I semiconduttori per i data center

Dalla rivista:
Elettronica Oggi

 
Pubblicato il 12 gennaio 2012

Rispetto al passato, i nuovi datacenter devono rispondere a numerosi mutamenti delle esigenze, come per esempio quelle in termini di operatività, costi e diversificazione dei servizi. A questo si aggiunge un mutamento radicale che è costituito dalla sempre maggiore diffusione degli ambienti cloud, che comunque necessitano delle infrastrutture tipiche dei datacenter, oltre che, naturalmente, ai cambiamenti legati al tipo di dati gestiti, che sono sempre più frequentemente costituiti da contenuti multimediali.

Questi cambiamenti richiedono l’introduzione di nuove tecnologie e il relativo ricorso a componenti innovativi che possano abilitarle. Le aree di intervento per l’implementazione di questi nuovi componenti all’interno dei datacenter sono diverse e quelle principali sono quelle relative ai processori e alle memorie, allo storage, all’interconnettività e networking e all’alimentazione. A questi comunque si aggiungono altri componenti legati alla sensoristica e al sistema di raffreddamento.

Processori e memorie
Tra i principali componenti basati su semiconduttori presenti nei datacenter ci sono certamente i processori. Le capacità di elaborazione sono radicalmente cambiate negli anni, anche a causa delle diverse applicazioni che i datacenter sono chiamati a supportare.

Per il mondo dei processori x86, una delle novità più recenti riguarda l’inizio delle consegne da parte di AMD dei primi processori con il nome in codice Interlagos, basati sulla nuova architettura x86 “Bulldozer”. Si tratta di processori con 16 core e una nuova architettura interna, compatibili con le piattaforme e le infrastrutture AMD Opteron serie 6100. Tra le peculiarità del core Bulldozer c’è la notevole scalabilità, indispensabile per gestire i carichi di lavoro del cloud e delle virtualizzazioni, che sono in costante aumento.

Fig. 1 – I nuovi processori AMD Interlagos, in grado di ospitare fino a 16 core, si basano su questa nuova microarchitettura x86, chiamata Bulldozer

Per Intel, invece, il top di gamma della serie di processori Xeon è costituito per ora dalla famiglia E7, anche se all’ultima edizione dell’Intel Developer Forum l’azienda di Santa Clara ha mostrato i futuri sviluppi sottolineando l’importanza del multicore per incrementare le prestazioni e mantenere basso il consumo energetico.
Il many-core rappresenta, invece, un nuovo approccio progettuale per i processori dove, anziché aggiungere semplicemente più core, si coinvolge un nuovo design dei chip basato sul presupposto che un alto numero di core diventi la norma. Questo dovrebbe portare a un maggior numero di soluzioni basate su funzionalità di programmazione parallela dei dati, con servizi cloud più reattivi grazie al miglioramento dei tempi di risposta e alla riduzione dei tempi di attesa degli utenti per i dati critici. A questi benefici si aggiungono quelli relativi alla sicurezza, visto che si potranno utilizzare dei core dedicati alla cifratura e alle complesse operazioni di autenticazione.

Ci sono comunque altri produttori che hanno un portafoglio consolidato di processori per server e propongono nuovi sviluppi, e altri che stanno iniziando a interessarsi a questo segmento. Per esempio, a inizio 2011 ha suscitato scalpore l’intenzione di Nvidia di costruire CPU ad alte prestazioni basate su ARM e appositamente concepite per supportare futuri prodotti, fra cui anche server e supercomputer. L’iniziativa, nota con il nome in codice interno di “Project Denver” prevede una CPU Nvidia in grado di eseguire la serie di istruzioni ARM, che verrà poi pienamente integrata sullo stesso chip delle GPU Nvidia. Indipendentemente dall’architettura utilizzata comunque, uno degli obbiettivi principali dei produttori di CPU per questo segmento riguarda la riduzione dei consumi, un fattore che costituisce da tempo una delle principali limitazioni nello sviluppo dei datacenter.

