文/VR陀螺 小鉆風(fēng)

元宇宙最扎實(shí)的落地，還數(shù)工業(yè)。之所以這么說，其重要原因在于工業(yè)元宇宙的形態(tài)多為當(dāng)前可大規(guī)模落地的數(shù)字孿生。近幾年，新一代智能制造對(duì)數(shù)字孿生的應(yīng)用加快步伐 ，其背后的構(gòu)建平臺(tái)如NVIDIA Omniverse也在快速升級(jí)。

被冠以“工業(yè)元宇宙”之稱的Omniverse除了客戶的不斷增多，本身功能的不斷迭代之外，支持其更好運(yùn)作的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)也更新至Spectrum-4，這意味著Omniverse與其數(shù)字孿生的構(gòu)建工作將獲得更好的支持。

“虛擬世界對(duì)下一代人工智能至關(guān)重要”

英偉達(dá)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專家崔巖在講解Spectrum-4以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)前，先闡述了虛擬世界對(duì)下一代人工智能的重要性，同時(shí)也道出了英偉達(dá)對(duì)虛擬世界的重視，以及Omniverse的誕生原因。

“英偉達(dá)在虛擬世界中占有特定位置，虛擬世界對(duì)下一代人工智能起著至關(guān)重要的作用。”

圖源：英偉達(dá)

崔巖表示，英偉達(dá)從創(chuàng)建之初便致力于虛擬世界的模擬，包括游戲與計(jì)算機(jī)圖形方面的技術(shù)。多年以來，隨著互聯(lián)的虛擬世界持續(xù)推動(dòng)下一代人工智能工作負(fù)載的持續(xù)發(fā)展，英偉達(dá)從工業(yè)和工程的角度來重新審視虛擬世界，從而構(gòu)建了Omniverse，創(chuàng)建和模擬與現(xiàn)實(shí)世界無法區(qū)分的虛擬世界平臺(tái)。

這一系列舉措為實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生模型鋪平了道路，并廣泛應(yīng)用于機(jī)器人仿真、數(shù)據(jù)科學(xué)建模、5G應(yīng)用、自動(dòng)駕駛汽車、智能工廠和氣候研究等等新的應(yīng)用領(lǐng)域。

我們從英偉達(dá)近幾屆的GTC大會(huì)的主題演講環(huán)節(jié)也可知其一二，除去新發(fā)布的軟、硬件內(nèi)容，非常多的展示均圍繞AI以及各種數(shù)字孿生應(yīng)用案例，包括“常客”寶馬的數(shù)字孿生工廠，自動(dòng)駕駛汽車等等。

這些數(shù)字孿生，包含了小到細(xì)胞級(jí)微觀生物場(chǎng)景模擬，大到工廠的復(fù)制，自然氣象的模擬，甚至是完整地球的復(fù)刻，豐富龐雜的同時(shí)對(duì)精細(xì)度、精準(zhǔn)度要求非常之高，與此同時(shí)還要做到實(shí)時(shí)且符合現(xiàn)實(shí)世界的物理規(guī)律，其難度可見一斑。

現(xiàn)在5G與云計(jì)算時(shí)代的到來加速了這一實(shí)現(xiàn)過程，同時(shí)，也讓Omniverse等能對(duì)數(shù)據(jù)孿生進(jìn)行構(gòu)建的平臺(tái)不斷升級(jí)，以應(yīng)對(duì)如迅速增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)中心等諸多挑戰(zhàn)。

鑒于此，英偉達(dá)也于今年3月進(jìn)行了新的Spectrum -4以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、專為運(yùn)行Omniverse中復(fù)雜數(shù)字孿生模型而設(shè)計(jì)的OVX計(jì)算系統(tǒng)等重要更新、發(fā)布。

 Omniverse計(jì)算系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò)，英偉達(dá)新一代網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)Spectrum-4 

“真正的數(shù)字孿生實(shí)際上是一個(gè)實(shí)物世界的現(xiàn)實(shí)翻版，從更大規(guī)模的角度看，數(shù)字孿生是和物理世界相連的一個(gè)虛擬世界”。崔巖表示，真正的數(shù)字孿生必須滿足四大特征：

