說到雲端運算，目前紅遍全球的就是OpenStack平台軟體。2016年四月在OpenStack滿5周年的時候，OpenStack重回發源地德州奧斯汀(Austin, Taxas)舉辦高峰會。與5年前大不相同的是，第一次聚會只有75人擠在一個房間，而這次卻是高達7,500人的大型聚會分布於數個會議中心和旅館。
工研院也於去年開始搭上這班開源軟體的特快車，推出自己的OpenStack版本。除了整合自行研發的軟體定義儲存(Software Defined Storage, SDS)Disco、軟體定義網路(Software Defined Network, SDN)Peregrine和高可用性外，也觀察到雲端產業有從基礎設施層往平台和雲端服務的垂直整合發展，許多大量的平行運算如大數據分析、視訊轉碼、影像處理以及最近最夯的深度學習，都開始運用繪圖處理器(GPU)來做加速。目前正研發如何在OpenStack環境所產生的虛擬機器中提供虛擬化的GPU加速器。
GPU虛擬化 NVIDIA領先/英特爾急追
在虛擬機器中使用GPU的方法有三種，其中應用程式介面(API)轉接是由一個軟體介面將應用程式對GPU的命令轉接到後台的實體GPU上。它的好處是效能不錯也能共用GPU，但非標準化的軟體介面常與應用軟體不相容。
其次，裝置通透技術能將實體GPU直接讓指定的虛擬機器使用，它的好處是可以完全使用GPU的效能和性能，但是無法和其他虛擬機器共用。將GPU完全虛擬化，便能在虛擬機器中直接使用虛擬化的GPU，好處是效能和性能都不錯，也可以與其他虛擬機器共用，所以這是在雲端虛擬機器中使用GPU最適合也最具經濟效益的方法。
談到GPU完全虛擬化的技術，目前還是NVIDIA居於領先的地位，但它所支援的虛擬化平台以Citrix和VMware為主。在OpenStack的主要虛擬平台KVM並無GPU虛擬化的支援。英特爾(Intel)在近幾年開始在中央處理器(CPU)中嵌入GPU，利用它來取代原來外加的GPU繪圖運算卡(圖1)。
 |
| 圖1 英特爾GPU虛擬化途徑 |
在早期第四、五代的英特爾CPU中，它的GPU效能還比不上一般市售低價位的繪圖卡，但在第六代的英特爾CPU中，其GPU效能已經能取代中價位的繪圖卡。也正因無須外加繪圖卡，英特爾推出超小型電腦NUC(Next Unit of Computing)，大小與3.5吋的硬碟相近。
另外，從去年開始，英特爾開始發展KVMGT開源技術，讓英特爾的內建GPU達成完全虛擬化。可見KVMGT已漸趨成熟，並投入人力將這個技術整合入OpenStack，促使GPU Cloud能讓OpenStack支援更多樣化的雲端服務。
5G行動通訊助跑 雲端運算快速起飛
隨著4G長程演進計畫(Long Term Evolution, LTE)行動通訊的普及與智慧型裝置與平板電腦等行動裝置與應用大量推出，並於上層的應用服務上搭配Web 3.0的數位社群分享機制，成就了現今Facebook、LINE與微信(WeChat)等服務的流行。
這些應用服務的背後所代表著巨量數據的流通，需要更大的頻寬需求與穩定的傳輸品質來支撐這些應用服務。為因應此需求的擴增，主要國家已於2012年開啟5G行動通訊規畫的列車。例如日本為因應2020年夏季奧運的人潮，將搭建5G行動通訊場域，供大會與參與民眾使用。
另外，目前歐盟的行動暨無線通訊網路驅動計畫(Mobile and Wireless Communication Enablers for the Twenty-twenty Information Society, METIS)、日本的2020 and Beyond Ad Hoc(20B AH)及南韓的5G Forum等皆投入5G技術研發。除此之外，軟體定義網路與網路功能虛擬化(Network Functions Virtualization, NFV)這兩個技術正扮演著5G電信網路服務架構的主要關鍵技術。
