De toutes les technologies du datacenter, aucune n'évolue plus rapidement que la connectivité réseau. Il y a 20 ans, la mise en réseau 1GbE était considérée comme exotique et l'infrastructure requise pour la prendre en charge (par exemple, les cartes réseau, les commutateurs et les câbles) était chère et rare. Il y a trois ans, les réseaux 10GbE étaient à la pointe de la technologie, mais aujourd'hui, les réseaux 20, 40 et même 100GbE sont devenus la norme dans les centres de données. Non seulement le réseau s'est élargi, mais il est devenu plus sophistiqué avec l'ajout d'éléments tels que la virtualisation, les réseaux définis par logiciel (SDN), les réseaux superposés et d'autres technologies qui n'avaient même pas été envisagées il y a dix ans, mais qui sont maintenant courantes et mettent à rude épreuve les ressources des serveurs du centre de données.
**Découvrez-en plus sur les SmartNIC et le centre de données composable chez Xilinx Adapt **
Lorsqu'il s'agit de réseaux supérieurs à 10 GbE, des goulots d'étranglement apparaissent au niveau du processeur des serveurs, car les paquets réseau sont transmis à ce dernier pour traitement. Avec les réseaux 25 GbE, une part significative du temps processeur est consacrée au traitement de ces paquets. Pour pallier ce problème, nous avons développé des techniques permettant de décharger certaines fonctions réseau du processeur vers le contrôleur d'interface réseau (NIC). Les dispositifs capables de gérer ce déchargement sont appelés SmartNIC.
Dans cet article, nous expliquerons ce qu'est une SmartNIC, la valeur qu'elle apporte au centre de données et pourquoi vous devriez commencer à enquêter et à investir dans celle-ci. Enfin, nous nous pencherons sur une SmartNIC particulièrement innovante, la Xilinx SN1000.
Qu'est-ce qu'un SmartNIC ?
Le déchargement des opérations réseau du processeur vers une carte réseau est au cœur des préoccupations des principaux fournisseurs de cloud, soucieux d'optimiser l'efficacité des centres de données. Il n'existe pas de définition stricte des caractéristiques d'une carte réseau dite « intelligente » ; toutefois, elle doit au minimum être capable de gérer certaines fonctions du plan de contrôle des commutateurs virtuels, ainsi que certaines fonctionnalités de la virtualisation des fonctions réseau (NFV), telles que le pare-feu, la détection et la prévention des intrusions, l'inspection des hôtes et le chiffrement, sans oublier les tâches du plan de données, comme la qualité de service (QoS) et la surveillance et le reporting des flux réseau.
Qu'est-ce qui motive l'adoption des SmartNIC ?
Les clouds publics et les hyperscalers ont été le moteur de l'innovation dans les centres de données au cours de la dernière décennie et continueront de le faire dans un avenir prévisible. La technologie qu'ils utilisent finit par dériver vers les centres de données d'entreprise et il en va de même pour les SmartNIC. Avec le recul, les SmartNIC placent simplement les fonctions réseau là où elles auraient dû être en premier lieu : de retour sur la carte réseau plutôt que de gaspiller la bande passante du processeur et de la carte mère.
Il est facile d'imaginer la quantité de trafic réseau qui est rejetée ou bloquée sur le réseau sans ajouter de valeur au système/CPU qui sont obligés de les traiter - simplement parce que les NFV et d'autres fonctions sont implémentées à l'aide du CPU d'un serveur traditionnel plutôt qu'au niveau NIC. Chaque cycle CPU qui peut être déchargé du CPU le libère et permet au serveur d'effectuer un travail productif.
Pour illustrer comment une SmartNIC peut être bénéfique, nous pouvons prendre quelque chose d'aussi simple qu'une attaque par déni de service distribué (DDoS). Bien qu'un DDoS soit rare dans un centre de données moderne, avoir un accord SmartNIC avec un DDoS permettrait au processeur du système de continuer un travail productif plutôt que de trier, classer et rejeter des paquets. Un exemple plus moderne serait d'avoir un accord SmartNIC avec l'encapsulation des paquets réseau qui sont utilisés par les réseaux superposés plutôt que par le processeur du système.
