مستقبل الحوسبة التكيفية: مركز البيانات القابلة للتكوين

تم اقتباس منشور المدونة هذا من العرض التقديمي الرئيسي لمجموعة Salil Raje و EVP و GM Xilinx Data Center Group ، في 24 مارس 2021 ، في Xilinx Adapt: ​​Data Center. يمكنك مشاهدة الكلمة الرئيسية لسليل عند الطلب ، جنبًا إلى جنب مع قائمة كبيرة من العروض التقديمية من قبل خبراء الصناعة سجل واعرض المحتوى هنا.

لا يزال معظمنا يجتمع مع زملائنا في العمل عبر مؤتمرات الفيديو عبر الإنترنت بعد التحول النموذجي الناجم عن جائحة COVID-19. ربما لا تفكر كثيرًا في ما يتطلبه الأمر لبث كل المحتوى والخلاصات من اجتماعاتك. ولكن إذا كنت مشغلًا لمركز بيانات ، فمن المحتمل أنك لم تحصل على قسط كبير من النوم خلال العام الماضي قلقًا بشأن كيفية التعامل مع الزيادة الوبائية غير المسبوقة في حركة مرور الفيديو.

ليس هذا فقط ، ولكن يجب على مراكز البيانات هذه الأيام التعامل مع انفجار البيانات غير المهيكلة من مجموعة واسعة من أعباء العمل مثل مؤتمرات الفيديو وتدفق المحتوى والألعاب عبر الإنترنت والتجارة الإلكترونية. العديد من هذه التطبيقات حساسة جدًا لوقت الاستجابة وتخضع أيضًا لمعايير دائمة التطور للضغط والتشفير وبنى قواعد البيانات.

وقد أجبر هذا مراكز البيانات على توسيع نطاق بنيتها التحتية لتلبية متطلبات الأداء ووقت الاستجابة لمجموعة متنوعة من أعباء العمل المتطلبة ، مع محاولة تقليل التكلفة واستهلاك الطاقة في نفس الوقت. ثبت أن هذا أمر صعب للغاية ، وهو يجبر مشغلي مراكز البيانات على إعادة التفكير في بنيتهم ​​الحالية واستكشاف تكوينات جديدة أكثر قابلية للتطوير وكفاءة بطبيعتها.

حاليًا ، تحتوي معظم مراكز البيانات على رفوف بمجموعات ثابتة من الموارد ، تجمع بين محركات أقراص الحالة الصلبة ووحدات المعالجة المركزية والمسرعات في خادم واحد. في حين أن هذا يضمن اتصالًا عالي النطاق للنطاق الترددي بين الحوسبة والتخزين ، إلا أنه غير فعال للغاية من حيث استخدام الموارد ، نظرًا لوجود نسبة ثابتة للتخزين والحساب في كل خادم. نظرًا لأن أحمال العمل تتطلب مزيجًا مختلفًا من الحوسبة والتخزين ، يتم ترك جزر من الموارد غير المستخدمة في كل خادم.

البنية التحتية المركبة

تظهر بنية جديدة تعد بتحسين كبير في استخدام الموارد. تُعرف باسم "البنية التحتية القابلة للتكوين". تستلزم البنية التحتية القابلة للتكوين فصل الموارد وبدلاً من ذلك تجميعها معًا وإتاحتها من أي مكان. تتيح البنى التحتية القابلة للإنشاء توفير أعباء العمل بالكمية المناسبة من الموارد وإعادة التكوين السريع عبر البرامج.

تعد البنية القابلة للتركيب مع مجموعات من وحدات المعالجة المركزية (CPU) و SSDS والمسرعات المرتبطة ببعضها البعض والتحكم فيها من خلال إطار عمل للتزويد المستند إلى المعايير بتحسين كفاءة موارد مركز البيانات بشكل كبير. في مثل هذه البنية ، قد يكون لأحمال العمل المختلفة متطلبات مختلفة للحوسبة والتخزين والتسريع ، وسيتم تخصيص هذه الموارد وفقًا لذلك دون إهدار الأجهزة. كل هذا يبدو رائعًا من الناحية النظرية ، ولكن من الناحية العملية ، هناك مشكلة واحدة كبيرة: الكمون.

