从端到云基于飞腾平台的全栈解决方案白皮书 暨飞腾生态图谱v2.0.ppt
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1、从端到云基于飞腾平台的全栈解决方案白皮书暨 飞 腾 生 态 图 谱V2.0序随着万物互联时代的到来和我国新基建事业的加速展开,各行各业都面临着信息系统换代升级乃至数字化转型发展,都需要提供强劲、安全、绿色和开放的算力支撑。在这个重要历史时期,天津飞腾信息技术有限公司推出从端到云-基于飞腾平台的全栈解决方案白皮书暨飞腾生态图谱 2.0(以下简称“从端到云白皮书”),阐述了飞腾平台解决方案和成功案例,这无疑将给行业新基建的发展提供新的动能,对行业信息化转型升级提供重要的路径选择和技术支撑。“从端到云白皮书”为 2019 年版的升级版本,重点介绍了飞腾通用终端和服务器芯片产品及规划路线图,进一步丰富
2、了解决方案的内涵和外延。除了夯实传统云计算和边缘计算领域解决方案之外,还增加了对于 5G、AI、安全可信领域的规划设计和解决方案,系统全面介绍了飞腾在政府、金融、电信、电力、轨交、智慧园区等行业领域的成功案例,并通过生态图谱,展现了健康而强大的飞腾生态。通过该白皮书的发布,让我们看到了以飞腾为代表的绿色计算产业联盟核心成员,在推动绿色计算生态体系构建方面的开放和包容,团结和协作;看到了他们为推进国家新基建进程所做出的不懈努力和取得的巨大进步。作为绿色计算产业联盟理事长,我亦深感欣慰,遂欣然作序。祝贺飞腾!祝绿色计算产业生态与日繁荣!梅宏中国科学院院士绿色计算产业联盟理事长中国计算机学会理事长2
3、020 年仲秋目 录1.背景和目的 012.飞腾产品线 033.终端设备对芯片需求 053.1.更高性能、更低功耗、更好体验 053.2.融合移动生态 063.3.更高安全可信机制 074.云及边缘计算对芯片需求 084.1.云计算对芯片的需求 084.1.1.高性能、强单位功耗算力 084.1.2.多核支持能力 094.1.3.硬件辅助虚拟化支持能力 094.1.4.容器化能力 104.1.5.活跃的体系架构生态 114.2.边缘计算对芯片的需求 125.终端全栈解决方案 135.1.全栈架构 135.1.1.硬件层 135.1.2.固件、操作系统及外设 145.1.3.应用层 145.2.
4、终端产品生态图谱 146.云及边缘计算全栈解决方案 226.1.全栈架构 226.1.1.基础设施层 236.1.2.IaaS 层 256.1.3.PaaS 层 266.1.4.SaaS 层 286.2.云及边缘计算生态图谱 287.5G 解决方案 357.1.总体技术架构 357.2.接入网解决方案 367.3.核心网解决方案 377.4.MEC 移动边缘计算解决方案 387.5.安全解决方案 398.AI 解决方案 418.1.AI 服务器 418.2.AI 云 438.3.AI 边缘盒子 438.4.AI 端边云联动 449.安全可信解决方案 459.1.终端全栈架构 459.1.1.T
5、PCM 方案 459.1.2.TPM2.0 方案 479.2.可信云全栈架构 4810.集成模式和建议 5010.1.架构选型 5010.2.云化技术路线选型 5010.3.系统建设5010.4.程序移植和优化 5110.5.5G 系统建设思路 5310.6.AI 平台建设思路 5411.典型案例及应用场景解析 5511.1.政务办公案例 5511.2.金融行业案例 5611.2.1.金融行业办公信息化案例 5611.2.2.金融行业业务系统案例 5711.2.3.金融行业中的 AI 应用案例 5711.2.4.金融机具案例 5811.3.大型集团案例 5911.4.轨道交通行业案例 6011
