Το Μέλλον του Προσαρμοστικού Υπολογισμού: Το Κέντρο Συνθέσιμων Δεδομένων

Αυτή η ανάρτηση ιστολογίου είναι απόσπασμα από την κεντρική παρουσίαση των Salil Raje, EVP και GM Xilinx Data Center Group, που δόθηκε στις 24 Μαρτίου 2021, στο Xilinx Adapt: ​​Data Center. Για να δείτε την κεντρική ομιλία του Salil κατ 'απαίτηση, μαζί με μια μεγάλη σειρά παρουσιάσεων από ειδικούς του κλάδου, μπορείτε εγγραφείτε και δείτε το περιεχόμενο εδώ.

Οι περισσότεροι από εμάς εξακολουθούν να συναντιούνται με τους συναδέλφους μας μέσω διαδικτυακής τηλεδιάσκεψης μετά τη μετατόπιση του παραδείγματος που προκαλείται από την πανδημία COVID-19. Πιθανότατα δεν σκέφτεστε πολύ τι χρειάζεται για τη ροή όλου του περιεχομένου και των ροών από τις συναντήσεις σας. Αλλά αν είστε χειριστής κέντρου δεδομένων, πιθανότατα δεν έχετε πάρει πολύ ύπνο τον τελευταίο χρόνο ανησυχώντας για το πώς να χειριστείτε την άνευ προηγουμένου αύξηση πανδημίας στην κίνηση βίντεο.

Όχι μόνο αυτό, αλλά τα κέντρα δεδομένων αυτές τις μέρες πρέπει να αντιμετωπίσουν μια έκρηξη μη δομημένων δεδομένων από ένα ευρύ φάσμα φόρτων εργασίας, όπως τηλεδιάσκεψη, περιεχόμενο ροής, διαδικτυακά παιχνίδια και ηλεκτρονικό εμπόριο. Πολλές από αυτές τις εφαρμογές είναι πολύ ευαίσθητες στο λανθάνοντα χρόνο και υπόκεινται επίσης σε συνεχώς εξελισσόμενα πρότυπα για συμπίεση, κρυπτογράφηση και αρχιτεκτονικές βάσεων δεδομένων.

Αυτό ανάγκασε τα κέντρα δεδομένων να κλιμακώσουν την υποδομή τους για να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις απόδοσης και καθυστέρησης μιας ποικιλίας απαιτητικών φόρτων εργασίας, ενώ ταυτόχρονα προσπαθούν να ελαχιστοποιήσουν το κόστος και την κατανάλωση ενέργειας. Αυτό αποδεικνύεται πολύ δύσκολο και αναγκάζει τους χειριστές κέντρων δεδομένων να επανεξετάσουν την τρέχουσα αρχιτεκτονική τους και να εξερευνήσουν νέες διαμορφώσεις που είναι εγγενώς πιο επεκτάσιμες και αποτελεσματικές.

Επί του παρόντος, τα περισσότερα κέντρα δεδομένων διαθέτουν ράφια με σταθερά σύνολα πόρων, συνδυάζοντας SSD, CPU και Accelerators σε έναν μόνο διακομιστή. Ενώ αυτό διασφαλίζει υψηλή σύνδεση εύρους ζώνης μεταξύ υπολογισμού και αποθήκευσης, είναι πολύ αναποτελεσματικό όσον αφορά τη χρήση πόρων, καθώς υπάρχει μια σταθερή αναλογία αποθήκευσης και υπολογισμού σε κάθε διακομιστή. Καθώς ο φόρτος εργασίας απαιτεί διαφορετικό συνδυασμό υπολογισμού και αποθήκευσης, αφήνονται νησιά αχρησιμοποίητων πόρων σε κάθε διακομιστή.

