Di tutte le tecnologie presenti nei data center, nessuna si evolve più rapidamente della connettività di rete. Vent'anni fa, la rete 20GbE era considerata esotica e l'infrastruttura necessaria per supportarla (ad esempio schede NIC, switch e cavi) era costosa e rara. Tre anni fa, le reti 1GbE erano all'avanguardia, ma ora le reti 10, 20 e persino 40GbE sono diventate standard nei data center. Non solo la rete è diventata più ampia, ma è diventata anche più sofisticata con l'aggiunta di elementi come la virtualizzazione, il networking definito dal software (SDN), le reti overlay e altre tecnologie che non erano nemmeno state previste dieci anni fa ma che ora sono comuni e stanno mettendo a dura prova le risorse nei server dei data center.
Di tutte le tecnologie presenti nei data center, nessuna si evolve più rapidamente della connettività di rete. Vent'anni fa, la rete 20GbE era considerata esotica e l'infrastruttura necessaria per supportarla (ad esempio schede NIC, switch e cavi) era costosa e rara. Tre anni fa, le reti 1GbE erano all'avanguardia, ma ora le reti 10, 20 e persino 40GbE sono diventate standard nei data center. Non solo la rete è diventata più ampia, ma è diventata anche più sofisticata con l'aggiunta di elementi come la virtualizzazione, il networking definito dal software (SDN), le reti overlay e altre tecnologie che non erano nemmeno state previste dieci anni fa ma che ora sono comuni e stanno mettendo a dura prova le risorse nei server dei data center.
**Ulteriori informazioni sugli SmartNIC e sul data center componibile all'indirizzo Adattamento Xilinx***
Quando si ha a che fare con reti superiori a 10 GbE, iniziamo a vedere colli di bottiglia della CPU nei server poiché i pacchetti di rete vengono passati alla CPU per l'elaborazione. Con le reti 25GbE, una percentuale misurabile del tempo della CPU viene impiegata nell’elaborazione dei pacchetti di rete. Per risolvere questo problema, abbiamo sviluppato tecniche per trasferire alcune funzioni di rete dalla CPU al controller dell'interfaccia di rete (NIC). Chiamiamo i dispositivi in grado di gestire questo scarico SmartNIC.
In questo articolo spiegheremo cos'è uno SmartNIC, il valore che apportano al data center e perché dovresti iniziare a studiarli e a investire in essi. Infine, esamineremo uno SmartNIC particolarmente innovativo, lo Xilinx SN1000.
Cos'è uno SmartNIC?
Lo scaricamento delle operazioni di rete dalla CPU a una scheda NIC è stato l'obiettivo dei principali fornitori di servizi cloud poiché spingono sempre per l'efficienza nel data center. Non esiste una regola ferrea su ciò che è necessario per etichettare una scheda NIC come SEMPLICE; tuttavia, come minimo, dovrebbero essere in grado di gestire alcune delle funzioni del piano di controllo presenti negli switch virtuali e alcune delle capacità presenti nelle funzioni di virtualizzazione delle funzioni di rete (NFV), come firewall, rilevamento e prevenzione delle intrusioni, ispezione dell'host e crittografia, nonché attività sul piano dati, come la qualità del servizio (QoS) della rete e il reporting e il monitoraggio del flusso.
Che cosa sta guidando l'adozione degli SmartNIC?
I cloud pubblici e gli hyperscaler hanno guidato l’innovazione dei data center negli ultimi dieci anni e continueranno a farlo nel prossimo futuro. La tecnologia che utilizzano alla fine si sposta verso i data center aziendali e lo stesso vale per gli SmartNIC. Col senno di poi, gli SmartNIC hanno semplicemente riposto le funzioni di rete dove avrebbero dovuto essere in primo luogo: sulla scheda NIC invece di sprecare la larghezza di banda della CPU e della scheda madre.
È facile immaginare quanto traffico di rete venga scartato o bloccato sulla rete senza aggiungere alcun valore al sistema/CPU che sono costretti a gestirli, semplicemente perché NFV e altre funzioni sono implementate utilizzando la CPU di un server tradizionale piuttosto che a livello NIC. Ogni ciclo della CPU che può essere scaricato dalla CPU la libera e consente al server di svolgere un lavoro produttivo.
