英伟达Omniverse还在变强？英伟达新一代以太网助力
文／VR陀螺 小钻风
元宇宙最扎实的落地，还数工业。之所以这么说，其重要原因在于工业元宇宙的形态多为当前可大规模落地的数字孪生。近几年，新一代智能制造对数字孪生的应用加快步伐 ，其背后的构建平台如NVIDIA Omniverse也在快速升级。
被冠以“工业元宇宙”之称的Omniverse除了客户的不断增多，本身功能的不断迭代之外，支持其更好运作的以太网网络平台也更新至Spectrum－4，这意味着Omniverse与其数字孪生的构建工作将获得更好的支持。
“虚拟世界对下一代人工智能至关重要”
英伟达网络技术专家崔岩在讲解Spectrum－4以太网网络平台前，先阐述了虚拟世界对下一代人工智能的重要性，同时也道出了英伟达对虚拟世界的重视，以及Omniverse的诞生原因。
“英伟达在虚拟世界中占有特定位置，虚拟世界对下一代人工智能起着至关重要的作用。”
图源：英伟达
崔岩表示，英伟达从创建之初便致力于虚拟世界的模拟，包括游戏与计算机图形方面的技术。多年以来，随着互联的虚拟世界持续推动下一代人工智能工作负载的持续发展，英伟达从工业和工程的角度来重新审视虚拟世界，从而构建了Omniverse，创建和模拟与现实世界无法区分的虚拟世界平台。
这一系列举措为实现数字孪生模型铺平了道路，并广泛应用于机器人仿真、数据科学建模、5G应用、自动驾驶汽车、智能工厂和气候研究等等新的应用领域。
我们从英伟达近几届的GTC大会的主题演讲环节也可知其一二，除去新发布的软、硬件内容，非常多的展示均围绕AI以及各种数字孪生应用案例，包括“常客”宝马的数字孪生工厂，自动驾驶汽车等等。
这些数字孪生，包含了小到细胞级微观生物场景模拟，大到工厂的复制，自然气象的模拟，甚至是完整地球的复刻，丰富庞杂的同时对精细度、精准度要求非常之高，与此同时还要做到实时且符合现实世界的物理规律，其难度可见一斑。
现在5G与云计算时代的到来加速了这一实现过程，同时，也让Omniverse等能对数据孪生进行构建的平台不断升级，以应对如迅速增长的数据中心等诸多挑战。
鉴于此，英伟达也于今年3月进行了新的Spectrum －4以太网网络平台、专为运行Omniverse中复杂数字孪生模型而设计的OVX计算系统等重要更新、发布。
Omniverse计算系统的骨干网络
英伟达新一代网络平台Spectrum－4
“真正的数字孪生实际上是一个实物世界的现实翻版，从更大规模的角度看，数字孪生是和物理世界相连的一个虚拟世界”。崔岩表示，真正的数字孪生必须满足四大特征：
物理的准确性和真实性，必须遵循物理的定律；
不间断的与物理世界进行同步，基本上实现即见即所得的同步体验；
精准的时间运行，在多个计算节点上实现同步；
包括多个自治系统，多种的自治系统来支撑数字孪生技术。
据崔岩介绍，要构建类似宝马未来工厂较完美的数字孪生应用场景，数字孪生需要利用英伟达加速计算的全部力量，因此英伟达于今年的GTC春季大会发布了专为运行Omniverse中复杂数字孪生模型而设计的OVX计算系统。
图源：英伟达
OVX计算系统能更好地保持数据上的准确性，遵循物理的定律，让数据中心具备可扩展性、低延时和精准时间的特点，来满足前面讲数字孪生的四大特征，也包括去支撑Omniverse数字孪生平台，能够更好的为客户提供一个数字孪生的基础设施。
第一代OVX服务器由8颗NVIDIA A40 RTX GPU和3块 ConnectX－6 Dx 200Gbps网卡组成，且包含两颗至强CPU、1TB系统内存和16TB NVMe存储。这使得NVIDIA OVX的SuperPOD能够在工厂、城市、世界范围构建实时性能的数字孪生系统。