• 物理的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，必須遵循物理的定律；
• 不間斷的與物理世界進(jìn)行同步，基本上實(shí)現(xiàn)即見即所得的同步體驗(yàn)；
• 精準(zhǔn)的時(shí)間運(yùn)行，在多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)同步；
• 包括多個(gè)自治系統(tǒng)，多種的自治系統(tǒng)來支撐數(shù)字孿生技術(shù)。

據(jù)崔巖介紹，要構(gòu)建類似寶馬未來工廠較完美的數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景，數(shù)字孿生需要利用英偉達(dá)加速計(jì)算的全部力量，因此英偉達(dá)于今年的GTC春季大會(huì)發(fā)布了專為運(yùn)行Omniverse中復(fù)雜數(shù)字孿生模型而設(shè)計(jì)的OVX計(jì)算系統(tǒng)。

圖源：英偉達(dá)

OVX計(jì)算系統(tǒng)能更好地保持?jǐn)?shù)據(jù)上的準(zhǔn)確性，遵循物理的定律，讓數(shù)據(jù)中心具備可擴(kuò)展性、低延時(shí)和精準(zhǔn)時(shí)間的特點(diǎn)，來滿足前面講數(shù)字孿生的四大特征，也包括去支撐Omniverse數(shù)字孿生平臺(tái)，能夠更好的為客戶提供一個(gè)數(shù)字孿生的基礎(chǔ)設(shè)施。

第一代OVX服務(wù)器由8顆NVIDIA A40 RTX GPU和3塊 ConnectX-6 Dx 200Gbps網(wǎng)卡組成，且包含兩顆至強(qiáng)CPU、1TB系統(tǒng)內(nèi)存和16TB NVMe存儲(chǔ)。這使得NVIDIA OVX的SuperPOD能夠在工廠、城市、世界范圍構(gòu)建實(shí)時(shí)性能的數(shù)字孿生系統(tǒng)。

而為了更好地支撐數(shù)據(jù)中心規(guī)模的應(yīng)用，英偉達(dá)提供了OVX POD與OVX SuperPOD，并引入NVIDIA Spectrum-3交換機(jī)，提供200Gbps網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以將32臺(tái)OVX服務(wù)器與高速網(wǎng)絡(luò)和高速存儲(chǔ)進(jìn)行連接，提供低延時(shí)和精準(zhǔn)定時(shí)，以同步物理世界和虛擬世界，滿足大規(guī)模行業(yè)數(shù)字孿生的實(shí)時(shí)仿真需求。

升級(jí)后的新一代Spectrum-4則能夠在整個(gè)在OVX SuperPOD或多個(gè)SuperPOD組成的數(shù)字孿生計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)上，提供一個(gè)更精準(zhǔn)的、實(shí)時(shí)性更高的數(shù)字孿生基礎(chǔ)設(shè)施。Spectrum-4網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)會(huì)在云或邊緣數(shù)字中心更全面、更好的支持Omniverse數(shù)字孿生，成為Omniverse計(jì)算系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò)。

據(jù)介紹，Spectrum-4網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是一個(gè)400Gbps端到端的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，由三大硬件組件以及一系列軟件組成。

硬件組成主要包含：Spectrum-4以太網(wǎng)交換機(jī)，用以加速云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)適配器ConnectX-7智能網(wǎng)卡，以及可以編程的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施BlueField-3 DPU。

圖源：英偉達(dá)

硬件之上則還有NVIDIA Cumulus Linux或SONIC網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、以及DOCA軟件框架。這一系列軟、硬件共同構(gòu)成了Spectrum-4網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

Spectrum-4網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)作為一個(gè)完整的體系以400Gbps Spectrum-4以太網(wǎng)交換機(jī)為核心。

從參數(shù)提升角度來看，Spectrum-4交換機(jī)可以提供51.2Tpbs交換帶寬，12.8Tbps線速加密，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳遞過程中數(shù)據(jù)始終保持加密狀態(tài)，并能以極高的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度進(jìn)行傳輸。其包轉(zhuǎn)發(fā)速率則可達(dá)37.6Bpps。

Spectrum-4以太網(wǎng)交換機(jī)采用了先進(jìn)的交換ASIC芯片，集成有千億晶體管，由臺(tái)積電4N制程做芯片，在性能與功耗上都得到非常好的優(yōu)化。此外，它還提供最高128個(gè)400Gbps端口。

