データセンターのすべてのテクノロジーの中で、ネットワーク接続ほど急速に進化しているものはありません。 20 年前、1GbE ネットワーキングは珍しいものとみなされ、それをサポートするために必要なインフラストラクチャ (NIC、スイッチ、ケーブルなど) は高価で希少なものでした。 10 年前には 20GbE ネットワークが最先端でしたが、現在では 40、100、さらには XNUMXGbE ネットワークがデータセンターの標準になっています。ネットワークが広くなっただけでなく、仮想化、ソフトウェア定義ネットワーキング (SDN)、オーバーレイ ネットワーク、その他のテクノロジなどの要素が追加されてより洗練されました。これらのテクノロジは、XNUMX 年前には想像すらされていなかったが、現在では一般的になっており、データセンターサーバーのリソースに負担をかけています。
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10GbEを超えるネットワークを扱う場合、ネットワークパケットが処理のためにCPUに渡されるにつれて、サーバーでCPUボトルネックが発生し始めます。25GbEネットワークでは、CPU時間のかなりの割合がネットワークパケットの処理に費やされます。この問題に対処するため、ネットワーク機能の一部をCPUからネットワークインターフェースコントローラ（NIC）にオフロードする技術を開発しました。このオフロード処理を担うデバイスをSmartNICと呼んでいます。
この記事では、SmartNIC とは何か、SmartNIC がデータセンターにもたらす価値、および SmartNIC の調査と投資を開始する必要がある理由について説明します。最後に、特に革新的な SmartNIC であるザイリンクス SN1000 について見ていきます。
SmartNICとは何ですか?
CPUからNICへのネットワーク処理のオフロードは、データセンターの効率化を常に追求している主要なクラウドプロバイダーの焦点となっています。NICを「スマート」と呼ぶために必要な条件は明確に定められていませんが、最低限、仮想スイッチにある制御プレーン機能の一部、ファイアウォール、侵入検知・防御、ホスト検査、暗号化といったネットワーク機能仮想化（NFV）機能の一部、そしてネットワークのQoS（サービス品質）やフローレポート・監視といったデータプレーンタスクを処理できる必要があります。
SmartNIC の採用を促進しているものは何ですか?
パブリック クラウドとハイパースケーラーは、過去 10 年間にわたってデータセンターのイノベーションを推進してきましたが、今後もその傾向は続くでしょう。彼らが使用するテクノロジーは、最終的には企業のデータセンターに流れ込み、同様のことが SmartNIC にも当てはまります。今にして思えば、SmartNIC は単にネットワーク機能を本来あるべき場所に配置し、CPU やマザーボードの帯域幅を無駄にせずに NIC に戻しただけです。
NFV やその他の機能が従来のサーバーの CPU を使用して実装されているため、それらの処理を強制されるシステム/CPU に何の付加価値も与えずに、どれだけのネットワーク トラフィックが破棄されたり、ネットワークにヘアピン バックされたりするかは容易に想像できます。 NIC レベルよりも。 CPU からオフロードできるすべての CPU サイクルにより CPU が解放され、サーバーが生産的な作業を実行できるようになります。
SmartNIC がどのように役立つかを説明するために、分散型サービス拒否 (DDoS) 攻撃のような単純なものを取り上げます。最新のデータセンターでは DDoS が発生することはまれですが、SmartNIC と DDoS の取引を行うことで、システムの CPU がパケットの並べ替え、分類、破棄を行わずに生産的な作業を継続できるようになります。より現代的な例は、システム CPU ではなく、オーバーレイ ネットワークによって使用されるネットワーク パケットのカプセル化を SmartNIC に処理させることです。
ザイリンクスが SmartNIC テクノロジーのリーダーである理由
あらゆる新興テクノロジーにおいて、自らをテクノロジーの最前線に位置する企業が存在します。これらの企業は、テクノロジーに情熱を注ぎ、徹底的に重点を置く傾向があります。彼らは、新しいテクノロジーの市場投入を妨げる無数のハードルを克服するという目標にエネルギーを注いでいます。ザイリンクスはそういう会社です。
