Что такое Interconnect: аппаратные и сетевые технологии

Чтобы компоненты в IT и телекоммуникациях работали слаженно, нужно настроить не только оборудование, но и связи между каждым элементом. Для этого используется Interconnect — «нервная система» цифрового мира. В статье мы расскажем об Interconnect и о принципах его работы.

Что такое Interconnect

Interconnect — термин, который обычно используется в межоператорском взаимодействии. Однако далее речь пойдет о технологическом Interconnect, который используется в вычислительных системах и дата-центрах.

Всё актуальное — в наших соцсетях. Подписывайтесь!

Телеграм ВКонтакте

Interconnect — это собирательное понятие в IT и телекоммуникациях, которым принято обозначать соединение или взаимосвязь. Он применим к любой системе, где выполняется соединение между двумя или несколькими компонентами.

Interconnect, как и любая система (system), имеет сформулированные принципы работы. Их можно условно разделить на две группы:

1. Принципы проектирования и архитектуры.
2. Принципы эксплуатации и управления.

Разберем их подробнее.

Принципы проектирования и архитектуры

1. Принцип баланса. Система должна быть сбалансирована, а пропускная способность interconnect должна соответствовать вычислительной мощности подключенных компонентов или превышать ее.
2. Принцип локальности данных. Передача данных — ресурсоемкая операция. Она требовательна к ресурсам и занимает некоторое время (в зависимости от объема данных). Основная цель — это минимизировать перемещения данных: например, перенести небольшую программу к большим данным лучше, чем переместить big data к программе.
3. Принцип топологической оптимальности. Это значит, что топологию сети стоит выбирать под шаблон коммуникации приложения. Например, для коллективных операций понадобится сеть с высокой бисекционной пропускной способностью, а для задач с соседними взаимодействиями может хватить и сетки.
4. Принцип плоскостности и малой задержки. Согласно этому принципу задержка часто важнее пиковой пропускной способности. При создании архитектуры важно минимизировать количество хопов между узлами и упростить прохождение сигнала.
5. Принцип детерминированности и предсказуемости. Если следовать этому принципу, то в реальных системах предсказуемое время отклика часто важнее средней скорости. При этом джиттеры должны быть минимальными.

Принципы эксплуатации и управления

1. Принцип «Интерконнект — это разделяемый и исчерпаемый ресурс». Администратору сети стоит учитывать, что interconnect — это общая магистраль. Например, если будет запущено приложение с высокой ресурсоемкостью, оно может повлиять и на другие узлы сети.
2. Принцип соразмерности протокола. Помимо физического interconnect важно выбрать подходящий протокол для выполнения основных операций. Часто используются следующие варианты:
   • MPI (Message Passing Interface) — для обмена сообщениями;
   • RDMA (Remote Direct Memory Access) через протоколы InfiniBand, RoCE или iWARP — для доступа к удаленной памяти;
   • NVMe-oF (NVMe over Fabrics) — для хранения.
   • Если выбран неподходящий протокол для выполнения операций, это может сказаться на производительности оборудования.
3. Принцип эффективного программирования с учетом топологии. Программный код должен знать о топологии сети и максимально сократить время соединения между удаленными узлами.
4. Принцип изоляции критического трафика. Согласно этому правилу каждый вид трафика должен быть отделен от остальных логически или физически. Таким образом друг от друга должны быть отделены:
   • трафик управления,
   • трафик синхронизации в кластере,
   • трафик данных хранилища,
   • пользовательский трафик.
5. Принцип масштабирования и избыточности. Это значит, что любая система interconnect должна проектироваться с запасом на горизонтальное масштабирование, а также иметь избыточные пути, чтобы обеспечить отказоустойчивость.
6. Принцип непрерывного мониторинга и телеметрии. Согласно нему необходимо регулярно отслеживать:
   • загрузку каналов;
   • количество ошибок и отклоненных пакетов;
   • задержку отклика и ее джиттер;
   • тепловые карты трафика для выявления «горячих точек» и неоптимальных маршрутов.

Где применяется interconnect

Области применения технологии (technology) interconnect условно можно поделить на уровни:

1. Микросхемы.
2. Плата и корпус.
3. Стойка и кластер.
4. Облачные решения.
5. Кампус и город.
6. Глобальный уровень.
7. Специализированные вертикальные отрасли.

Разберем каждый из них подробнее.

Микросхемы

На этом уровне Interconnect соединяет между собой миллиарды транзисторов, вычислительные ядра, кэш-память и контроллеры памяти. Это возможно с помощью следующих технологий:

• система на кристалле (SoC). Сети на чипе (NoC) — «дорожки» и «перекрестки» для связи ядер CPU, GPU, NPU и блоков DSP;
• AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture) — стандарт для соединения IP-блоков в процессорах Arm;
• кремниевые интерпозеры (Silicon Interposers) — высокоскоростной слой для соединения нескольких чипов в одном корпусе.

Эти технологии применяются при создании процессоров Apple M-series и AMD Ryzen, а также в смартфонах, умных часах и IoT-устройствах.