Pourquoi Xilinx est un leader de la technologie SmartNIC
Avec toutes les technologies émergentes, il y a des entreprises qui se positionnent à la pointe de la technologie. Ces entreprises ont tendance à être passionnées et à se concentrer sur la technologie. Ils consacrent leurs énergies à l'objectif de surmonter la myriade d'obstacles qui empêcheraient la nouvelle technologie d'entrer sur le marché. Xilinx est une telle entreprise.
Xilinx est depuis longtemps un innovateur dans les technologies émergentes. Par exemple, ils ont inventé le réseau prédiffusé programmable sur le terrain (FPGA) et sont considérés comme le leader de cette technologie. Mettre sur le marché une nouvelle technologie, comme une SmartNIC, n'est pas une proposition bon marché, et avec des revenus de plus de 3 milliards de dollars en 2020, ils ont les ressources financières pour le faire. Mais cela nécessite également un sérieux savoir-faire en matière d'ingénierie et de gestion - encore une fois, Xilinx possède les deux.
En avril 2019, Xilinx a conclu un accord pour acquérir Solarflare Communications, un ancien développeur de réseaux à très faible latence et d'accélération d'applications, et un leader de la technologie SmartNIC. Plus tard cette année-là, Xilinx a présenté une SmartNIC 100G basée sur un FPGA à puce unique basée sur les technologies Solarflare et Xilinx. Ce SmartNIC combinait le FPGA Xilinx, le système sur puce (SoC) et la plate-forme d'accélération de calcul adaptative (ACAP) avec la technologie de Solarflare pour créer une nouvelle solution SmartNIC convergée, qui est devenue le Xilinx SN1000.
Le Xilinx ALVEO SN1000
Le Xilinx SN1000 est une carte réseau FHHL PCIe x16 physique (Gen 4 x8 ou Gen 3 x16 électrique) avec deux ports cuivre ou optiques 100GbE. Il dispose d'un processeur Cortex-A16 à 72 cœurs et d'un FPGA avec plus d'un million de tables de consultation (LUT). Une LUT est essentiellement la façon dont le FPGA construit sa logique ; plus un FPGA a de LUT, plus il sera puissant et flexible. La carte dispose au total de 12 Go de RAM DDR4, dont 4 Go dédiés au processeur Arm et 8 Go au FPGA. Ce schéma matériel permet au SN1000 de décharger 4 millions de connexions avec état et de traiter 100 millions de paquets par seconde (PPS).
Les circuits intégrés spécifiques à l'application (ASIC), les FPGA et les SoC peuvent être utilisés pour créer des SmartNIC. Les ASIC peuvent être performants ; cependant, ils ont une flexibilité limitée et il est difficile de leur ajouter des fonctionnalités supplémentaires. Et bien que les SoC soient extrêmement flexibles, ils n'ont pas la vitesse des ASIC et des FPGA.
Pour offrir à la fois flexibilité et performances dans leur SmartNIC SN1000, Xilinx utilise un puissant SoC pour les fonctions de plan de contrôle en raison de sa flexibilité inhérente et l'associe à un FPGA pour les fonctions de plan de données pour des raisons de performances. Le principal avantage de l'utilisation d'un FPGA par rapport à un ASIC est qu'un FPGA peut être reprogrammé lorsqu'une nouvelle fonctionnalité est développée et/ou nécessaire, alors que l'obtention d'un nouvel ASIC sur le terrain peut prendre un an ou plus.
Développer du code pour un FPGA n'est pas une mince affaire, et Xilinx dispose d'excellents outils pour répondre à ce besoin. Grâce à l'ensemble d'outils de développement et de programmation de Xilinx, les clients de Xilinx peuvent écrire leurs propres applications FPGA dans un langage de programmation de haut niveau auquel les développeurs de logiciels sont habitués, plutôt que le code matériel traditionnellement utilisé pour le développement d'applications FPGA.
Xilinx a également développé une plateforme d'applications où sont disponibles des solutions développées par Xilinx et des tiers. Cette approche permet aux acheteurs de SN1000 d'accélérer leur retour sur investissement en s'affranchissant du cycle de développement. La plateforme propose des solutions pour la virtualisation des fonctions réseau (NFV), la sécurité réseau, le traitement d'images, l'apprentissage automatique (ML) et d'autres fonctions pouvant et devant être implémentées au niveau de la carte réseau intelligente (SmartNIC).
