. Netzwerkbetreiber wollen kleine Zellen der nächsten Generation in der Metrozelle in Innenräumen einsetzen. Und sie wollen sie mit PoE einsetzen, das eine einfachere, schnellere und kostengünstigere Möglichkeit bietet, kleine Zellen mit Energie zu versorgen, als eine andere Stromleitung zu verlegen. Ein weiterer Trend sind die hohen Anforderungen an Datenrate und Energieverbrauch für Innen- und Außen-Netzwerke. Diese Anforderungen werden mit der zunehmenden Verbreitung von IoT-Geräten und neuen Anwendungen, die zu einer Explosion von Daten führen und die bestehende Netzwerkinfrastruktur und Telefondatenkapazität belasten, noch kritischer werden. Eine Möglichkeit, die Kapazitätslücke zu schließen, besteht darin, eine Kombination aus kleinen Zellen im Innenbereich (1 Gbit/s Peak Downstream) und massiven MIMO für Außenanlagen (1 Gbit/s Peak Downstream) einzusetzen, um eine hohe spektrale Effizienz und eine verbesserte Abdeckung für Zellrandbenutzer zu gewährleisten.

Neoverse-E1-Referenzdesign für kleine 5G-Mobilfunkzellen

Das Referenzdesign basiert auf Arms Server Base System Architecture (SBSA). In diesem werden über eine CMN-600-Schaltmatrix zwei Cluster mit jeweils 8 Neoverse-E1-CPUs verbunden, von denen ein Cluster dediziert für den Datentransport und ein Cluster für Steuerungsaufgaben verwendet wird. Da fast 30 % der Taktzyklen in so einer Anwendung für die Verschlüsselung/Entschlüsselung der Daten verwendet werden, schlägt Arm optional vor, über den ACP-Port einen entsprechenden Hardware-Beschleuniger anzubinden, der in Bild 7 den mittleren Block oben bzw. den rechten Block unten abarbeiten könnte.

Über zwei Kanäle sollen an das Referenzdesign 72-bit-DDR4-3200-Speicher angebunden werden, dazu kommt noch das Standard-Plattform-Interface mit Arms Trustes Firmware und eine 25G-Ethernet-Schnittstelle. Danke der hohen Energieeffizienz (2.4x höher als beim Cortex-A53 in einer vergleichbaren Anwendung) ist das Design auch für Power-over-Ethernet-Umgebungen geeignet. Konkret nehmen die CPU-Cluster weniger als 4W auf (bei einem SPECInt_rate2006-Benchmark-Wert von 153), das ganze SoC weniger als 15 W.

Auf der Software-Seite schlägt Arm den Einsatz von Linux, des Data Plane Development Kit (DPDK, eine Reihe von Data-Plane-Bibliotheken und Netzwerkschnittstellen-Controller-Treibern für die schnelle Paketverarbeitung, die derzeit als Open-Source-Projekt unter der Linux Foundation verwaltet werden) sowie OpenSSL vor. OpenSSL ist eine freie Software für Transport Layer Security, ursprünglich Secure Sockets Layer (SSL). Sie umfasst Implementierungen der Netzwerkprotokolle und verschiedener Verschlüsselungen sowie das Programm openssl für die Kommandozeile zum Beantragen, Erzeugen und Verwalten von Zertifikaten. Die Basisbibliothek, welche in C geschrieben ist, stellt allgemeine kryptographische Funktionen zum Ver- und Entschlüsseln sowie diverse weitere Werkzeuge bereit.

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Neoverse-E1-Referenzdesign für 100G-Router.
© Arm

Einen zweiten großen Anwendungsfall für E1-CPUs sieht Arm in 100G-Routern und in der Datenpaket-Verarbeitung. Hier sollen in einem 3x5-Mesh-Netzwerk in insgesamt 8 Clustern 32 Neoverse-E1-CPUs für die Datenverarbeitung (4 Cluster a 8 CPUs), 8 Neoverse-N1-CPUs für die rechenintensiven Steuerungsaufgaben (2 Cluster a 4 CPUs) und Hardware-Beschleuniger z.B. für IPSec-Workloads zusammenwirken (Bild 8).  IPsec (Kurzform für Internet Protocol Security) ist eine Protokoll-Suite, die eine gesicherte Kommunikation über potentiell unsichere IP-Netze wie das Internet ermöglichen soll. IPsec arbeitet direkt auf der Vermittlungsschicht (Internet Layer) des DoD Models und ist eine Weiterentwicklung der IP-Protokolle. Das Ziel ist es, eine verschlüsselungsbasierte Sicherheit auf Netzwerkebene bereitzustellen. IPsec bietet durch die verbindungslose Integrität sowie die Zugangskontrolle und Authentifikation der Daten diese Möglichkeit an. Zudem wird durch IPsec die Vertraulichkeit sowie Authentizität der Paketreihenfolge durch Verschlüsselung gewährleistet.


  1. Auf in Cloud und Infrastruktur: Das ist Arms Neoverse-Universum
  2. Die Neoverse-E1-CPU
  3. Neoverse-Referenzdesigns
  4. Neoverse-N1-Hyperscale-Referenzdesign
  5. Neoverse-Entwicklungsboard
  6. Fazit

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