文/VR陀螺 小鑽風

元宇宙最扎實的落地，還數工業。之所以這么說，其重要原因在於工業元宇宙的形態多爲當前可大規模落地的數字孿生。近幾年，新一代智能制造對數字孿生的應用加快步伐 ，其背後的構建平台如NVIDIA Omniverse也在快速升級。

被冠以“工業元宇宙”之稱的Omniverse除了客戶的不斷增多，本身功能的不斷迭代之外，支持其更好運作的以太網網絡平台也更新至Spectrum-4，這意味着Omniverse與其數字孿生的構建工作將獲得更好的支持。

“虛擬世界對下一代人工智能至關重要”

英偉達網絡技術專家崔巖在講解Spectrum-4以太網網絡平台前，先闡述了虛擬世界對下一代人工智能的重要性，同時也道出了英偉達對虛擬世界的重視，以及Omniverse的誕生原因。

“英偉達在虛擬世界中佔有特定位置，虛擬世界對下一代人工智能起着至關重要的作用。”

圖源：英偉達

崔巖表示，英偉達從創建之初便致力於虛擬世界的模擬，包括遊戲與計算機圖形方面的技術。多年以來，隨着互聯的虛擬世界持續推動下一代人工智能工作負載的持續發展，英偉達從工業和工程的角度來重新審視虛擬世界，從而構建了Omniverse，創建和模擬與現實世界無法區分的虛擬世界平台。

這一系列舉措爲實現數字孿生模型鋪平了道路，並廣泛應用於機器人仿真、數據科學建模、5G應用、自動駕駛汽車、智能工廠和氣候研究等等新的應用領域。

我們從英偉達近幾屆的GTC大會的主題演講環節也可知其一二，除去新發布的軟、硬件內容，非常多的展示均圍繞AI以及各種數字孿生應用案例，包括“常客”寶馬的數字孿生工廠，自動駕駛汽車等等。

這些數字孿生，包含了小到細胞級微觀生物場景模擬，大到工廠的復制，自然氣象的模擬，甚至是完整地球的復刻，豐富龐雜的同時對精細度、精准度要求非常之高，與此同時還要做到實時且符合現實世界的物理規律，其難度可見一斑。

現在5G與雲計算時代的到來加速了這一實現過程，同時，也讓Omniverse等能對數據孿生進行構建的平台不斷升級，以應對如迅速增長的數據中心等諸多挑战。

鑑於此，英偉達也於今年3月進行了新的Spectrum -4以太網網絡平台、專爲運行Omniverse中復雜數字孿生模型而設計的OVX計算系統等重要更新、發布。

Omniverse計算系統的骨幹網絡，英偉達新一代網絡平台Spectrum-4

“真正的數字孿生實際上是一個實物世界的現實翻版，從更大規模的角度看，數字孿生是和物理世界相連的一個虛擬世界”。崔巖表示，真正的數字孿生必須滿足四大特徵：

• 物理的准確性和真實性，必須遵循物理的定律；

• 不間斷的與物理世界進行同步，基本上實現即見即所得的同步體驗；

• 精准的時間運行，在多個計算節點上實現同步；

• 包括多個自治系統，多種的自治系統來支撐數字孿生技術。

據崔巖介紹，要構建類似寶馬未來工廠較完美的數字孿生應用場景，數字孿生需要利用英偉達加速計算的全部力量，因此英偉達於今年的GTC春季大會發布了專爲運行Omniverse中復雜數字孿生模型而設計的OVX計算系統。

圖源：英偉達

OVX計算系統能更好地保持數據上的准確性，遵循物理的定律，讓數據中心具備可擴展性、低延時和精准時間的特點，來滿足前面講數字孿生的四大特徵，也包括去支撐Omniverse數字孿生平台，能夠更好的爲客戶提供一個數字孿生的基礎設施。

第一代OVX服務器由8顆NVIDIA A40 RTX GPU和3塊 ConnectX-6 Dx 200Gbps網卡組成，且包含兩顆至強CPU、1TB系統內存和16TB NVMe存儲。這使得NVIDIA OVX的SuperPOD能夠在工廠、城市、世界範圍構建實時性能的數字孿生系統。