而为了更好地支撑数据中心规模的应用，英伟达提供了OVX POD与OVX SuperPOD，并引入NVIDIA Spectrum－3交换机，提供200Gbps网络架构，可以将32台OVX服务器与高速网络和高速存储进行连接，提供低延时和精准定时，以同步物理世界和虚拟世界，满足大规模行业数字孪生的实时仿真需求。
升级后的新一代Spectrum－4则能够在整个在OVX SuperPOD或多个SuperPOD组成的数字孪生计算系统架构上，提供一个更精准的、实时性更高的数字孪生基础设施。Spectrum－4网络平台会在云或边缘数字中心更全面、更好的支持Omniverse数字孪生，成为Omniverse计算系统的骨干网络。
据介绍，Spectrum－4网络平台是一个400Gbps端到端的以太网网络平台，由三大硬件组件以及一系列软件组成。
硬件组成主要包含：Spectrum－4以太网交换机，用以加速云网络架构；领先的网络适配器ConnectX－7智能网卡，以及可以编程的数据中心基础设施BlueField－3 DPU。
图源：英伟达
硬件之上则还有NVIDIA Cumulus Linux或SONIC网络操作系统、以及DOCA软件框架。这一系列软、硬件共同构成了Spectrum－4网络平台。
Spectrum－4网络平台作为一个完整的体系以400Gbps Spectrum－4以太网交换机为核心。
从参数提升角度来看，Spectrum－4交换机可以提供51．2Tpbs交换带宽，12．8Tbps线速加密，在整个网络数据传递过程中数据始终保持加密状态，并能以极高的网络传输速度进行传输。其包转发速率则可达37．6Bpps。
Spectrum－4以太网交换机采用了先进的交换ASIC芯片，集成有千亿晶体管，由台积电4N制程做芯片，在性能与功耗上都得到非常好的优化。此外，它还提供最高128个400Gbps端口。
图源：英伟达
与上一代Spectrum交换机产品相比，网络带宽有4倍提升，安全加密性能也会提升3倍，网络性能与安全性均大大加强。
除去Spectrum交换机，崔岩还重点介绍了Spectrum－4另外两个重要组件：NVIDIA ConnectX－7智能网卡与NVIDIA BlueeField－3 DPU：
ConnectX－7智能网卡，是从10Gbps到400Gbps多种速率的以太网网卡，可以为云、电信应用、人工智能、企业工作负载来提供数据中心规模的硬件加速，可以加速网络、存储、安全和管理服务。
BlueField－3 DPU，则是在Spectrum－4 端到端以太网网络平台中非常重要的组成部分，是第三代片上数据中心基础设施，可以支持客户从云端到核心数据中心，再到边缘构建软件定义、硬件加速IT基础设施。
据介绍，“BlueField－3 DPU是业内首款400Gbps DPU，与上一代产品比较带宽增加了2倍，ARM CPU核的算力提升4倍，IPsec加密性能提升4倍，存储读写性能提升2倍。所以是一套很完善的片上数据中心基础设施，集成了最新的ConnectX－7智能网卡和一个16核的ARM A78内核CPU。”
“同时，在这颗芯片里还集成DDR5内存控制器和第五代PCIe交换机，有L2到L4网络加密以及专用的加速引擎。所以，这些专用的加速引擎可以用于网络、存储、安全服务、机器学习、人工智能工作负载的硬件加速。有了DPU之后，更多是体现在硬件加速上，可以用一些硬件加速引擎来支撑一些数据中心基础设施的功能，因此，在性能上会有大幅度的提升，同时，能够释放主机CPU原来在基础设施方面的算力损耗。”