ザイリンクスには、新興テクノロジーのイノベーターとしての長い歴史があります。たとえば、彼らはフィールド プログラマブル ゲート アレイ (FPGA) を発明し、このテクノロジーのリーダーとみなされています。 SmartNIC のような新しいテクノロジーを市場に投入するのは、決して安価な提案ではありません。3 年の収益は 2020 億ドルを超えており、それを実行するための資金力は十分にあります。ただし、これには本格的なエンジニアリングと管理のノウハウも必要です。繰り返しになりますが、ザイリンクスはその両方を備えています。
2019 年 100 月、ザイリンクスは、超低遅延ネットワーキングおよびアプリケーション アクセラレーションの初期開発者であり、SmartNIC テクノロジーのリーダーである Solarflare Communications を買収する契約を締結しました。同年後半、ザイリンクスは、Solarflare およびザイリンクスのテクノロジに基づくシングルチップ FPGA ベースの 1000G SmartNIC をデモしました。この SmartNIC は、ザイリンクス FPGA、システム オン チップ (SoC)、アダプティブ コンピューティング アクセラレーション プラットフォーム (ACAP) と Solarflare のテクノロジーを組み合わせて、新しい統合 SmartNIC ソリューションを作成し、それがザイリンクス SNXNUMX となりました。
ザイリンクス ALVEO SN1000
ザイリンクス SN1000 は、デュアル 16GbE 銅線ポートまたは光ポートを備えた FHHL PCIe x4 物理 (Gen 8 x3 または Gen 16 x100 電気) NIC です。 16 コアの Cortex-A72 プロセッサと、12 万を超えるルックアップ テーブル (LUT) を備えた FPGA を搭載しています。 LUT は基本的に、FPGA がロジックを構築する方法です。 FPGA の LUT が多いほど、より強力かつ柔軟になります。このカードには合計 4 GB の DDR4 RAM が搭載されており、そのうち 8 GB は Arm プロセッサ専用、1000 GB は FPGA 専用となります。このハードウェア スキームは、SN4 が 100 万のステートフル接続をオフロードし、XNUMX 秒あたり XNUMX 億パケット (PPS) を処理できることを意味します。
特定用途向け集積回路 (ASIC)、FPGA、および SoC を使用して SmartNIC を作成できます。 ASIC はパフォーマンスを向上させることができます。ただし、柔軟性が限られており、機能を追加するのは困難です。また、SoC は非常に柔軟性がありますが、ASIC や FPGA ほどの速度はありません。
SN1000 SmartNIC で柔軟性とパフォーマンスの両方を提供するために、ザイリンクスは、その固有の柔軟性によりコントロール プレーン機能に強力な SoC を使用し、パフォーマンス上の理由からそれをデータ プレーン機能用の FPGA と組み合わせています。 ASIC ではなく FPGA を使用する主な利点は、新しい ASIC を現場で入手するには XNUMX 年以上かかる場合があるのに対し、新しい機能が開発または必要になったときに FPGA を再プログラムできることです。
FPGA のコード開発は簡単な問題ではありません。ザイリンクスは、このニーズを支援する優れたツールをいくつか提供しています。ザイリンクスの開発およびプログラミング ツールセットを使用すると、ザイリンクスの顧客は、これまで FPGA アプリケーション開発に使用されてきたハードウェア コードではなく、ソフトウェア開発者が使い慣れた高級プログラミング言語で独自の FPGA アプリケーションを作成できます。
ザイリンクスは、自社およびサードパーティが開発したソリューションを入手できるアプリケーションマーケットプレイスも開発しました。このアプローチにより、SN1000の購入者は開発サイクルを省略することで、より迅速な価値実現（TTV）を実現できます。アプリストアには、NFV、ネットワークセキュリティ、画像処理、機械学習（ML）など、SmartNICレベルで実行可能かつ実行すべき機能に関するソリューションが揃っています。