而爲了更好地支撐數據中心規模的應用，英偉達提供了OVX POD與OVX SuperPOD，並引入NVIDIA Spectrum-3交換機，提供200Gbps網絡架構，可以將32台OVX服務器與高速網絡和高速存儲進行連接，提供低延時和精准定時，以同步物理世界和虛擬世界，滿足大規模行業數字孿生的實時仿真需求。

升級後的新一代Spectrum-4則能夠在整個在OVX SuperPOD或多個SuperPOD組成的數字孿生計算系統架構上，提供一個更精准的、實時性更高的數字孿生基礎設施。Spectrum-4網絡平台會在雲或邊緣數字中心更全面、更好的支持Omniverse數字孿生，成爲Omniverse計算系統的骨幹網絡。

據介紹，Spectrum-4網絡平台是一個400Gbps端到端的以太網網絡平台，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以太網交換機，用以加速雲網絡架構；領先的網絡適配器ConnectX-7智能網卡，以及可以編程的數據中心基礎設施BlueField-3 DPU。

圖源：英偉達

硬件之上則還有NVIDIA Cumulus Linux或SONIC網絡操作系統、以及DOCA軟件框架。這一系列軟、硬件共同構成了Spectrum-4網絡平台。

Spectrum-4網絡平台作爲一個完整的體系以400Gbps Spectrum-4以太網交換機爲核心。

從參數提升角度來看，Spectrum-4交換機可以提供51.2Tpbs交換帶寬，12.8Tbps线速加密，在整個網絡數據傳遞過程中數據始終保持加密狀態，並能以極高的網絡傳輸速度進行傳輸。其包轉發速率則可達37.6Bpps。

Spectrum-4以太網交換機採用了先進的交換ASIC芯片，集成有千億晶體管，由台積電4N制程做芯片，在性能與功耗上都得到非常好的優化。此外，它還提供最高128個400Gbps端口。

圖源：英偉達

與上一代Spectrum交換機產品相比，網絡帶寬有4倍提升，安全加密性能也會提升3倍，網絡性能與安全性均大大加強。

除去Spectrum交換機，崔巖還重點介紹了Spectrum-4另外兩個重要組件：NVIDIA ConnectX-7智能網卡與NVIDIA BlueeField-3 DPU：

ConnectX-7智能網卡，是從10Gbps到400Gbps多種速率的以太網網卡，可以爲雲、電信應用、人工智能、企業工作負載來提供數據中心規模的硬件加速，可以加速網絡、存儲、安全和管理服務。

BlueField-3 DPU，則是在Spectrum-4 端到端以太網網絡平台中非常重要的組成部分，是第三代片上數據中心基礎設施，可以支持客戶從雲端到核心數據中心，再到邊緣構建軟件定義、硬件加速IT基礎設施。

據介紹，“BlueField-3 DPU是業內首款400Gbps DPU，與上一代產品比較帶寬增加了2倍，ARM CPU核的算力提升4倍，IPsec加密性能提升4倍，存儲讀寫性能提升2倍。所以是一套很完善的片上數據中心基礎設施，集成了最新的ConnectX-7智能網卡和一個16核的ARM A78內核CPU。”

“同時，在這顆芯片裏還集成DDR5內存控制器和第五代PCIe交換機，有L2到L4網絡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於網絡、存儲、安全服務、機器學習、人工智能工作負載的硬件加速。有了DPU之後，更多是體現在硬件加速上，可以用一些硬件加速引擎來支撐一些數據中心基礎設施的功能，因此，在性能上會有大幅度的提升，同時，能夠釋放主機CPU原來在基礎設施方面的算力損耗。”

從軟件層面看，據崔巖介紹，英偉達在收購Mellanox與CUMULUS Networks之後，組成了英偉達網絡的新平台，從底層芯片到底層系統、到網絡操作系統、再到協議均有創新，並基於此爲用戶提供網絡服務，使英偉達能夠提供开放的標准，賦能用戶快速構建开源網絡應用程序和協議。