Per quanto riguarda le memorie, invece, oltre al prevedibile andamento della tecnologie legato al tipo di processori utilizzato, visto che ormai molte CPU per server integrano direttamente i controller per la memoria, una delle novità più interessanti probabilmente riguarda l’Hybrid Memory Cube. Si tratta di una concept DRAM sviluppata da Micron in collaborazione con Intel, che porta avanti un innovativo approccio dal punto di vista del design, con il vantaggio di offrire un miglioramento di 7 volte, in termini di efficienza energetica, rispetto alle attuali memorie DDR3. In pratica l’Hybrid Memory Cube utilizza una configurazione dei chip di memoria sovrapposti a formare un “cubo” compatto e utilizza una nuova interfaccia ad alta efficienza che permette di elevare gli standard dal punto di vista del consumo di energia per bit trasferito, supportando, inoltre, velocità di trasferimento dati molto elevate. Questa ricerca potrebbe portare a miglioramenti decisivi nei server ottimizzati per il cloud computing.

Fig. 2 – Le concept DRAM chiamate Hybrid Memory Cube e presentate all’IDF sembrano molto promettenti per applicazioni nei datacenter

Lo storage
Per lo storage le aree principali interessate dai cambiamenti riguardano sia i controller sia le memorie usate nei dispositivi di storage. Da un lato, infatti, si stanno evolvendo gli standard per la gestione dei dischi per raggiungere performance sempre più elevate, e dall’altro si stanno diffondendo sempre più le soluzioni SSD al posto dei tradizionali hard disk per alcune specifiche applicazioni.

Per il mondo dei controller, LSI ha recentemente annunciato la tecnologia SAS RAID-on-Chip (RoC) di nuova generazione, in grado di raggiungere una velocità di 12 Gb/s. Un singolo IC RoC SAS a 8-porte da 12 Gb/s, durante le dimostrazioni, ha superato 1,2 milioni di IOPS (operazioni di input/output al secondo).
Questo tipo di componente permette di disporre delle prestazioni di I/O necessarie a sfruttare al meglio i dischi allo stato solido (SSD) e le piattaforme server di livello enterprise con il prossimo arrivo delle specifiche PCI Express 3.0. Secondo le stime degli analisti, infatti, l’adozione di mercato della tecnologia SAS a 12 Gb/s inizierà con il lancio dei primi singoli componenti e dispositivi SAS e crescerà poi nel momento in cui gli OEM cominceranno a produrre in quantità rilevanti server e sistemi di storage compatibili con questa tecnologia. Le consegne in volume di server compatibili con SAS a 12 Gb/s sono previste per l’inizio del 2013, seguite dalla disponibilità di sistemi esterni di storage nella seconda metà dello stesso anno.

Sul versante dei dischi a stato solido, invece, Intel ha presentato in occasione dell’IDF, una sua nuova unità dedicata all’impiego nei datacenter. Si tratta della Serie 710 con Tecnologia High Endurance, i cui drive sono costruiti su memorie di tipo MLC (Multi Level Cell) e tecnologia SATA. L’SSD Intel serie 710 utilizza memoria flash NAND MLC a 25 nm e offre una capacità da 100 GB, 200 GB e 300 GB.
La tecnologia High Endurance (HET) è in grado di offrire, a costi molto più contenuti, rispetto alle soluzioni SLC, la resistenza e le prestazioni necessarie per datacenter. Sul versante delle prestaz
ioni, invece, Intel dichiara che l’unità SSD Intel 710 offre fino a 2.700 IOPS in scrittura random di 4 KB e fino a 38.500 IOPS in lettura random di 4 KB per l’intero ciclo di vita dell’unità. Sono state implementate, inoltre anche altre soluzioni tecnologiche per aumentare l’affidabilità e la sicurezza, tra cui una funzionalità per proteggere i dati in caso di interruzione dell’alimentazione, una memoria flash NAND supplementare per fornire protezione del sistema in caso di guasto di un die NAND e aumentare la sicurezza dei dati.

Fig. 3 – I semiconduttori rivestono un ruolo sempre più importante nei server anche direttamente per lo storage tramite di drive SSD come questa unità della serie 710 di Intel basata su memorie di tipo MLC (Multi Level Cell)

Le innovazioni per gli SSD riguardano comunque anche altri aspetti. Netlist, per esempio, ha presentato il suo mSATA mini SSD che offre una capacità fino a 32 GB con 64 MB di DRAM utilizzata come cache, e l’mSATA slim SSD che invece arriva fino a 128 GB di capacità, sempre con 64 MB di cache. La novità è che questi SSD sfruttano un fattore di forma particolarmente ridotto.

