從分布式數據庫和 5G 無線接入網絡（ RAN ）到游戲、視頻流、高性能計算（ HPC ）和元宇宙，應用程序越來越實時和延遲敏感。納秒分辨率時間同步在許多方面增強了傳統計算，包括：
- 通過確保多個數據庫保持最新且彼此一致，幫助數據庫提高數據管理系統的準確性、效率、協作性和安全性
- 通過查看基于延遲的模式，從惡意和機器人行為中篩選真實的用戶活動，從而增強安全策略
- 實現游戲世界的“ ready player one ”或元宇宙
- 通過計算機視覺和實時分析，創造沉浸式購物體驗，幫助客戶做出明智的購買決策，減少結賬麻煩
- 自動化大型工廠和設施，通過使數字工廠孿生體模仿真實工廠，將生產線、倉庫和機械提高到新的效率，反之亦然
- 保持 5G 網絡中輸入頻帶的準確性、正確分布和及時處理
通過一系列合作， NVIDIA 、 Meta 和 Open Compute Project Time Appliance Project （ OCP-TAP ）中的其他公司為開放、可靠和可擴展的現代時間同步解決方案制定了藍圖。
開放時間同步解決方案
Meta 在其遍布全球的龐大數據中心內實現了亞微米級的精度。這是通過商品服務器上的硬件時間戳實現的，即使在 CPU 和網絡負載下，也會受到溫度變化的影響。
直到最近，以如此高的規模部署 Precision Time Protocol （ PTP ）還需要專用的硬件和軟件組件。此外，對于如何在數據中心實現精確的時間服務，還缺乏良好的藍圖。
這就是 OCP-TAP 的作用所在；具體而言， Time Cards 創新使 Meta 能夠同步 between 數據中心的時間。 PTP IEEE-1588 應用于網絡接口卡（ NIC ）和網絡設備，如 NVIDIA ConnectX ，使用網絡將數據中心的所有機器 within 同步。
可擴展到數百萬客戶端的時間服務器
Open Time Server 由 OCP-TAP 社區開源，維護數據中心的權威時間來源。
時間卡可以支持數百萬個客戶端/同步。 NIC 能夠“全速硬件時間戳”。瓶頸被推到軟件領域。
Meta 工程師重寫了 PTP 守護程序的整個主功能，采用了對可擴展性格外關注的軟件架構和設計。該堆棧現在稱為 PTP4U ，是一個可擴展的 PTP 堆棧。有關詳細信息，請訪問 GitHub 上的 facebook/time 。
開放時間服務器能夠使用 PTP4U 服務器軟件以 1 Hz 的同步頻率持續支持 100 多萬個客戶端（普通時鐘）。
商業 grandmaster clocks 支持多達數百個客戶機，而超大規模數據中心需要更多數量級。在網絡的遠程邊緣位置支持定時的需要也增加了規模。
構建一個巨大的開放時間服務器
如果你在 2021 夏天問過 PTP 專家如何擴展 PTP 解決方案，答案很可能是使用邊界時鐘（ BC ）。將業務連續性引入數據中心有兩個挑戰。
第一個挑戰是操作。雖然不特定于 Meta ，但網絡交換機上的 BC 實現需要一定的硬件和軟件支持。在現有棕地部署中引入業務連續性會帶來重大風險。交換機是整個網絡的核心元件。在所有參與的交換機上啟用 BC 將需要重新認證整個網絡。這是一個漫長、密集、昂貴且危險的過程。就當時的投資回報率而言，這是不可能的。
第二個挑戰涉及同步技術，該技術要求每個計算節點不僅知道精確的時間，還知道 uncertainty window 或準確度。有關詳細信息，請參見 Spanner, True-Time, and The CAP Theorem 。
這意味著，對于數據中心中的每個參與節點，都有一種簡單的方法來確定與主節點的時間偏移（而不僅僅是與 BC 的直接主節點）。可擴展到數百萬的時間服務器可以依賴透明時鐘（ TC ），從而完全避免 BC 。
數據中心的透明時鐘
透明時鐘對時鐘樹的總累積噪聲沒有貢獻，這僅僅是因為 TC 不是真正的時鐘，并且它們不約束任何時鐘。相反， TC 只需公布數據包的駐留時間，通常小于 1 微秒，這是一個足夠小的周期，即使是一個簡單的振蕩器也不會大幅漂移。
透明時鐘還降低了操作復雜性。它們不運行軟件守護程序，更常見的是由現有交換機支持。這使得將 PTP 引入棕地數據中心更加簡單。
最后， TC 是透明的，因此每個節點都直接由主時鐘控制。這有助于直接計算所有參與節點的不確定性窗口。
硬件的精度和準確性
即使在高速網絡中，支持 UTC 的單片硬件時鐘也是以全速對數據包進行時間戳的關鍵。 NVIDIA 在 PTP4L （ PTP 1588-2008 Linux 守護程序）中增加了對硬件時間戳的支持，使系統和應用程序能夠獲得 UTC 格式的時間。
NVIDIA 還對 PTP4L 進行了其他幾項更改，以提高其準確性；例如，增加對使用硬件參考時鐘的支持，這可以提供比基于軟件的時鐘更高的精度。
大規模測試 PTP 可靠性
為了研究 PTP 在高規模網絡上的運行情況，需要一種方法來不斷測量、測量和驗證高規模的同步精度。我們提出了一種使用 ConnectX-6 Dx 每秒脈沖?（ PPS In ）作為測量的無限可擴展測試方法。（使用 PPS Out 方法最多可使用少數設備。）
為此，我們將 ConnectX 配置為運行實時時鐘模式，并將設備從 PPS In 鏈接到 PPS Out （圖 4 ）。使用這種方法，我們描述了非常大的 PTP 樹，并證明了我們的 PTP 解決方案可以達到納秒。
總結
時間同步基礎架構藍圖可供所有人使用，并可供云提供商和運營商使用。 NVIDIA 將繼續投資于高精度時間同步，以增強所有產品線和解決方案。
旅程尚未結束。與 OpenComputeTAP 社區分享我們的工作，并與我們的合作伙伴一起為各種用例構建更多藍圖，這將是幫助此解決方案變得通用和相對容易部署的關鍵。
其他資源
查看這些相關資源以了解更多信息：
- PTP: Timing Accuracy and Precision for the Future of Computing
- How Precision Time Protocol is Being Deployed at Meta
- Open-Sourcing a More Precise Time Appliance
- NVIDIA Supercharges Precision Timing for Facebook’s Next-Generation Time Keeping
- Open Compute Time Appliance Project (TAP)
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