6、.5.专用数据中心案例 6211.6.电信行业应用场景 6211.7.电力行业应用场景 6311.7.1.电力电网中的 5G 应用 6411.7.2.电力行业的 AI 应用 6411.7.3.电力行业的安全可信应用 6611.8.智慧园区应用场景 6811.8.1.园区安防中的 AI 应用 6811.8.2.工业园区中的 5G 应用 7012.飞腾的愿景和准备 71致谢 73附录缩略语 741、背景和目的2020 年,我国为适应经济社会发展和国际形势新的变化,正式推出了新型基础设施建设行动,包括 5G 基建、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网
7、七大领域。虽然这些领域的建设工作涉及诸多不同的产业链,但需要有强劲、安全、绿色和开放的算力提供支撑是共同的诉求。随着新基建的逐步推进,万物互联时代将真正来临,在终端设备方面,无论是单独部署的个人桌面电脑、笔记本电脑、接入云平台的瘦客户端,还是其他通过有线和无线接入的多样化设备,用户都期待终端设备具有更高的性能、更好的用户体验和更广泛的接入能力。同时,随着云计算技术的发展,政府、金融、电信、教育等各行业都在进行信息化持续转型,已经开始从传统信息系统“烟囱式”的建设方式,向云计算环境进行迁移。云计算的核心是利用以虚拟化为代表的技术,对计算、存储、网络等资源提供细粒度优化配置管理和弹性扩展能力,从而
8、提高信息基础设施的利用率,降低系统的 TCO(Total Cost of Ownership,总拥有成本)。与此同时,容器、大数据、5G、人工智能和安全可信等新技术迅速发展和融合又进一步把云计算推向新的时代。容器技术的出现不仅提供了另一种虚拟化的方式,也使微服务软件架构设计模式更容易实现,从而使应用程序可以持续集成、众创开发、快速迭代和灰度部署;大数据技术利用云计算平台的分布式处理和弹性扩展特性,可以对信息系统获取的数据进行离线和在线的高效清洗和处理;5G 将为网络信息体系提供海量的终端接入能力、超低的网络延时和超高的网络速率,从而使万物互联、海量数据传输、端边云高效协同成为可能;人工智能技术
9、如机器学习、深度学习则可以充分挖掘这些结构化、非结构化数据011 背景和目的的潜在价值,支撑用户决策分析,帮助用户获取更高收益。安全可信技术则与 CPU 层面上可信计算标准相结合,实现了计算机系统自底向上的本质安全,可有效防范信息系统建设过程中的安全漏洞,从而夯实新基建安全基础,为基础设施建设保驾护航。从端到云,各种设备、软件及其部署模式,构成了一个庞大的“生态系统”。飞腾作为底层的芯片供应商,为终端、服务器、网络、存储和安全等各类设备提供核心算力支撑,目前,飞腾已联合千余家国内软硬件厂商,支撑了 900 余款飞腾平台设备上市,已经和正在适配的软件和外设超过 2400 种,兼容百万级移动 AP
10、P 应用,构建起了国内最完善、最庞大的从端到云的信息化建设全栈生态体系。与此同时,飞腾也在一直思考什么样的芯片和生态才能满足用户对于终端多样化的需求,什么样的芯片和生态才能满足云计算和大数据时代各行业的需求。飞腾希望站在用户的角度,希望从传统意义上的芯片设计厂商,逐步转变为可为行业客户提供系统级解决方案并且可以高度信赖的新基建信息化建设咨询“专家”。本白皮书正是从信息系统整体规划与建设角度出发,为集成商和最终用户梳理飞腾生态图谱,并面向各行业需求提供一套从端到云的全栈解决方案,给出集成模式和建议,提供已被验证的、有说服力的实际案例,去分析目前技术架构收敛趋势,协助国家新基建进程中,各行业信息化