Ovviamente i semiconduttori sono coinvolti anche nello sviluppo degli hard disk più tradizionali e ci sono diversi sviluppi anche su questo fronte. Per esempio, LSI ha appena presentato i nuovi System-on-Chip (SoC) e i preamplificatori a elevata integrazione per gli hard disk tradizionali. Si tratta degli IC TrueStore destinati ai dischi fissi (HDD) e integrati nelle unità da 3,5 pollici con capacità di storage di un terabyte per disco. Questi nuovi SoC, tra l’altro, sfruttano la seconda generazione della tecnologia di decodifica iterativa per il controllo della parità a bassa densità (LDPC).

Fig. 4 – Per il segmento dello storage, LSI produce numerosi componenti fra cui questi SoC Truestore per hard disk

La connettività
L’evoluzione dei datacenter coinvolge anche le connessioni, sia quelle fra i singoli chip, sia quelle fra schede e sistemi, e il passaggio a velocità di 100 e 400 Gbps per la prossima generazione di datacenter richiede notevoli sforzi da parte dei produttori. Esistono ovviamente numerosissimi tipi di semiconduttori destinati a questo segmento. La richiesta di una sempre maggiore larghezza di banda per le interconnessioni, legata alla rapida crescita del traffico IP, sta favorendo lo sviluppo di tecnologie di interconnessione ad alta velocità per i segnali, che però devono conservare caratteristiche di basso consumo.

Il passaggio da 10 a 100 Gbps richiede infatti interconnessioni fra i chip, fra chip e moduli e sui backplane con caratteristiche più stringenti in termini di integrità dei segnali. Per esempio, all’inizio dell’anno National Semiconductor ha annunciato una demo di una tecnologia ultra low power per retimer quad-channel a 28 Gbps.
In sostanza molti ritengono che i prossimi datacenter avranno bisogno di un nuovo ecosistema di ASIC e di componenti per l’interfacciamento e le interconnessioni in grado di supportare data rate sempre più elevati come quelli a di 100 Gbps. Per questo tipo di applicazioni National Semiconductor, per esempio, intende sfruttare la terza generazione della tecnologia silicio -germanio (SiGe) BiCMOS che permette di ottenere transistor con una larghezza di banda maggiore e un rumore più basso. Queste caratteristiche permettono di realizzare circuiti con jitter inferiori e consumi minori, funzionalità già disponibili nella famiglia di ripetitori a 10 Gbps con i modelli DS100BR410, l DS100BR210 e DS100BR111.

L’alimentazione
Una parte non trascurabile di semiconduttori nei datacenter si occupa della gestione dell’energia. L’adozione di Mosfet low voltage ad alte prestazione ha permesso di ridurre la dissipazione di energia, che nel caso dei server può essere rilevante. Se si considera infatti che un rack di server può consumare fino a 5 kW, se si raggiunge un’efficienza di conversione nell’alimentazione del 90% significa che comunque vengono sprecati 500 W. I Mosfet hanno permesso di migliorare l’efficienza degli alimentatori e quindi di ridurre le perdite di energia. Sono state introdotte infatti nel recente passato diverse tecnologie per ottimizzare i Mosfet sul versante del gate charge e dell’on-resistance, come per esempio quelle che prevedono l’inserimento di uno strato di ossido più spesso in fondo alla sede del gate.

Oltre ai semiconduttori tradizionalmente utilizzati per la realizzazione degli alimentatori, ve ne sono anche altri che possono dimostrarsi particolarmente utili. Un esempio di componente recentemente introdotto per applicazioni di questo tipo è la famiglia MC56F84xx di Freescale. Si tratta di digital signal controller (DSC) per implementare soluzioni di gestione dell’alimentazione che integrano funzionalità analogiche high speed con un DSP a 32 bit. Questo tipo di componenti è in grado di migliorare la stabilità dell’alimentazione, limitando sprechi e dissipazione di calore. Questi due aspetti sono destinati a diventare determinanti nell’immediato futuro con l’esplosione del cloud computing e il conseguente aumento delle dimensioni dei data center.

Fig. 5 – Per l’alimentazione possono dimostrarsi molto utili non soltanto nuovi componenti di potenza ma anche sistemi per la gestione dell’energia come per esempio l’MC56F84xx di Freescale utilizzabile per diverse applicazioni

Francesco Ferrari



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