O Futuro da Computação Adaptável: O Data Center Composable

Esta postagem do blog foi extraída da apresentação principal de Salil Raje, EVP e GM Xilinx Data Center Group, realizada em 24 de março de 2021, no Xilinx Adapt: ​​Data Center. Para ver a palestra de Salil sob demanda, juntamente com uma grande lista de apresentações de especialistas do setor, você pode cadastre-se e veja o conteúdo aqui.

A maioria de nós ainda está se reunindo com nossos colegas de trabalho por videoconferência on-line após a mudança de paradigma causada pela pandemia do COVID-19. Você provavelmente não está pensando muito no que é preciso para transmitir todo o conteúdo e feeds de suas reuniões. Mas se você é um operador de data center, provavelmente não dormiu muito no ano passado se preocupando em como lidar com o aumento pandêmico sem precedentes no tráfego de vídeo.

Além disso, os data centers hoje em dia precisam lidar com uma explosão de dados não estruturados de uma ampla variedade de cargas de trabalho, como videoconferência, conteúdo de streaming, jogos online e comércio eletrônico. Muitos desses aplicativos são muito sensíveis à latência e também estão sujeitos a padrões em constante evolução para compactação, criptografia e arquiteturas de banco de dados.

Isso forçou os data centers a expandir sua infraestrutura para atender aos requisitos de desempenho e latência de uma variedade de cargas de trabalho exigentes, ao mesmo tempo em que tentavam minimizar o custo e o consumo de energia. Isso está se mostrando muito difícil e está forçando os operadores de data centers a repensar sua arquitetura atual e explorar novas configurações que são inerentemente mais escaláveis ​​e eficientes.

Atualmente, a maioria dos data centers possui racks com conjuntos fixos de recursos, combinando SSDs, CPUs e Aceleradores em um único servidor. Embora isso garanta uma conexão de alta largura de banda entre computação e armazenamento, é muito ineficiente em termos de utilização de recursos, pois há uma proporção fixa de armazenamento e computação em cada servidor. Como as cargas de trabalho exigem uma combinação diferente de computação e armazenamento, são deixadas ilhas de recursos não utilizados em cada servidor.

Infraestrutura Composable

Uma nova arquitetura está surgindo que promete fazer uma melhoria dramática na utilização de recursos. É conhecido como “infraestrutura composta”. Infraestrutura componível envolve dissociação recursos e, em vez disso, reuni-los e torná-los acessíveis de qualquer lugar. As infraestruturas compostas permitem o provisionamento de cargas de trabalho com a quantidade certa de recursos e a reconfiguração rápida por meio de software.

Uma arquitetura que pode ser composta com pools de CPUs, SSDS e aceleradores conectados em rede e controlados por uma estrutura de provisionamento baseada em padrões promete uma eficiência de recursos de data center muito melhor. Em tal arquitetura, diferentes cargas de trabalho podem ter diferentes requisitos de computação, armazenamento e aceleração, e esses recursos serão atribuídos de acordo com nenhum hardware desperdiçado. Tudo isso parece ótimo na teoria, mas na prática há um grande problema: latência.

O desafio da latência

À medida que você desagrega os recursos e os move para mais longe, você incorre em mais atrasos e largura de banda reduzida devido ao tráfego de rede entre CPUs e SSDs, ou entre CPUs e aceleradores. A menos que você tenha alguma maneira de reduzir o tráfego de rede e interconectar os recursos de maneira eficiente, isso pode ser severamente limitante. É aí que os FPGAs desempenham três papéis principais na solução do desafio da latência:

• Os FPGAs atuam como aceleradores adaptáveis ​​que podem ser personalizados para cada carga de trabalho para obter o máximo desempenho. 
• Os FPGAs também podem aproximar a computação dos dados, reduzindo assim a latência e minimizando a largura de banda necessária.
• A malha adaptável e inteligente de FPGAs permite o agrupamento eficiente de recursos sem incorrer em atrasos excessivos. 

Aceleração Adaptável

A primeira vantagem significativa dos aceleradores de computação baseados em FPGA é o desempenho dramaticamente aprimorado para cargas de trabalho que estão em alta demanda atualmente. Em casos de uso de transcodificação de vídeo para aplicativos de transmissão ao vivo, as soluções FPGA normalmente superam as CPUs x86 em 30 vezes, o que ajuda os operadores de data centers a atender ao enorme aumento no número de transmissões simultâneas. Outro exemplo está no campo crítico do sequenciamento genômico. Um cliente recente de genômica da Xilinx descobriu que nosso acelerador baseado em FPGA forneceu a resposta 90 vezes mais rápido que uma CPU, ajudando pesquisadores médicos a testar amostras de DNA em uma fração do tempo que levava antes.

Aproximando a computação dos dados

A segunda vantagem principal para FPGAs em um data center combinável é a capacidade de aproximar a computação adaptável dos dados, seja em repouso ou em movimento. Os FPGAs Xilinx usados ​​em dispositivos de armazenamento computacional SmartSSD aceleram funções como pesquisa em alta velocidade, análise, compactação e criptografia, que geralmente são executadas por uma CPU. Isso ajuda a descarregar a CPU para tarefas mais complexas, mas também reduz o tráfego entre a CPU e os SSDs, reduzindo assim o consumo de largura de banda e a latência.

Da mesma forma, nossos FPGAs agora são usados ​​em SmartNICs, como nosso novo Alveo SN1000, para acelerar dados em movimento com processamento de pacotes de velocidade de fio, compactação e serviços de criptografia, bem como a capacidade de se adaptar aos requisitos de comutação personalizados para um determinado centro de dados ou cliente.   

Tecido Inteligente

Ao combinar a aceleração computacional adaptável de um FPGA com conectividade de baixa latência, você pode dar um passo adiante no data center combinável. Você pode atribuir uma carga de trabalho de computação pesada a um cluster de aceleradores interconectados por uma malha inteligente adaptável – criando um computador de alto desempenho sob demanda.

É claro que nada disso é possível se você não puder programar os aceleradores de computação, SmartSSDs e SmartNICs com os algoritmos de aceleração ideais e provisioná-los nos números certos para cada carga de trabalho. Para essa tarefa, construímos uma pilha de software abrangente que aproveita estruturas específicas de domínio do setor, como TensorFlow e FFMPEG, que funcionam em conjunto com nossa plataforma de desenvolvimento Vitis. Também vemos uma função para estruturas de provisionamento de nível superior, como RedFish, para ajudar na alocação inteligente de recursos.

O futuro é agora

A promessa do data center combinável é uma mudança empolgante e os dispositivos Xilinx e placas aceleradoras são os principais blocos de construção dessa nova arquitetura eficiente. Com reconfigurabilidade rápida, baixa latência e uma arquitetura flexível que pode se adaptar às mudanças nas cargas de trabalho, a Xilinx está bem posicionada para ser um participante importante nessa evolução.