从软件层面看，据崔岩介绍，英伟达在收购Mellanox与CUMULUS Networks之后，组成了英伟达网络的新平台，从底层芯片到底层系统、到网络操作系统、再到协议均有创新，并基于此为用户提供网络服务，使英伟达能够提供开放的标准，赋能用户快速构建开源网络应用程序和协议。
此外，相当于网络数字孪生的NVIDIA Air，可以在没有设备、没有搭建具体网络的情况下，通过NVIDIA Air辅助网络管理员做一个孪生网络，简化整个网络部署，也可以给交换机部署节省95％时间。
崔岩在讲到三个最重要的交换机特性时提到了：自适应路由、一流的加密功能，以及高效网络大规模加速Omniverse。
图源：英伟达
据介绍，Spectrum－4以太网网络平台支持Omniverse数据孪生，让其在应用数量、管理上都会有较大的提升。Spectrum－4作为高密度端口的交换机，性能非常强，对传统的图左侧的叶脊架构的网络有替代作用，用一台Spectrum－4实现了相当于过去12台交换机的网络可简化128节点的 OVX SuperPOD网络连接。
这样一个部署架构，对于网络运维人员来讲，从整个机柜空间到管理节点数都会有大幅度的改善，还会带来10倍节能。由于其本身变成1台交换机，所有的性能都在ASIC芯片内做数据交换处理，以支持更大更多数据的服务，其延时性能也会有更大的提升。
最后，崔岩在回答Spectrum－4哪些功能将使其更好地成为Omniverse计算的骨干网络时表示：
“从Spectrum－4网络平台的架构特性来看，Spectrum－4以太网交换机是业内比较领先的交换机平台，有51．2Gbps交换带宽，12．8Tbps线速加密，37．6Bpps的包转化速率，这几个指标目前在以太网交换机里都是屈指可数的产品交换平台，此外，还有前面介绍的自适应路由、数据中心间加密功能，能够更好的满足客户在Omniverse计算上面的一些需求，能够提升相应的性能。”
“另外一块是Spectrum－4网络平台，能够去跟NVIDIA DGX、HGX、OVX这些计算系统做连接跟整合，给客户提供一整套数据中心的基础设施，来提供高吞吐量、高端口密度、高交换速率、高安全性开放的骨干网络，让客户在这些人工智能或者数字孪生应用上有更好的网络平台。
当前，Spectrum－4以太网网络平台的目标客户为：大规模云计算客户、有人工智能应用部署的企业客户，以及对模拟仿真、数字孪生有需求的这三类客户，在这些客户手中，Spectrum－4以太网网络平台会发挥巨大作用。
市场规模未来或破千亿
数字孪生加速向多领域渗透
从NVIDIA Omniverse合作案例来看，当前合作的众多前沿企业客户，如亚马逊、宝马、爱立信、WPP、Hogarth等等都在利用Omniverse构建数字孪生应用场景。
而往正处数智化转型的国内看，应用案例也并不少。比如一汽红旗车间的数字孪生生产线，从更宏观的流水线状况到细致入微的拧螺丝力度都被复刻记录。
再比如疫情期间，武汉雷神山10天建成的奇迹便是借助了数字孪生模拟现场工序；上海浦东花木街道借助数字孪生快速响应防疫抗疫．．．．．．类似案例已俯拾皆是。
据觅国咨询数据，到2025年，预计全球数字孪生市场规模将达1684亿元人民币。
图源：立方知造局
据了解，国内对数字孪生的应用更多地体现在智慧城市。《数字孪生应用白皮书》预估，数字孪生在中国多场景当中的应用预测潜力不可小觑，中国新型智慧城市规模预计2023年超1．3万亿，智慧医疗2022年将达1500亿元，智慧出行2025年则有望达7000亿元。
随着全球数智化进程的推进，除去智慧城市，作为制造业强国，借助数字孪生进行制造业转型也将是国内诸多厂商必经之路。
工欲善其事，必先利其器。在这个过程当中，Omniverse等构建数字孪生的平台及其Spectrum－4以太网网络平台等的升级助力将会扮演重要角色。