11、建设逐步向国产自主创新,以及更先进、更安全、更可靠的部署模式转变。022、飞腾产品线飞腾 CPU 研发团队通过 20 余年技术积累,已形成完善的研发体系和产品线,一直有力地服务于国家各行业信息化工程。目前的产品主要包括高性能服务器 CPU、高效能桌面 CPU 和高端嵌入式CPU 三大系列,为从端到云的各型设备提供核心算力支撑。2020 年以来,飞腾对高性能服务器 CPU、高效能桌面 CPU、高端嵌入式 CPU 三条产品线进行了全面的品牌升级,凝聚核心价值、打造全新体验。高性能服务器 CPU 产品线将统一以飞腾腾云 S 系列进行命名,腾云驾数,乘风破浪,为服务器和数据中心应用提供强算力、高并发的
12、计算能力。高效能桌面 CPU 产品线将统一以飞腾腾锐 D 系列进行命名,腾锐披坚,追风逐电,打造高性能、高安全的单用户极致体验。高端嵌入式 CPU 产品线将统一以飞腾腾珑 E 系列进行命名,腾珑灵动,烈风迅雷,提供定制化的、契合各行各业嵌入式应用的解决方案。飞腾将继续坚持核心技术自主创新,腾云、腾锐、腾珑并驾齐驱,三线齐飞。图 1 飞腾产品路线图032 飞腾产品线飞腾高性能服务器 CPU 最新产品是 2020 年量产的腾云 S2500,集成 64 个飞腾自研 FTC-663 核,主频 2.0-2.2GHz,单芯片典型功耗 150W,支持 2-8 路直连,依托该芯片,可以形成 128 核-512
13、 核的计算机系统,在大规模集群计算、高性能数据中心等应用场景下表现优异,性能与 Intel Xeon Gold5118 系列芯片相当。此外,2017 年量产的 FT-2000+/64,集成 64 个飞腾自研 FTC-662 核,主频2.0-2.3GHz,典型功耗 100W,峰值性能 588.8Gflops,可以胜任科学计算、云数据中心应用,性能与 Intel Xeon E5-2695V3 系列芯片相当。2014 年量产的 FT-1500A/16,集成 16 个飞腾自研 FTC-660 核,主频 1.5GHz,典型功耗 35W,应用于办公业务系统服务器、云计算中低端服务器,能够胜任事务处理、WE
14、B 服务、数据中心存储等业务,性能与 Intel Xeon E3 系列芯片相当。飞腾高效能桌面 CPU 最新产品是 2019 年量产的 FT-2000/4,集成 4 个飞腾自研 FTC-663 核,主频 2.6-3.0GHz,提供了丰富的接口和安全机制,支持待机和休眠,典型功耗仅 10W,且可以通过“减核”、“降频”等方式应用于嵌入式系统,整体性能与 Intel Core i5 系列芯片相当。2014 年量产的FT-1500A/4,集成 4 个飞腾自研 FTC-660 核,主频 1.5-2.0GHz,典型功耗 15W,主要应用于办公业务系统桌面终端,可以胜任日常办公、图形图像处理、音视频处理等
15、业务,性能和体验与 Intel Corei3 系列芯片相当。飞腾高端嵌入式 CPU 产品是 FT-2000A/2,集成 2 个飞腾自研 FTC-661 核,主频 1.0GHz,典型功耗 3W,主要应用于嵌入式工业控制领域,也可用于瘦客户机等设备。性能显著优于 PowerPC 8640等国际主流嵌入式 CPU。在未来的产品规划方面,腾云、腾锐、腾珑三个系列的产品线都有相应的布局。腾云 S 系列有两款核心产品,腾云 S5000 和腾云 S6000。腾锐 D 系列有两款核心产品,腾锐 D2000 和腾锐 D3000。腾珑 E 系列也有两款核心产品,腾珑 E2000 和腾珑 E3000。在这一次新基建