圖源：英偉達(dá)

與上一代Spectrum交換機(jī)產(chǎn)品相比，網(wǎng)絡(luò)帶寬有4倍提升，安全加密性能也會(huì)提升3倍，網(wǎng)絡(luò)性能與安全性均大大加強(qiáng)。

除去Spectrum交換機(jī)，崔巖還重點(diǎn)介紹了Spectrum-4另外兩個(gè)重要組件：NVIDIA ConnectX-7智能網(wǎng)卡與NVIDIA BlueeField-3 DPU：

ConnectX-7智能網(wǎng)卡，是從10Gbps到400Gbps多種速率的以太網(wǎng)網(wǎng)卡，可以為云、電信應(yīng)用、人工智能、企業(yè)工作負(fù)載來提供數(shù)據(jù)中心規(guī)模的硬件加速，可以加速網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、安全和管理服務(wù)。

BlueField-3 DPU，則是在Spectrum-4 端到端以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中非常重要的組成部分，是第三代片上數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施，可以支持客戶從云端到核心數(shù)據(jù)中心，再到邊緣構(gòu)建軟件定義、硬件加速IT基礎(chǔ)設(shè)施。

據(jù)介紹，“BlueField-3 DPU是業(yè)內(nèi)首款400Gbps DPU，與上一代產(chǎn)品比較帶寬增加了2倍，ARM CPU核的算力提升4倍，IPsec加密性能提升4倍，存儲(chǔ)讀寫性能提升2倍。所以是一套很完善的片上數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施，集成了最新的ConnectX-7智能網(wǎng)卡和一個(gè)16核的ARM A78內(nèi)核CPU。”

“同時(shí)，在這顆芯片里還集成DDR5內(nèi)存控制器和第五代PCIe交換機(jī)，有L2到L4網(wǎng)絡(luò)加密以及專用的加速引擎。所以，這些專用的加速引擎可以用于網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、安全服務(wù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能工作負(fù)載的硬件加速。有了DPU之后，更多是體現(xiàn)在硬件加速上，可以用一些硬件加速引擎來支撐一些數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的功能，因此，在性能上會(huì)有大幅度的提升，同時(shí)，能夠釋放主機(jī)CPU原來在基礎(chǔ)設(shè)施方面的算力損耗。”

從軟件層面看，據(jù)崔巖介紹，英偉達(dá)在收購Mellanox與CUMULUS Networks之后，組成了英偉達(dá)網(wǎng)絡(luò)的新平臺(tái)，從底層芯片到底層系統(tǒng)、到網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、再到協(xié)議均有創(chuàng)新，并基于此為用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，使英偉達(dá)能夠提供開放的標(biāo)準(zhǔn)，賦能用戶快速構(gòu)建開源網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序和協(xié)議。

此外，相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生的NVIDIA Air，可以在沒有設(shè)備、沒有搭建具體網(wǎng)絡(luò)的情況下，通過NVIDIA Air輔助網(wǎng)絡(luò)管理員做一個(gè)孿生網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)部署，也可以給交換機(jī)部署節(jié)省95%時(shí)間。

崔巖在講到三個(gè)最重要的交換機(jī)特性時(shí)提到了：自適應(yīng)路由、一流的加密功能，以及高效網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模加速Omniverse。

圖源：英偉達(dá)

據(jù)介紹，Spectrum-4以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)支持Omniverse數(shù)據(jù)孿生，讓其在應(yīng)用數(shù)量、管理上都會(huì)有較大的提升。Spectrum-4作為高密度端口的交換機(jī)，性能非常強(qiáng)，對(duì)傳統(tǒng)的圖左側(cè)的葉脊架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)有替代作用，用一臺(tái)Spectrum-4實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)于過去12臺(tái)交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)可簡(jiǎn)化128節(jié)點(diǎn)的 OVX SuperPOD網(wǎng)絡(luò)連接。

