电子行业专题研究：聊聊交换机：和AI有什么关系？

证券研究报告 2023年7月25日 行业研究 本期内容提要: ➢A：网络协议为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。法律层面上，OSI七层协议为国际协议。20世纪80年代，为了规范化计算机之间的通信方式，从而满足开放式网络的需求，OSI（Open System Interconnection）协议被提出，其采用了一种七层网络。事实层面上，TCP/IP协议为国际协议。在OSI七层协议七层模型建立之前，TCP/IP协议簇便已开始运行，且因特网在当时已覆盖了，借因特网的助力，TCP/IP成为了事实上的国际标准。 由于HPC对于网络高吞吐、低时延的要求，在数据中心中TCP/IP逐步过渡到RDMA。RDMA(远程内存直接访问技术，RemoteDirectMemory Access)：能直接通过网络接口访问内存数据，无需操作系统内核的介入。这允许高吞吐、低延迟的网络通信，尤其适合在大规模并 行 计 算 机 集 群 中 使 用 。RDMA中 包 含 不 同 的 分 支 ， 其 中 ，Infiniband专为RDMA设计，从硬件级别保证可靠传输，技术先进，但是成本高昂。而RoCE和iWARP都是基于以太网的RDMA技术。 莫文宇电子行业首席分析师执业编号：S1500522090001联系电话：13437172818邮箱：mowenyu@cindasc.com 韩字杰联系人邮箱：hanzijie@cindasc.com ➢Q：数据中心架构中，交换机有什么用？ ➢A：交换机是一种用于电信号转发的网络设备。在数据中心中，负责将数据转发等职能。传统的数据中心往往使用三层架构，即接入层、汇聚层、核心层。接入层通常直接与服务器相连，常用的接入交换机常为TOR（Top of Rack）交换机。汇聚层是网络接入层和核心层的“中介（中间层）”。核心交换机为进出数据中心的包提供转发，并为汇聚层提供连接性。传统的三层网络有较为显著的缺点，并且随着云计算的发展，这些缺点愈发突出，比如带宽浪费、故障域大、时延较长等等。 叶脊架构优势明显，具有扁平化设计、低延迟、带宽高等特点。叶脊网络（leaf-spine）使得网络扁平化，其中叶交换机相当于传统的接入层交换机，脊交换机类似核心交换机。叶和脊交换机之间通过ECMP（Equal Cost Multi Path）动态选择多条路径。当Leaf层的接入端口和 上 行 链 路 都 没 有 瓶 颈 时 ， 这 个 架 构 就 实 现 了 无 阻 塞 （Nonblocking）。因为Fabric中的每个Leaf都会连接到每个Spine，所以，如果一个Spine出现问题，数据中心的吞吐性能只会有轻微的下降（SlightlyDegrade）。 ➢Q：英伟达交换机=IB交换机？ ➢A：不是。英伟达Spectrum和Quantum平台，同时布局了以太网和IB交换机。IB交换机主要由厂商mellanox运营，英伟达于2020年成功将其收购。此外，英伟达Spectrum平台的交换机主要基于以太网，旗下产品不断迭代，2022年发布的Spectrum-4是400G交换机产品。Spectrum和Quantum平台针对不同的应用场景。在英伟达的设想中，AI应用场景可大致分为AI云和AI工厂，在AI云中可以使用传统以太网交换机和Spectrum-X以太网，而在AI工厂中则需要使用NVLink+InfiniBand的方案。 信达证券股份有限公司CINDASECURITIESCO.,LTD北京市西城区闹市口大街9号院1号楼邮编：100031 ➢Q：英伟达SuperPOD如何理解？ A：SuperPOD是服务器集群，通过将多个计算节点相连，以提供较大的吞吐性能。以英伟达DGX A100 SuperPOD为例，1个SU对应8台叶交换机和5台脊交换机，2个SU对应16台叶交换机和10台 脊交换机，依此类推。此外，当SU数量增至6个以上时，官方推荐加入一层核心层交换机。 在DGX A100 SuperPOD中，计算网络的连接中服务器:交换机~1:1.17（以7个SU为例）；但是在DGX A100 SuperPOD中，这一比例为1：0.38。若考虑到存储器及网络管理的需求，则DGX A100SuperPOD和DGX H100 SuperPOD中服务器:交换机分别为1：1.34和1:0.50。交换机用量下降，主因两种架构的推荐配置中交换机型号差异，后者无论从端口数量及速率、性能还是价值量都有明显提升。 ➢Q：交换机市场现状？ ➢A：交换机市场短期景气较好，随着AI发展，市场需求有望进一步扩大，且呈现向高端迭代趋势。 从格局上看，交换机市场尚为蓝海，思科份额较大，Arista成长迅速。市场规模方面：2023Q1全球以太网交换机收入100.21亿美元，同比+31.5%。其中，200G/400G交换机收入同比增加41.3%，100G交换机收入同比+18.0%。端口出货数量方面：2023Q1出货2.29亿个，同 比+14.8%。 其 中 ，200G/400G、100G端 口 分 别 增 加224.2%、17.0%。 竞争格局优于服务器市场，思科一家独大，Arista成长迅速。据theNextPlatform测算，2023Q1思科占据46%的市场份额，约46.1亿美元，同比+33.7%。Arista凭借在数据中心的出色表现，2023Q1收入11.5亿美元，同比+61.6%。盈利能力方面，思科和Arista毛利率均接近60%。较优的格局铸就了产业链厂商良好的盈利能力，思科和Arista的毛利率虽然由略微下降的趋势，但总体仍保持60%左右的毛利率。展望后市，我们认为随着AI发展，交换机市场有望持续受益。 ➢投资建议：随AI服务器部署渐入放量期，为发挥算力网络性能，交换机部署需求水涨船高。建议紧跟海外算力产业链放量步调，关注A股交换机概念股，具体包括工业富联、沪电股份、生益科技等。 ➢风险因素：宏观经济下行风险；AI发展不及预期风险；地缘政治波动风险。 目录 聊聊交换机：和AI有什么关系？.....................................................................................................5Q：什么是协议？.......................................................................................................................5Q：数据中心架构中，交换机有什么用？................................................................................7Q：英伟达交换机=IB交换机？.................................................................................................9Q：英伟达SuperPOD如何理解？...........................................................................................11Q：交换机市场现状？.............................................................................................................13风险因素............................................................................................................................................15 表目录 表1：OSI七层网路模型和TCP/IP四层模型的对比.....................................................................................6表2：RDMA网络种类..............................................................................................................................................7表3：建议关注个股................................................................................................................................................15 图目录 图1：OSI七层协议....................................................................................................................................................5图2：RDMA和TCP/IP机制对比..........................................................................................................................6图3：RDMA的三种方式 ..........................................................................................................................................7图4：交换机实物图...................................................................................................................................................7图5：路由器实物图...................................................................................................................................................7图6：传统数据中心的三层架构............................................................................................................................8图7：三层架构的特点..............................................................................................................................................8图8：网路架构.......................................................................................................................................