El futuro de la informática adaptable: el centro de datos componible

Esta publicación de blog es un extracto de la presentación principal de Salil Raje, EVP y GM Xilinx Data Center Group, el 24 de marzo de 2021, en Xilinx Adapt: ​​Data Center. Para ver el discurso principal de Salil a pedido, junto con una gran lista de presentaciones de expertos de la industria, puede regístrese y vea el contenido aquí.

La mayoría de nosotros todavía nos reunimos con nuestros compañeros de trabajo a través de videoconferencias en línea después del cambio de paradigma causado por la pandemia de COVID-19. Probablemente no esté pensando mucho en lo que se necesita para transmitir todo el contenido y los feeds de sus reuniones. Pero si usted es un operador de un centro de datos, probablemente no ha estado durmiendo mucho durante el año pasado preocupándose por cómo manejar la oleada pandémica sin precedentes en el tráfico de video.

No solo eso, sino que los centros de datos en estos días deben manejar una explosión de datos no estructurados de una amplia gama de cargas de trabajo como videoconferencias, transmisión de contenido, juegos en línea y comercio electrónico. Muchas de estas aplicaciones son muy sensibles a la latencia y también están sujetas a estándares en constante evolución para la compresión, el cifrado y las arquitecturas de bases de datos.

Esto ha obligado a los centros de datos a ampliar su infraestructura para cumplir con los requisitos de rendimiento y latencia de una variedad de cargas de trabajo exigentes, mientras que al mismo tiempo intentan minimizar el costo y el consumo de energía. Eso está resultando muy difícil y está obligando a los operadores de centros de datos a reconsiderar su arquitectura actual y explorar nuevas configuraciones que son inherentemente más escalables y eficientes.

Actualmente, la mayoría de los centros de datos tienen racks con conjuntos fijos de recursos, que combinan SSD, CPU y aceleradores en un solo servidor. Si bien esto asegura una conexión de gran ancho de banda entre la computación y el almacenamiento, es muy ineficiente en términos de utilización de recursos, ya que hay una proporción fija de almacenamiento y computación en cada servidor. Dado que las cargas de trabajo requieren una combinación diferente de procesamiento y almacenamiento, en cada servidor quedan islas de recursos no utilizados.

Infraestructura composable

Está surgiendo una nueva arquitectura que promete realizar una mejora espectacular en la utilización de recursos. Se conoce como "infraestructura componible". La infraestructura componible implica desacoplamiento recursos y, en su lugar, agruparlos y hacerlos accesibles desde cualquier lugar. Las infraestructuras componibles permiten el aprovisionamiento de cargas de trabajo con la cantidad justa de recursos y una rápida reconfiguración a través del software.

Una arquitectura componible con grupos de CPU, SSDS y aceleradores que están conectados en red y controlados por un marco de aprovisionamiento basado en estándares promete una eficiencia de recursos del centro de datos enormemente mejorada. En una arquitectura de este tipo, diferentes cargas de trabajo pueden tener diferentes requisitos de procesamiento, almacenamiento y aceleración, y esos recursos se asignarán en consecuencia sin desperdiciar hardware. Todo eso suena muy bien en teoría, pero en la práctica, hay un gran problema: la latencia.

El desafío de la latencia

A medida que desagrega recursos y los separa más, incurrirá en más retrasos y menor ancho de banda debido al tráfico de red entre CPU y SSD, o entre CPU y aceleradores. A menos que tenga alguna forma de reducir el tráfico de la red e interconectar los recursos de manera eficiente, esto puede ser una gran limitación. Ahí es donde los FPGA juegan tres roles principales para resolver el desafío de la latencia:

• Los FPGA actúan como aceleradores adaptables que se pueden personalizar para cada carga de trabajo para obtener el máximo rendimiento. 
• Los FPGA también pueden acercar la computación a los datos, reduciendo así la latencia y minimizando el ancho de banda requerido.
• El tejido inteligente y adaptable de los FPGA permite una agrupación eficiente de recursos sin incurrir en retrasos excesivos. 

Aceleración adaptable

La primera ventaja significativa de los aceleradores de cómputo basados ​​en FPGA es un rendimiento drásticamente mejorado para las cargas de trabajo que tienen una gran demanda en estos días. En casos de uso de transcodificación de video para aplicaciones de transmisión en vivo, las soluciones FPGA generalmente superan a las CPU x86 en 30 veces, lo que ayuda a los operadores de centros de datos a cumplir con el enorme aumento en la cantidad de transmisiones simultáneas. Otro ejemplo está en el campo crítico de la secuenciación genómica. Un cliente reciente de genómica de Xilinx descubrió que nuestro acelerador basado en FPGA brindaba la respuesta 90 veces más rápido que una CPU, lo que ayudaba a los investigadores médicos a analizar muestras de ADN en una fracción del tiempo que antes tomaba.

Acercar la computación a los datos

La segunda ventaja clave de los FPGA en un centro de datos componible es la capacidad de acercar la computación adaptable a los datos, ya sea en reposo o en movimiento. Los FPGA de Xilinx que se utilizan en los dispositivos de almacenamiento computacional SmartSSD aceleran funciones como la búsqueda de alta velocidad, el análisis, la compresión y el cifrado, que normalmente realiza una CPU. Esto ayuda a descargar la CPU para tareas más complejas, pero también reduce el tráfico entre la CPU y las SSD, lo que reduce el consumo de ancho de banda y reduce la latencia.

De manera similar, nuestros FPGA ahora se utilizan en SmartNIC como nuestro nuevo Alveo SN1000 para acelerar los datos en movimiento con procesamiento de paquetes a velocidad de cable, compresión y servicios de cifrado, así como la capacidad de adaptarse a los requisitos de conmutación personalizados para un centro de datos o cliente en particular.   

Tejido inteligente

Cuando combina la aceleración informática adaptable de una FPGA con conectividad de baja latencia, puede ir un paso más allá en el centro de datos componible. Puede asignar una carga de trabajo de computación pesada a un grupo de aceleradores que están interconectados por un tejido inteligente adaptable, creando una computadora de alto rendimiento bajo demanda.

Por supuesto, nada de esto es posible si no puede programar los aceleradores de cómputo, SmartSSD y SmartNIC con los algoritmos de aceleración óptimos, y luego aprovisionarlos en los números correctos para cada carga de trabajo. Para esa tarea, hemos creado una pila de software integral que aprovecha los marcos de la industria específicos del dominio como TensorFlow y FFMPEG, que funcionan en conjunto con nuestra plataforma de desarrollo Vitis. También vemos un papel para los marcos de aprovisionamiento de alto nivel como RedFish para ayudar con la asignación inteligente de recursos.

El futuro es ahora

La promesa del centro de datos componible es un cambio emocionante y los dispositivos Xilinx y las tarjetas aceleradoras son bloques de construcción clave para esta nueva arquitectura eficiente. Con una rápida reconfigurabilidad, baja latencia y una arquitectura flexible que puede adaptarse a cargas de trabajo cambiantes, Xilinx está bien posicionado para ser un actor importante en esta evolución.