تحدي الكمون

عندما تقوم بتقسيم الموارد ونقلها بعيدًا عن بعضها ، فإنك تتعرض لمزيد من التأخير وعرض النطاق الترددي المنخفض بسبب حركة مرور الشبكة بين وحدات المعالجة المركزية ومحركات أقراص الحالة الصلبة ، أو بين وحدات المعالجة المركزية والمسرعات. ما لم يكن لديك طريقة ما لتقليل حركة مرور الشبكة وربط الموارد بطريقة فعالة ، فقد يكون هذا مقيدًا بشدة. هذا هو المكان الذي تلعب فيه FPGAs ثلاثة أدوار رئيسية في حل تحدي زمن الوصول:

• تعمل FPGAs كمسرعات قابلة للتكيف يمكن تخصيصها لكل حمل عمل لتحقيق أقصى قدر من الأداء. 
• يمكن لـ FPGA أيضًا تقريب الحساب من البيانات ، وبالتالي تقليل زمن الوصول وتقليل عرض النطاق الترددي المطلوب.
• يتيح النسيج الذكي القابل للتكيف لـ FPGA تجميع الموارد بكفاءة دون التعرض لتأخيرات مفرطة. 

تسارع قابل للتكيف

تتمثل الميزة الأولى المهمة لمسرعات الحوسبة القائمة على FPGA في تحسين الأداء بشكل كبير لأحمال العمل التي يزداد الطلب عليها هذه الأيام. في حالات استخدام تحويل ترميز الفيديو لتطبيقات البث المباشر ، تتفوق حلول FPGA عادةً على وحدات المعالجة المركزية x86 بمقدار 30x ، مما يساعد مشغلي مراكز البيانات على تلبية الزيادة الهائلة في عدد التدفقات المتزامنة. مثال آخر في المجال الحرج للتسلسل الجينومي. وجد عميل جينوم Xilinx حديثًا أن مُسرِّعنا المعتمد على FPGA قدم الإجابة أسرع 90 مرة من وحدة المعالجة المركزية ، مما يساعد الباحثين الطبيين على اختبار عينات الحمض النووي في جزء صغير من الوقت الذي استغرقته.

نقل الحساب أقرب إلى البيانات

الميزة الرئيسية الثانية لـ FPGAs في مركز البيانات القابلة للتكوين هي القدرة على تقريب الحوسبة القابلة للتكيف بالقرب من البيانات ، سواء في حالة الراحة أو الحركة. تعمل Xilinx FPGAs المستخدمة في أجهزة التخزين الحاسوبية SmartSSD على تسريع وظائف مثل البحث عالي السرعة والتحليل والضغط والتشفير ، والتي يتم تنفيذها عادةً بواسطة وحدة المعالجة المركزية. يساعد هذا في إلغاء تحميل وحدة المعالجة المركزية للقيام بمهام أكثر تعقيدًا ، ولكنه يقلل أيضًا من حركة المرور بين وحدة المعالجة المركزية ومحركات أقراص الحالة الثابتة ، وبالتالي تقليل استهلاك النطاق الترددي وتقليل زمن الوصول.

وبالمثل ، تُستخدم FPGAs الخاصة بنا الآن في SmartNIC مثل Alveo SN1000 الجديد لتسريع البيانات المتحركة من خلال معالجة حزم السرعة السلكية والضغط وخدمات التشفير بالإضافة إلى القدرة على التكيف مع متطلبات التحويل المخصصة لمركز بيانات معين أو عميل معين.   

نسيج ذكي

عندما تجمع بين تسريع الحوسبة القابل للتكيف في FPGA والاتصال منخفض زمن الوصول، يمكنك المضي قدمًا في مركز البيانات القابل للتركيب. يمكنك تعيين عبء عمل ثقيل على الحوسبة لمجموعة من المسرعات المترابطة بواسطة نسيج ذكي قابل للتكيف - مما يؤدي إلى إنشاء جهاز كمبيوتر عالي الأداء عند الطلب.

بالطبع ، لا يكون أي من هذا ممكنًا إذا لم تتمكن من برمجة مسرعات الحوسبة و SmartSSDs و SmartNIC باستخدام خوارزميات التسريع المثلى ، ثم توفيرها بالأرقام الصحيحة لكل حمل عمل. لهذه المهمة ، قمنا ببناء مجموعة برامج شاملة تستفيد من أطر الصناعة الخاصة بالمجال مثل TensorFlow و FFMPEG ، والتي تعمل جنبًا إلى جنب مع منصة تطوير Vitis الخاصة بنا. نرى أيضًا دورًا لأطر التوفير عالية المستوى مثل RedFish للمساعدة في تخصيص الموارد بذكاء.

المستقبل هو الآن

يعد الوعد بمركز البيانات القابل للتكوين تغييرًا مثيرًا وتعد أجهزة Xilinx وبطاقات التسريع بمثابة اللبنات الأساسية لهذه البنية الفعالة الجديدة. بفضل قابلية إعادة التكوين السريعة ، والكمون المنخفض ، والبنية المرنة التي يمكن أن تتكيف مع أعباء العمل المتغيرة ، فإن Xilinx في وضع جيد لتكون لاعبًا رئيسيًا في هذا التطور.