Υποδομή Σύνθεσης

Αναδύεται μια νέα αρχιτεκτονική που υπόσχεται να κάνει μια δραματική βελτίωση στη χρήση των πόρων. Είναι γνωστό ως «σύνθετη υποδομή». Απαιτείται συνθετική υποδομή αποσύνδεση πόρους και αντ 'αυτού ομαδοποίηση και καθιστώντας τους προσβάσιμους από οπουδήποτε. Οι υποδομές με δυνατότητα σύνθεσης επιτρέπουν την παροχή φόρτου εργασίας με τη σωστή ποσότητα πόρων και γρήγορη αναδιάρθρωση μέσω λογισμικού.

Μια σύνθετη αρχιτεκτονική με ομάδες CPU, SSDS και επιταχυντές που συνδέονται μεταξύ τους και ελέγχονται από ένα πλαίσιο παροχής βασισμένων σε πρότυπα, υπόσχεται εξαιρετικά βελτιωμένη απόδοση πόρων στο κέντρο δεδομένων. Σε μια τέτοια αρχιτεκτονική, διαφορετικοί φόρτοι εργασίας ενδέχεται να έχουν διαφορετικές απαιτήσεις υπολογισμού, αποθήκευσης και επιτάχυνσης, και αυτοί οι πόροι θα εκχωρηθούν αναλόγως χωρίς σπατάλη υλικού. Όλα αυτά ακούγονται υπέροχα στη θεωρία, αλλά στην πράξη, υπάρχει ένα μεγάλο ζήτημα: η καθυστέρηση.

Η Πρόκληση Latency

Καθώς διαχωρίζετε τους πόρους και τους μετακινείτε πιο μακριά, αντιμετωπίζετε περισσότερες καθυστερήσεις και μειωμένο εύρος ζώνης λόγω της κίνησης δικτύου μεταξύ CPU και SSD ή μεταξύ CPU και επιταχυντών. Εάν δεν έχετε κάποιο τρόπο να μειώσετε την κίνηση του δικτύου και να διασυνδέσετε τους πόρους με αποτελεσματικό τρόπο, αυτό μπορεί να είναι σοβαρά περιοριστικό. Εκεί τα FPGA παίζουν τρεις βασικούς ρόλους στην επίλυση της πρόκλησης καθυστέρησης:

• Τα FPGA λειτουργούν ως προσαρμόσιμοι επιταχυντές που μπορούν να προσαρμοστούν για κάθε φόρτο εργασίας για μέγιστη απόδοση. 
• Τα FPGA μπορούν επίσης να φέρουν τον υπολογισμό πιο κοντά στα δεδομένα, μειώνοντας έτσι την καθυστέρηση και ελαχιστοποιώντας το απαιτούμενο εύρος ζώνης.
• Το προσαρμόσιμο, έξυπνο ύφασμα των FPGA επιτρέπει αποτελεσματική συγκέντρωση πόρων χωρίς να προκαλούνται υπερβολικές καθυστερήσεις. 

Προσαρμόσιμη επιτάχυνση

Το πρώτο σημαντικό πλεονέκτημα για τους επιταχυντές υπολογιστών που βασίζονται σε FPGA είναι η δραματικά βελτιωμένη απόδοση για φόρτους εργασίας που έχουν μεγάλη ζήτηση σήμερα. Σε περιπτώσεις χρήσης κωδικοποίησης βίντεο για εφαρμογές ζωντανής ροής, οι λύσεις FPGA συνήθως ξεπερνούν τους επεξεργαστές x86 κατά 30x, γεγονός που βοηθά τους χειριστές του κέντρου δεδομένων να ανταποκριθούν στην τεράστια αύξηση του αριθμού των ταυτόχρονων ροών. Ένα άλλο παράδειγμα είναι στο κρίσιμο πεδίο της γονιδιωματικής αλληλούχησης. Ένας πρόσφατος πελάτης γονιδιωματικής Xilinx διαπίστωσε ότι ο επιταχυντής με βάση το FPGA έδωσε την απάντηση 90 φορές πιο γρήγορα από μια CPU, βοηθώντας τους ιατρικούς ερευνητές να δοκιμάσουν δείγματα DNA σε ένα κλάσμα του χρόνου που κάποτε χρειάστηκε.