Per illustrare come uno SmartNIC possa essere utile, possiamo prendere qualcosa di semplice come un attacco DDoS (Distributed Denial of Service). Sebbene un DDoS sia raro in un data center moderno, avere un accordo SmartNIC con un DDoS consentirebbe alla CPU del sistema di continuare con un lavoro produttivo anziché ordinare, classificare e scartare i pacchetti. Un esempio più moderno potrebbe essere quello di avere uno SmartNIC che si occupa dell'incapsulamento dei pacchetti di rete utilizzati dalle reti sovrapposte anziché dalla CPU del sistema.
Perché Xilinx è leader nella tecnologia SmartNIC
Con tutte le tecnologie emergenti, ci sono aziende che si posizionano in prima linea nella tecnologia. Queste aziende tendono ad essere appassionate e focalizzate sulla tecnologia. Dedicano le loro energie all'obiettivo di superare la miriade di ostacoli che impedirebbero alla nuova tecnologia di entrare nel mercato. Xilinx è una di queste società.
Xilinx ha una lunga storia di innovatore nelle tecnologie emergenti. Ad esempio, hanno inventato l’FPGA (field-programmable gate array) e sono considerati leader in questa tecnologia. Portare una nuova tecnologia, come uno SmartNIC, sul mercato non è una proposta economica e, con un fatturato di oltre 3 miliardi di dollari nel 2020, hanno le risorse finanziarie per farlo. Ma è necessario anche un serio know-how ingegneristico e gestionale: ancora una volta, Xilinx ha entrambi.
Nell'aprile 2019, Xilinx ha stipulato un accordo per acquisire Solarflare Communications, un precedente sviluppatore di reti a latenza ultra-bassa e accelerazione delle applicazioni e leader nella tecnologia SmartNIC. Nello stesso anno, Xilinx ha dimostrato uno SmartNIC 100G basato su FPGA a chip singolo basato sulle tecnologie Solarflare e Xilinx. Questo SmartNIC combinava FPGA Xilinx, sistema su chip (SoC) e piattaforma di accelerazione computazionale adattiva (ACAP) con la tecnologia di Solarflare per creare una nuova soluzione SmartNIC convergente, che è diventata Xilinx SN1000.
Xilinx ALVEO SN1000
Xilinx SN1000 è una scheda di rete fisica FHHL PCIe x16 (Gen 4 x8 o Gen 3 x16 elettrica) con doppie porte 100GbE in rame o ottiche. Ha un processore Cortex-A16 a 72 core e un FPGA con oltre un milione di tabelle di ricerca (LUT). Una LUT è fondamentalmente il modo in cui l'FPGA costruisce la sua logica; più LUT ha un FPGA, più potente e flessibile sarà. La scheda ha un totale di 12 GB di RAM DDR4, di cui 4 GB dedicati al processore Arm e 8 GB all'FPGA. Questo schema hardware si traduce nella capacità dell'SN1000 di scaricare 4 milioni di connessioni stateful ed elaborare 100 milioni di pacchetti al secondo (PPS).
Per realizzare SmartNIC è possibile utilizzare circuiti integrati specifici dell'applicazione (ASIC), FPGA e SoC. Gli ASIC possono essere performanti; tuttavia, hanno una flessibilità limitata ed è difficile aggiungere funzionalità aggiuntive. E sebbene i SoC siano estremamente flessibili, non hanno la velocità degli ASIC e degli FPGA.
Per fornire flessibilità e prestazioni allo SmartNIC SN1000, Xilinx utilizza un potente SoC per le funzioni del piano di controllo grazie alla sua flessibilità intrinseca e lo accoppia con un FPGA per le funzioni del piano dati per motivi di prestazioni. Il vantaggio principale dell'utilizzo di un FPGA rispetto a un ASIC è che un FPGA può essere riprogrammato quando viene sviluppata e/o necessaria una nuova funzionalità, mentre può essere necessario un anno o più per ottenere un nuovo ASIC sul campo.
Sviluppare codice per un FPGA non è una questione banale e Xilinx dispone di alcuni strumenti eccellenti per soddisfare questa esigenza. Utilizzando il set di strumenti di sviluppo e programmazione Xilinx, i clienti Xilinx possono scrivere le proprie applicazioni FPGA in un linguaggio di programmazione di alto livello a cui sono abituati gli sviluppatori software, anziché nel codice hardware tradizionalmente utilizzato per lo sviluppo di applicazioni FPGA.
Xilinx ha anche sviluppato un mercato delle applicazioni dove è possibile ottenere soluzioni sviluppate da Xilinx e da terze parti. Questo approccio consente agli acquirenti di SN1000 di ottenere un time to value (TTV) più rapido bypassando il ciclo di sviluppo. L'app store dispone di soluzioni per NFV, sicurezza di rete, elaborazione di immagini, machine learning (ML) e altre funzioni che possono e devono essere eseguite a livello SmartNIC.