ザイリンクス アプリケーションは Docker コンテナとしてパッケージ化されています。これらは無料で使用できるかどうかを評価でき、クレジット カードを使用してストアから直接購入できます。
ザイリンクスの SmartNIC は最先端の製品ですが、採用や使用を妨げるほど時代を先取りしているわけではありません。それどころか、ザイリンクスの SmartNIC は、パブリック クラウド、ハイパースケーラー、最新のデータセンターの特定のユース ケースに対応するためにすでに導入されています。それらが何に使用されているかの例としては、次のようなものがあります。 VXLAN および NVGRE トンネリング カプセル化、オープン仮想スイッチ (OVS)、Intel DPDK、および Virtio-net I/O。
SmartNIC のもう 1 つの興味深い使用例は、Ceph オブジェクト ストレージ クライアントなどのストレージ機能のオフロードに SmartNIC が使用されていることです。また、NVMe-oF の人気が高まっています。さらに、高速取引の場合、ザイリンクスは、SmartNIC が「ティック トゥ トレード」アルゴリズム取引でナノ秒のレイテンシーを達成できると述べています。
ビデオ分析も、SmartNIC が輝ける分野です。ビデオに関係するデータの量が多いため、ビデオを中央リポジトリに戻すことは現実的ではありません。ソリューションとして、SmartNIC は、FPGA が迅速かつ効率的に処理できる AI 推論を必要とするため、マスク検出、人数カウントと追跡、仮想フェンシングなどのビデオ解釈機能を処理するためにエッジ デバイスで使用されています。
SmartNIC が必要な理由
高帯域幅ネットワーキングの増加に伴い、データセンター内のサーバーに対する要求はますます高まっています。より多くのネットワーク帯域幅で処理する必要があるネットワーク パケットの数により、サーバーが収益性の高い作業を実行するためのサイクルが少なくなる段階に達しつつあります。一部の調査では、高帯域幅ネットワークを備えた従来のデータセンターでは、サーバーの CPU サイクルの 20% 以上がパケット処理に使用できることが示されています。たとえば、3 GHz CPU の場合、プロセッサはライン レートに対応するために 300B パケットを処理するのに約 1500 サイクルかかります。
CPU を解放して、CPU が実行するように設計された高価値の作業を実行できるようにするには、不必要な機能を他のデバイス (ソースに近いデバイス) にオフロードする必要があります。この場合、ネットワークを処理する適切なデバイスは SmartNIC です。
SmartNIC はザイリンクスの専有物ではありませんが、この新興テクノロジーの最前線に位置しています。 SoC と FPGA を組み合わせて使用することで、ソフトウェア デファインド ソリューションの使いやすさと柔軟性を、ハードウェア実装ソリューションのパフォーマンスとともに得ることができます。ザイリンクスは、SmartNIC を活用するにはアプリケーションが必要であることを認識しており、ハードウェア エンジニアではなくコンピューター プログラマーが SmartNIC 上で実行するアプリケーションを開発できるプログラミング環境を作成しました。より高速な TTV 提案を求めるユーザーのために、ザイリンクスはサードパーティ アプリケーションを購入できるアプリ ストアを用意しています。
最新のデータセンターが競争力を発揮するには、サーバーをできるだけ多くの不要なタスクから解放する必要があります。これらのタスクには、ステートフル ファイアウォール、ロード バランシング、IPsec、TLS、NVMe-over-TCP、Virtio.blk ストレージ アクセス、データ圧縮、または SmartNIC でより適切に管理できるその他の無数の機能が含まれます。
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Xilinx Adaptは、2021年3月24日～25日に開催されるオンラインイベントです。データセンターにおけるSmartNICの重要性に加え、クラウドコンピューティング、コンポーザブルストレージ、コンポーザブルデータセンターといった重要なトピックを取り上げます。参加費は無料で、イベント終了後には録画映像も公開されます。
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