在談及上述兩個技術之前，先簡述軟體定義資料中心(Software Defined Data Center, SDDC)。軟體定義資料中心是將所有基礎建設的資源，如CPU、記憶體(Memory)、網路(Network)與儲存資源等執行虛擬化技術，將每一個資源都形成一個很大的資源池，並透過管理機制將虛擬資源分配給資源的需求者。
軟體定義資料中心主要元素包括軟體定義網路與軟體定義儲存。其中軟體定義網路的特色即是將傳統交換器的控制功能與設備本身資料轉發功能進行分離，並將其分成控制層(Control Layer)與基礎架構層(Infrastructure Layer)。其中，控制層負責所有智能功能，而基礎架構層如同一台Dummy交換機。
另外，應用服務層(Application Layer)提供應用服務的設定，因此在應用服務層中可以讓使用者去制定路由規則，並透過控制層的軟體定義網路控制器來管理整個軟體定義網路。最後，再透過基礎架構層接收控制層所給的命令，執行所有資料轉發的工作。因此，它可以使網路的管理變得更集中，並讓使用者能夠撰寫應用程式來控制網路行為，因此軟體定義網路能讓網路的設計、部署與管理更具彈性與規模。
LTE的後端核心網路架構，是採基於網際網路通訊協定(IP)的演進數據封包核心網路(Evolved Packet Core Networks, EPC)技術，它允許營運商可以在單一共同以封包為基底的核心網路進行建置與運作各種不同的存取網路，例如第三代合作夥伴計畫(3GPP)無線存取網路、non-3GPP無線存取網路以及固接存取，以增加系統相容性和覆蓋率，並提升使用者傳輸速率及減少延遲，但也因為此特性容易導致資料傳送必須經過相當繁雜的程序，降低網路的彈性，而無法建立可以滿足各類需求的行動網路。
而網路功能虛擬化可將EPC網路功能，從電信設備中抽離，以軟體方式在x86的伺服器上執行，並利用軟體定義網路技術來集中控管網路資源。如此，行動網路的營運商可以布建符合使用者需求的傳輸網路服務。上述的虛擬化技術稱之為電信核心網路虛擬化(virtualized Evolved Packet Core, vEPC)。
在5G行動通訊的架構上，參考賽靈思(Xilinx)繪製的5G網路架構(圖2)，在此架構中，除上述軟體定義網路與網路功能虛擬化兩大機制外，增加了三個服務，包括Cloud Core(vEPC)、Cloud Radio Access Network (Cloud RAN, C-RAN)，以及在邊緣網路環境所形成的Mobile Edge Computing(MEC)。
 |
| 圖2 賽靈思於Toward 5G Xilinux Solutions and Enablers for Next-Generation Wireless Systems白皮書中所繪製出的5G網路架構 |
虛擬化統整硬體資源 軟體管理分配虛擬資源
由於現今伺服器具有多核心處理能力，使得上述架構在雲端運算環境實現的可能性提升。因此，可將所有硬體設施集合，藉由雲端運算形成一個大的共享資源池概念，並透過於管理系統有效地進行資源分配與管理承載雲應用服務的虛擬機(Virtual Machine)或容器(Container)的狀態，然後藉由自動擴展機制(Auto scaling out and auto scaling in)、平衡負載與Orchestration等機制的結合，讓承載器與上述應用架構產生更佳的結合。
於圖2中C-RAN透過雲管理系統所呈現出來的，即是透過集中式的資源池管理、無線設施的協同合作與即時的雲端運算能力，使得C-RAN能表現出具感知的軟體定義無線電(Software Defined Radio, SDR)技術能力。而所謂的MEC，就是在行動網路的邊緣區域提供內容與服務供應商具雲端計算的能力。此方式的優點在於有效地使用無線電與網路的資源，並可依據使用情境做快速且彈性的資源部署，以滿足終端用戶的需求。
(本文作者張裕杰為工研院資通所資料中心系統軟體組副組長；黃俊傑為工研院資通所資料中心系統軟體組組資深工程師)