16、大潮中,飞腾将坚持“算力为王、自主创新、安全可信”,以更开放的心态与合作伙伴联合推进国产 CPU 的技术和产品演进,以更开放的心态赋能生态伙伴,共同拥抱新基建红利,共同启动经济发展的新引擎,共赢未来。043、终端设备对芯片需求3.1 更高性能、更低功耗、更好体验在终端方面,芯片的性能直接决定了应用程序的运行效率,芯片的功耗直接决定了终端产品形态。例如笔记本是否可以做到无风扇和超薄设计,而芯片是否支持动态功耗管理使得笔记本可待机和休眠,则决定终端是否可以拥有更长的待机时间,这都直接影响着用户的体验。近年来,随着飞腾加大对研发的投入,飞腾芯片在性能上逐步提升,飞腾高效能桌面主打产品FT-2000/
17、4 较上一代 FT-1500A/4 在计算性能提升了 1 倍,而功耗方面降低 33%。FT-2000/4 支持ACPI(Advanced Configuration and Power Management Interface,高级配置和电源管理接口),众多厂商正开展基于 FT-2000/4 设计开发无风扇超薄笔记本、一体机、加固机等各类型终端和板卡。需说明的是,FT-2000/4 还可以通过“降频”、“减核”等方式,在能源、交通、化工、金融等关键行业实现嵌入式低功耗终端应用。图 2 FT-1500A/4 与 FT-2000/4 性能对比053 终端设备对芯片需求图 3 飞腾终端设备形态目前,
18、飞腾正与国内外数百家软硬件厂商联合打造基于飞腾平台生态,目前已涵盖笔记本、台式机、一体机、瘦客户机、移动平板、电子白板等终端形态。应用场景已从传统的电子政务办公,不断向性能要求更高的金融、教育、娱乐甚至电子竞技等场景进行拓展,对办公软件、安全软件、浏览器、多媒体、通讯软件、游戏软件、行业应用软件、插件、外设的要求越来越高,这些变化趋势,对芯片应用级性能及其生态建设提出了更高要求。性能上,用户不仅要求飞腾芯片本身算力强大,对应用级 2D 图形、3D 图形、系统综合性能要求也越来越高。第三方数据分析显示,飞腾上一代桌面芯片 FT-1500A/4 一直在应用级测试中领先同期同类型桌面芯片,在系统综合
19、性能(Unixbench)测试中表现优秀。而主打产品 FT-2000/4 的计算和应用性能又比上一代成倍提升,带来了超越以往的用户体验。3.2 融合移动生态全球信息技术发展已从桌面互联网时代进入了移动互联网时代,并正在向万物互联时代演进。在这个时代背景下,传统桌面终端市场逐渐饱和,适应移动场景成为大势所趋。因此芯片生态是否能拥抱移动互联网趋势将成为未来能否赢得用户和市场的关键。飞腾终端在满足传统办公和业务应用的前提下,与生态伙伴进行合作,对传统 Linux 操作系统生态进行扩展,打通了 Linux 与移动操作系统的应用交互运行能力,使得数百万级安卓应用能够运行于基于飞腾芯片的 Linux 终端
20、设备上,极大扩展了飞腾的软硬件生态。用户可以像使用手机一样使用个人电脑,用户体验得到极大提升。该技术支撑了2018 年、2019 年两届“国际女子电子竞技锦标赛”,证明了飞腾芯片在严苛用户体验要求下的性能,也加速了飞腾芯片支持更多行业与领域的进程。063 终端设备对芯片需求图 4 飞腾对移动生态支持情况3.3 更高安全可信机制飞腾内置可信技术将我国自主创新的可信计算 3.0(一种主动免疫的可信计算标准)与飞腾 CPU多核架构相结合,可将部分通用计算 CPU 核设置为物理隔离的可信计算核,并在芯片内置可信根,对计算机实施全方位的主动可信验证,保障完成计算任务和逻辑不被篡改或破坏,构建主动免疫的双