這樣一個(gè)部署架構(gòu)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維人員來講，從整個(gè)機(jī)柜空間到管理節(jié)點(diǎn)數(shù)都會(huì)有大幅度的改善，還會(huì)帶來10倍節(jié)能。由于其本身變成1臺(tái)交換機(jī)，所有的性能都在ASIC芯片內(nèi)做數(shù)據(jù)交換處理，以支持更大更多數(shù)據(jù)的服務(wù)，其延時(shí)性能也會(huì)有更大的提升。

最后，崔巖在回答Spectrum-4哪些功能將使其更好地成為Omniverse計(jì)算的骨干網(wǎng)絡(luò)時(shí)表示：

“從Spectrum-4網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的架構(gòu)特性來看，Spectrum-4以太網(wǎng)交換機(jī)是業(yè)內(nèi)比較領(lǐng)先的交換機(jī)平臺(tái)，有51.2Gbps交換帶寬，12.8Tbps線速加密，37.6Bpps的包轉(zhuǎn)化速率，這幾個(gè)指標(biāo)目前在以太網(wǎng)交換機(jī)里都是屈指可數(shù)的產(chǎn)品交換平臺(tái)，此外，還有前面介紹的自適應(yīng)路由、數(shù)據(jù)中心間加密功能，能夠更好的滿足客戶在Omniverse計(jì)算上面的一些需求，能夠提升相應(yīng)的性能。”

“另外一塊是Spectrum-4網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，能夠去跟NVIDIA DGX、HGX、OVX這些計(jì)算系統(tǒng)做連接跟整合，給客戶提供一整套數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施，來提供高吞吐量、高端口密度、高交換速率、高安全性開放的骨干網(wǎng)絡(luò)，讓客戶在這些人工智能或者數(shù)字孿生應(yīng)用上有更好的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。”

當(dāng)前，Spectrum-4以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的目標(biāo)客戶為：大規(guī)模云計(jì)算客戶、有人工智能應(yīng)用部署的企業(yè)客戶，以及對(duì)模擬仿真、數(shù)字孿生有需求的這三類客戶，在這些客戶手中，Spectrum-4以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)會(huì)發(fā)揮巨大作用。

 市場(chǎng)規(guī)模未來或破千億，數(shù)字孿生加速向多領(lǐng)域滲透 

從NVIDIA Omniverse合作案例來看，當(dāng)前合作的眾多前沿企業(yè)客戶，如亞馬遜、寶馬、愛立信、WPP、Hogarth等等都在利用Omniverse構(gòu)建數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景。

而往正處數(shù)智化轉(zhuǎn)型的國(guó)內(nèi)看，應(yīng)用案例也并不少。比如一汽紅旗車間的數(shù)字孿生生產(chǎn)線，從更宏觀的流水線狀況到細(xì)致入微的擰螺絲力度都被復(fù)刻記錄。

再比如疫情期間，武漢雷神山10天建成的奇跡便是借助了數(shù)字孿生模擬現(xiàn)場(chǎng)工序；上海浦東花木街道借助數(shù)字孿生快速響應(yīng)防疫抗疫......類似案例已俯拾皆是。

據(jù)覓國(guó)咨詢數(shù)據(jù)，到2025年，預(yù)計(jì)全球數(shù)字孿生市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)1684億元人民幣。

圖源：立方知造局

據(jù)了解，國(guó)內(nèi)對(duì)數(shù)字孿生的應(yīng)用更多地體現(xiàn)在智慧城市?！稊?shù)字孿生應(yīng)用白皮書》預(yù)估，數(shù)字孿生在中國(guó)多場(chǎng)景當(dāng)中的應(yīng)用預(yù)測(cè)潛力不可小覷，中國(guó)新型智慧城市規(guī)模預(yù)計(jì)2023年超1.3萬億，智慧醫(yī)療2022年將達(dá)1500億元，智慧出行2025年則有望達(dá)7000億元。

隨著全球數(shù)智化進(jìn)程的推進(jìn)，除去智慧城市，作為制造業(yè)強(qiáng)國(guó)，借助數(shù)字孿生進(jìn)行制造業(yè)轉(zhuǎn)型也將是國(guó)內(nèi)諸多廠商必經(jīng)之路。

工欲善其事，必先利其器。在這個(gè)過程當(dāng)中，Omniverse等構(gòu)建數(shù)字孿生的平臺(tái)及其Spectrum-4以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)等的升級(jí)助力將會(huì)扮演重要角色。