Μετακίνηση του Compute πιο κοντά στα δεδομένα

Το δεύτερο βασικό πλεονέκτημα για FPGAs σε ένα σύνθετο κέντρο δεδομένων είναι η ικανότητα να φέρει τον προσαρμόσιμο υπολογισμό κοντά στα δεδομένα, είτε σε κατάσταση ηρεμίας είτε σε κίνηση. Τα Xilinx FPGA που χρησιμοποιούνται σε υπολογιστικές συσκευές αποθήκευσης SmartSSD επιταχύνουν λειτουργίες όπως αναζήτηση υψηλής ταχύτητας, ανάλυση, συμπίεση και κρυπτογράφηση, οι οποίες συνήθως εκτελούνται από CPU. Αυτό βοηθά στην εκφόρτωση της CPU για πιο περίπλοκες εργασίες, αλλά επίσης μειώνει την κίνηση μεταξύ της CPU και των SSD, μειώνοντας έτσι την κατανάλωση εύρους ζώνης και μειώνοντας τον λανθάνοντα χρόνο.

Ομοίως, τα FPGA μας χρησιμοποιούνται τώρα σε SmartNIC όπως το νέο Alveo SN1000 για την επιτάχυνση των δεδομένων σε κίνηση με υπηρεσίες επεξεργασίας πακέτων ταχύτητας, συμπίεσης και κρυπτογράφησης, καθώς και τη δυνατότητα προσαρμογής σε προσαρμοσμένες απαιτήσεις εναλλαγής για ένα συγκεκριμένο κέντρο δεδομένων ή πελάτη.   

Ευφυές ύφασμα

Όταν συνδυάζετε την προσαρμόσιμη υπολογιστική επιτάχυνση ενός FPGA με συνδεσιμότητα χαμηλής καθυστέρησης, μπορείτε να προχωρήσετε ένα βήμα παραπέρα στο συνθετικό κέντρο δεδομένων. Μπορείτε να εκχωρήσετε έναν βαρύ υπολογιστικό φόρτο εργασίας σε ένα σύμπλεγμα επιταχυντών που συνδέονται μεταξύ τους με ένα προσαρμόσιμο έξυπνο ύφασμα - δημιουργώντας έναν υπολογιστή υψηλής απόδοσης κατά παραγγελία.

Φυσικά, κανένα από αυτά δεν είναι δυνατό αν δεν μπορείτε να προγραμματίσετε τους υπολογιστές επιταχυντές, SmartSSD και SmartNIC με τους βέλτιστους αλγόριθμους επιτάχυνσης και, στη συνέχεια, να τους παρέχετε στους σωστούς αριθμούς για κάθε φόρτο εργασίας. Για αυτό το έργο, έχουμε δημιουργήσει μια ολοκληρωμένη στοίβα λογισμικού που αξιοποιεί συγκεκριμένα βιομηχανικά πλαίσια όπως TensorFlow και FFMPEG, τα οποία λειτουργούν σε συνδυασμό με την πλατφόρμα ανάπτυξης Vitis. Βλέπουμε επίσης έναν ρόλο για τα υψηλότερα επίπεδα παροχής πλαισίων όπως το RedFish για να βοηθήσουν στην έξυπνη κατανομή πόρων.

Το μέλλον είναι τώρα

Η υπόσχεση του συνθέσιμου κέντρου δεδομένων είναι μια συναρπαστική αλλαγή και οι συσκευές Xilinx και οι κάρτες επιταχυντή αποτελούν βασικά δομικά στοιχεία αυτής της νέας αποτελεσματικής αρχιτεκτονικής. Με γρήγορη επαναδιαμόρφωση, χαμηλό λανθάνοντα χρόνο και ευέλικτη αρχιτεκτονική που μπορεί να προσαρμοστεί σε μεταβαλλόμενους φόρτους εργασίας, το Xilinx είναι σε καλή θέση για να είναι ένας σημαντικός παράγοντας σε αυτήν την εξέλιξη.