Le applicazioni Xilinx sono confezionate come contenitori docker. Possono essere valutati per l'uso gratuitamente e poi acquistati direttamente dal negozio tramite carta di credito.
Sebbene gli SmartNIC Xilinx siano un prodotto all’avanguardia, questo non vuol dire che siano così avanti rispetto alla curva da impedirne l’adozione e l’utilizzo. Al contrario, gli SmartNIC Xilinx sono già in fase di implementazione per affrontare casi d’uso specifici in cloud pubblici, hyperscaler e data center moderni. Alcuni esempi di ciò per cui vengono utilizzati includono; Incapsulamento del tunneling VXLAN e NVGRE, Open Virtual Switch (OVS), Intel DPDK e I/O Virtio-net.
Un altro caso d'uso interessante per gli SmartNIC è che vengono utilizzati per scaricare funzioni di archiviazione come il client di archiviazione di oggetti Ceph e NVMe-oF sta guadagnando popolarità. Inoltre, per il trading ad alta velocità, Xilinx ha dichiarato che il suo SmartNIC può raggiungere una latenza di nanosecondi per il trading algoritmico “tick to trade”.
L'analisi video è un altro settore in cui gli SmartNIC brillano. A causa del volume di dati coinvolti nei video, non è possibile trasmetterli a un archivio centrale. Come soluzione, gli SmartNIC vengono utilizzati sui dispositivi edge per gestire funzioni di interpretazione video, come il rilevamento delle maschere, il conteggio e il monitoraggio delle persone, nonché la recinzione virtuale poiché richiedono l'inferenza dell'intelligenza artificiale che FPGA può gestire in modo rapido ed efficiente.
Perché hai bisogno degli SmartNIC
Con l'aumento delle reti a larghezza di banda elevata, chiediamo sempre di più ai server dei nostri data center. Stiamo arrivando a un punto in cui, a causa del numero di pacchetti di rete che devono essere elaborati con una maggiore larghezza di banda di rete, i server hanno meno cicli per svolgere un lavoro redditizio. Alcuni studi hanno dimostrato che oltre il 20% dei cicli della CPU di un server può essere utilizzato per l’elaborazione dei pacchetti nei data center tradizionali dotati di reti a larghezza di banda elevata. Ad esempio, con una CPU da 3 GHz, un processore ha circa 300 cicli per elaborare un pacchetto da 1500 B per tenere il passo con la velocità di linea.
Per consentire alle CPU di svolgere il lavoro di alto valore per cui sono state progettate, dobbiamo scaricare le funzioni non necessarie su altri dispositivi, più vicini alla loro fonte. In questo caso, il dispositivo giusto per gestire le reti è uno SmartNIC.
Sebbene gli SmartNIC non siano solo di competenza di Xilinx, essi sono posizionati in prima linea in questa tecnologia emergente. Utilizzando un SoC combinato con FPGA, sono in grado di ottenere la facilità d'uso e la flessibilità di una soluzione definita dal software con le prestazioni di una soluzione implementata tramite hardware. Xilinx sa che sono necessarie applicazioni per sfruttare gli SmartNIC, quindi ha creato un ambiente di programmazione che consente ai programmatori di computer, piuttosto che agli ingegneri hardware, di sviluppare le applicazioni che girano sui loro SmartNIC. Per quegli utenti che cercano una proposta TTV più veloce, Xilinx ha un app store per consentire l'acquisto di applicazioni di terze parti.
Per essere competitivo, un data center moderno deve liberare i propri server dal maggior numero possibile di attività non necessarie. Queste attività includono firewall con stato, bilanciamento del carico, IPsec, TLS, NVMe-over-TCP, accesso allo spazio di archiviazione Virtio.blk, compressione dei dati o una miriade di altre funzioni che possono essere gestite meglio con uno SmartNIC.
Scopri di più su Xilinx Adapt
Adattamento Xilinx è un evento digitale che si terrà dal 24 al 25 marzo 2021 e tratterà l'importanza degli SmartNIC nel data center insieme ad argomenti importanti come il cloud computing, l'archiviazione computazionale e il data center componibile. L'ingresso è gratuito e successivamente verranno rese disponibili le repliche.
Interagisci con StorageReview
Newsletter | YouTube | Podcast iTunes/Spotify | Instagram | Twitter | Facebook | RSS feed