Les applications Xilinx sont conditionnées sous forme de conteneurs Docker. Ils peuvent être évalués pour une utilisation gratuite, puis achetés directement dans le magasin via une carte de crédit.
Bien que les SmartNIC de Xilinx soient un produit de pointe, cela ne veut pas dire qu'ils sont tellement en avance sur la courbe qu'ils empêchent l'adoption et l'utilisation. Au contraire, les SmartNIC Xilinx sont déjà en cours de déploiement pour répondre à des cas d'utilisation spécifiques dans les clouds publics, les hyperscalers et les centres de données modernes. Quelques exemples de ce qu'ils sont utilisés pour inclure; Encapsulation de tunnel VXLAN et NVGRE, Open Virtual Switch (OVS), Intel DPDK et Virtio-net I/O.
Un autre cas d'utilisation intéressant des SmartNIC est qu'elles sont utilisées pour décharger des fonctions de stockage telles que le client de stockage d'objets Ceph, et NVMe-oF gagne en popularité. De plus, pour le trading à grande vitesse, Xilinx a déclaré que leur SmartNIC peut atteindre une latence de nanoseconde pour le trading algorithmique «tick to trade».
L'analyse vidéo est un autre secteur où les SmartNIC brillent. En raison du volume de données impliquées dans la vidéo, il est impossible de les retransmettre à un référentiel central. En tant que solution, les SmartNIC sont utilisées sur les appareils périphériques pour gérer les fonctions d'interprétation vidéo, telles que la détection de masque, le comptage et le suivi des personnes, ainsi que la clôture virtuelle, car elles nécessitent l'inférence de l'IA que le FPGA peut gérer rapidement et efficacement.
Pourquoi avez-vous besoin de SmartNIC
Avec l'essor des réseaux à haut débit, nous demandons de plus en plus aux serveurs de nos centres de données. Nous arrivons à un point où, en raison du nombre de paquets réseau qui doivent être traités avec plus de bande passante réseau, les serveurs ont moins de cycles pour effectuer un travail rentable. Certaines études ont montré que plus de 20 % des cycles CPU d'un serveur peuvent être utilisés pour le traitement des paquets dans les centres de données traditionnels dotés de réseaux à large bande passante. Par exemple, avec un processeur de 3 GHz, un processeur dispose d'environ 300 cycles pour traiter un paquet de 1500 XNUMX B afin de suivre le rythme de la ligne.
Pour libérer les processeurs afin qu'ils effectuent le travail de grande valeur pour lequel ils ont été conçus, nous devons décharger les fonctions inutiles sur d'autres appareils, ceux qui sont plus proches de leur source. Dans ce cas, le bon appareil pour gérer les réseaux est un SmartNIC.
Bien que les SmartNIC ne soient pas seulement du ressort de Xilinx, elles se positionnent à la pointe de cette technologie émergente. En utilisant un SoC combiné à un FPGA, ils peuvent obtenir la facilité d'utilisation et la flexibilité d'une solution définie par logiciel avec les performances d'une solution implémentée par matériel. Xilinx sait que des applications sont nécessaires pour exploiter les SmartNIC, c'est pourquoi ils ont créé un environnement de programmation qui permet aux programmeurs informatiques, plutôt qu'aux ingénieurs en matériel, de développer les applications qui s'exécutent sur leurs SmartNIC. Pour les utilisateurs à la recherche d'une proposition TTV plus rapide, Xilinx dispose d'un magasin d'applications pour permettre l'achat d'applications tierces.
Pour qu'un centre de données moderne soit compétitif, il doit libérer ses serveurs d'autant de tâches inutiles que possible. Ces tâches incluent les pare-feux avec état, l'équilibrage de charge, IPsec, TLS, NVMe-over-TCP, l'accès au stockage Virtio.blk, la compression des données ou la myriade d'autres fonctions qui sont mieux gérées avec une SmartNIC.
En savoir plus sur Xilinx Adapt
Xilinx Adapt est un événement numérique qui se tiendra les 24 et 25 mars 2021 et qui abordera l'importance des SmartNIC dans les centres de données, ainsi que des sujets clés tels que le cloud computing, le stockage computationnel et les centres de données composables. L'entrée est gratuite et un enregistrement sera disponible ultérieurement.
Amazon