21、体系运行架构,相当于为飞腾计算机植入“免疫和反腐败系统”,实现了 CPU 内置式主动防御机制,能够识别和抵御病毒、木马以及利用漏洞所进行的攻击活动。具体地说,飞腾 CPU 具有可信密码模块,支持国密算法的硬件加速;CPU 内设计有物理隔离的可信资源,计算环境不可访问可信环境;系统启动时,通过 CPU 内置的可信机制,逐级校验启动过程,确保了各个模块安全可信;系统运行过程中,通过可信计算双体系架构,对计算环境应用的运行实施动态度量,对系统安全进行实时监控。计算环境应用可信环境动态校 度验 量应用可信软件基TSB可信验证参数获取主机 OS 连接可信管理平台静 可信平台控制模块TPCM启动校验态信任
22、链可信软件基代理飞腾基本固件PBF图 5 飞腾终端可信机制示意图074、云及边缘计算对芯片需求4.1 云计算对芯片的需求4.1.1 高性能、强单位功耗算力随着各行业信息系统建设模式逐步向云环境迁移,信息系统重心由传统办公向核心业务迁移,对云端服务器、存储、网络、安全等设备的性能提出了更高要求。在计算性能上,FT-2000+/64 较上一代 FT-1500A/16 计算性能提升 5.5 倍,而 S2500 进一步提升了云端算力水平,可以充分满足各行业核心应用对性能的更高需求。相比于目前广泛应用于各行业的 FT-2000+/64 单路服务器产品,基于腾云S2500 的多路服务器可以实现 2 至 6
23、 倍的算力提升,双路服务器 SPEC2006 整型分值超过 1000 分,四路服务器分值超过 1800 分,八路服务器分值则更高;此外,根据各行业对服务器性能、接口和配套外围器件的多样化要求,可以构建双路 2U,四路 2U,四路 4U,八路 6U 的服务器产品,为行业新基建提供了更高算力、更高密度、更多配置、更低成本的多样化解决方案。SPECInt100+1800+1000+540+FT-1500A/16 FT-2000+/64 S2500(双路)S2500(四路)S2500(八路)图 6 FT-1500A/16、FT-2000+/64 及 S2500 SPECInt 性能对比与此同时,芯片单
24、位功耗算力要求不断提升。飞腾主流服务器芯片 FT-2000+/64 较上一代 FT-1500A/16 单位功耗算力提升近 2 倍,是更加高效更加绿色的芯片,新一代产品腾云 S2500 通过多路互联,084 云及边缘计算对芯片需求将进一步提升能效比。随着芯片性能的持续提升,服务器产品形态也不断扩展。不仅有基于飞腾平台的均衡型服务器,还有支持 PB 级存储扩展的存储服务器、超高密度计算型服务器、支持多种加速卡的 AI 服务器、集成动环监控的机柜级数据中心和便于快速部署的模块化数据中心等等。图 7 服务器产品形态4.1.2 多核支持能力在行业应用中,办公的桌面虚拟化需求、云手机及云游戏需求,都需要芯
25、片更好支持硬件辅助虚拟化和容器虚拟化,并且 CPU 应提供尽可能多的物理处理器核。对于 KVM 虚拟化来说,一个虚拟机至少分配 1 2 个物理处理器核,那么在一个计算节点上要支持多虚拟机并行运行,实现高虚拟机密度,CPU 必须要有较多的物理处理器核。对于容器虚拟化,可以将处理器核和单个容器绑定,因此多核结构可以支持更多容器的并行高效运行。4.1.3 硬件辅助虚拟化支持能力虚拟化技术是云计算技术的基础,在虚拟化环境中,多个 VM(Virtual Machine,虚拟机)运行在同一台服务器上,因此可以更加高效地共享资源,降低成本。虚拟化技术可分为半虚拟化和全虚拟化技术。在半虚拟化技术中,需要修改
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