此外，相當於網絡數字孿生的NVIDIA Air，可以在沒有設備、沒有搭建具體網絡的情況下，通過NVIDIA Air輔助網絡管理員做一個孿生網絡，簡化整個網絡部署，也可以給交換機部署節省95%時間。

崔巖在講到三個最重要的交換機特性時提到了：自適應路由、一流的加密功能，以及高效網絡大規模加速Omniverse。

圖源：英偉達

據介紹，Spectrum-4以太網網絡平台支持Omniverse數據孿生，讓其在應用數量、管理上都會有較大的提升。Spectrum-4作爲高密度端口的交換機，性能非常強，對傳統的圖左側的葉脊架構的網絡有替代作用，用一台Spectrum-4實現了相當於過去12台交換機的網絡可簡化128節點的 OVX SuperPOD網絡連接。

這樣一個部署架構，對於網絡運維人員來講，從整個機櫃空間到管理節點數都會有大幅度的改善，還會帶來10倍節能。由於其本身變成1台交換機，所有的性能都在ASIC芯片內做數據交換處理，以支持更大更多數據的服務，其延時性能也會有更大的提升。

最後，崔巖在回答Spectrum-4哪些功能將使其更好地成爲Omniverse計算的骨幹網絡時表示：

“從Spectrum-4網絡平台的架構特性來看，Spectrum-4以太網交換機是業內比較領先的交換機平台，有51.2Gbps交換帶寬，12.8Tbps线速加密，37.6Bpps的包轉化速率，這幾個指標目前在以太網交換機裏都是屈指可數的產品交換平台，此外，還有前面介紹的自適應路由、數據中心間加密功能，能夠更好的滿足客戶在Omniverse計算上面的一些需求，能夠提升相應的性能。”

“另外一塊是Spectrum-4網絡平台，能夠去跟NVIDIA DGX、HGX、OVX這些計算系統做連接跟整合，給客戶提供一整套數據中心的基礎設施，來提供高吞吐量、高端口密度、高交換速率、高安全性开放的骨幹網絡，讓客戶在這些人工智能或者數字孿生應用上有更好的網絡平台。”

當前，Spectrum-4以太網網絡平台的目標客戶爲：大規模雲計算客戶、有人工智能應用部署的企業客戶，以及對模擬仿真、數字孿生有需求的這三類客戶，在這些客戶手中，Spectrum-4以太網網絡平台會發揮巨大作用。

市場規模未來或破千億，數字孿生加速向多領域滲透

從NVIDIA Omniverse合作案例來看，當前合作的衆多前沿企業客戶，如亞馬遜、寶馬、愛立信、WPP、Hogarth等等都在利用Omniverse構建數字孿生應用場景。

而往正處數智化轉型的國內看，應用案例也並不少。比如一汽紅旗車間的數字孿生生產线，從更宏觀的流水线狀況到細致入微的擰螺絲力度都被復刻記錄。

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字孿生模擬現場工序；上海浦東花木街道借助數字孿生快速響應防疫抗疫......類似案例已俯拾皆是。

據覓國咨詢數據，到2025年，預計全球數字孿生市場規模將達1684億元人民幣。

圖源：立方知造局

據了解，國內對數字孿生的應用更多地體現在智慧城市。《數字孿生應用白皮書》預估，數字孿生在中國多場景當中的應用預測潛力不可小覷，中國新型智慧城市規模預計2023年超1.3萬億，智慧醫療2022年將達1500億元，智慧出行2025年則有望達7000億元。

隨着全球數智化進程的推進，除去智慧城市，作爲制造業強國，借助數字孿生進行制造業轉型也將是國內諸多廠商必經之路。

工欲善其事，必先利其器。在這個過程當中，Omniverse等構建數字孿生的平台及其Spectrum-4以太網網絡平台等的升級助力將會扮演重要角色。

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