Плата и корпус

На этом уровне Interconnect соединяет отдельные микросхемы на одной материнской плате или видеокарте. Это возможно благодаря использованию следующих технологий:

• PCI Express (PCIe), которая является основной «магистралью» для подключения GPU, SSD и сетевых карт к CPU;
• Memory Channels, при которой каналы памяти ведут к DDR;
• QPI/UPI от Intel и Infinity Fabric от AMD используется для связи нескольких процессоров внутри одного сервера;
• NVLink от NVIDIA, которая обеспечивает прямое сверхбыстрое соединение GPU-GPU и GPU-CPU.

Эти технологии применяются для игровых ПК, рабочих станций, серверов, систем хранения, а также для связки высокопроизводительных видеокарт.

Стойка и кластер

В этом случае Interconnect связывает между собой десятки и сотни серверных стоек, а также вычислительные узлы и системы хранения. Для этого задействуется следующий функционал:

• InfiniBand со сверхнизкой задержкой RDMA, который является ключевым решением для HPC и ИИ-кластеров;
• Ethernet (100G/400G/800G) — протокол, который доминирует в облачных дата-центрах;
• Omni-Path от Intel — альтернатива InfiniBand для HPC;
• Fibre Channel (FC), необходимый для сетей хранения данных (SAN);
• NVMe over Fabrics (NVMe-oF) — сравнительно новый стандарт для сверхбыстрого доступа к SSD по сети.

Примеры использования перечисленных технологий:

• суперкомпьютеры, такие как Frontier, Fugaku или Ломоносов-2;
• ИИ-кластеры для обучения больших моделей — например, NVIDIA DGX SuperPOD или система Google;
• облачные решения (например, от Рег.облака или от Яндекс.Облака);
• кластерные СУБД, в частности Oracle Exadata или Google Spanner.

Облачные решения

На этом уровне interconnect используется для соединения on-premise инфраструктуры с облаком. Также выделенные сетевые сервисы interconnect используются для создания связи между разными облаками. Для этого могут использоваться следующие технологии:

• выделенный интерконнект — физическое выделенное соединение (порт 10G/100G) между вашим оборудованием и оборудованием облачного провайдера в точке присутствия;
• партнерский интерконнект — виртуальное выделенное соединение через партнера-провайдера, у которого уже есть готовая физическая связь с облаком;
• публичный интерконнект — услуга на базе точки обмена трафиком, где множество операторов и клиентов подключены к единой коммутационной платформе. Эта платформа имеет связь с облаком;
• SD-WAN в связке с облачным интерконнектом — современная гибридная модель. SD-WAN-контроллер интеллектуально направляет критический трафик через выделенный Interconnect, а остальной — через сервис шифрования поверх интернета.

Кампус и город

В этом случае Interconnect может соединять разные дата-центры одного поставщика услуг, филиалы одной компании или точки присутствия. Это реализуется при помощи следующих технологий:

• оптические сети (DWDM/CWDM), которые позволяют мультиплексировать десятки каналов по одному волокну;
• Carrier Ethernet с выделенными Ethernet-каналами с гарантированной полосой;
• Dark Fiber — то есть аренда незанятых (или «темных» оптических волокон.

Для чего применяется такой формат сети:

• георезервация и репликация данных между ДЦ,
• связь облачных зон доступности,
• корпоративные сети крупных организаций.

Глобальный уровень

На глобальном уровне interconnect помогает объединить в сеть страны, континенты и глобальные сети операторов. Какие технологии при этом используются:

• подводные оптоволоконные кабели — они составляют основу глобального интернета;
• магистральные DWDM-системы с сотнями каналов по одному волокну;
• точки обмена интернет-трафиком (IXP) — своего рода «развязки», где сотни сетей обмениваются трафиком напрямую;
• межоператорские стыки — соглашения и соединения между телеком-операторами.

Для чего необходимы эти настройки:

• глобальный интернет — ваш запрос к серверу, который находится в другой стране, проходит через цепочку interconnect;
• трансграничные сервисы для международных звонков и видеоконференций;
• глобальные CDN — сети доставки контента от таких компаний как Cloudflare или Google.

Специализированные вертикальные отрасли

Interconnect применяется не только в IT, но и других отраслях. В качестве практического примера рассмотрим две из них:

1. Наука и исследования.
2. Оборонная и аэрокосмическая промышленность.

Наука и исследования	Оборонная и аэрокосмическая промышленность
Большой адронный коллайдер (LHC) — сеть для передачи петабайтов данных от детекторов к вычислительным центрам по всему миру (LHCONE)	Авионика — детерминированные сети (например, AFDX и Time-Triggered Ethernet) для связи критически важных систем в самолетах
Радиотелескопы (SKA) — синхронизация тысяч антенн и обработки эксабайтов данных	Спутниковые группировки (Starlink) — межспутниковые лазерные связи для создания космического интернета

По мере развития Interconnect становится не просто «проводом», а активным интеллектуальным элементом. Он отвечает за работу объединенной памяти (через CXL), распределенные вычисления в формате единой системы, а также обеспечивает детерминированность в работе.

Interconnect — важнейший элемент технического прогресса. Его можно применять для множества глобальных задач: от миниатюризации устройств до создания ИИ и глобальной цифровизации.