מיקרו-מעבדים בסביבת וירטואליזציה: אופטימיזציה עבור מחשוב ענן

מיקרומעבדים משמשים כמנועי מרכזי המניעים את הביצועים והיעילות של סביבות וירטואליזציה, אשר תחת בסיס כמעט כל תשתית מחשוב ענן מודרנית מחשוב ענן. כמו ארגונים ממשיכים להגר עומסי עבודה קריטיים למשימה, פרטיים ועננים היברידיים, הברירה והאופטימיזציה של המיקרו-מעבדים הבאים הפכו להיות מכריעים להשגת תכונות אבטחה גבוהות, שקיפות נמוכה ואבטחה חזקה.

התפקיד של Microprocessors בVirtualization

בסביבה וירטואלית, שרת פיזי יחיד מארח מספר מכונות וירטואליות, כל אחד מפעיל את מערכת ההפעלה האורחים שלו ואת ערערת היישום. המיקרומעבד אחראי על הקצאת זמן CPU, גישה זיכרון, ו- I /O פעולות ל-VMs אלה תוך שמירה על בידוד חזק ביניהם. ניהול משאבים זה מתואמת על ידי היפר-בידור (או מחשב וירטואלי), אשר יושב ישירות על החומרה או כשכבה מעל מערכת ההפעלה ביעילות.

וירטואליזציה מסורתית המבוססת על תוכנה דרשה תרגום בינארי ו para-Vitualization כדי להתמודד עם הוראות חסויות, אשר הציגה עונשים ביצועים. מודרני x86 מעבדים (Intel ו- AMD) הציגו הרחבות חומרה ייעודיות המאפשרות את ההיפרטור לנהל מערכות הפעלה אורחות ללא הבחנה, עם ביצועים כמעט-native.

Hypervisor אינטראקציה עם תכונות מעבד

Hypervisor משתמש ביכולות מעבד כדי לנהל וירטואליזציה זיכרון באמצעות יחידת ניהול זיכרון (MMU) תרגום השני של כתובת רמה (SLAT), הידוע בשם Extended Page Tables (EPT) על אינטל ו-NPT (NPT) ב- AMD, מאפשר היפרביטור לשמור על שולחנות דף עבור כתובות פיזיות אורח ללא התערבות.חומרה זו מפחיתה את מספר היציאה אשר תתרחש אחרת במהלך טבלאות, שיפור משמעותי של זיכרון / אוטציה (Oloads) באופן דומה עם פונקציות הפעלה הפעלה הפעלה הפעלה הפעלה ישירה.

עבור סביבות ענן מרובות-נטנסיות, מספר ליבות וחוטים משפיע ישירות על יחסי העצירה. מעבדים עם ספירות ליבה גבוהות - כגון Intel Xeon Scalable עם עד 56 ליבות לכל שקע או AMD EPYC מגיע 128 ליבות - מאפשר לספקי שירות לארח יותר VMs לשרת, צמצום טביעת רגל וחומרי אנרגיה.

תכונות עיקריות עבור אופטימיזציה וירטואלית

בחירת מיקרומעבד מותאם לחדשנות כוללת הערכה של מספר תכונות ארכיטקטוניות קריטיות.התכונות הבאות יש את ההשפעה הגדולה ביותר על ביצועי עומס ענן ויעילות תפעולית.

מספר רב של Cores ו-SMT (SMT)

ספירות ליבה גבוהות הן הבסיס של צפיפות וירטואליזציה.כל ליבה פיזית ניתן להציג כ-VCPU מרובים, ועם SMT (טלפון Hyper-Thread) או ריבוי ה-II של AMD, כל הליבה יכולה לבצע שני חוטים במקביל.זה למעשה מכפיל את מספר המעבדים הלוגיים הזמינים ל- CMT עם יעילות גבוהה יותר, אך ורקמות עבודה אחת, עם יעילות גבוהה, עם הגדרות עבודה.

תמיכה וירטואלית

Intel VT-x ו- AMD-V אינם ניתנים להשגה עבור כל פריסת וירטואליזציה מודרנית. הרחבות אלה מאפשרות להיפר-בידור להפעיל VMs בהקשר של הוצאה להורג נפרדת, טיפול בהוראות מיוחסות בסיוע חומרה.בנוסף, הן תומךות וירטואליזציה מזוננת, שבו היפר-בידור יכול לרוץ בתוך VM - חיוני לעננים מרובים-נטנטים המציעים VMs או מכולות-Vware, גם מנטרולציה.

היררכיה גדולה של Cache Hierarchies

זיכרון Cache מקטין את הבדל השקיפות בין מהירות המעבד ורוחב הפס זיכרון עיקרי. בסביבות וירטואליות, מספר VMs להתחרות על שטח cache, ולכן גדול רמה Cache (LLC) הוא מועיל.מעבדים של Xeon Scalable של אינטל כולל עד 1.125 MB של L3 cache לכל הליבה, בעוד AMD משתמש עיצוב שבב מודולרי יקר עם L3 peraches משותף של טכנולוגיות Cluster (T) למנוע עבודה משולבת (D) כגון cten V.

תכונות אבטחה: בידוד ואבטחה מחשוב

אבטחה בעננים רב-גבוהים היא קריטית.מיקרו-מעבדים כוללים כיום תכונות אבטחה מבוססות חומרה המחזקות את בידוד בין VMs והגנת נתונים בשימוש.

• (FLT:0)Intel Trusted Execution Technology (TXTigtureFLT) מספק מנגנון של עדות מבוסס חומרה המבטיח את ההיפרטור והשחקה לא ננעלו עם, הקמת שרשרת מנעולים נמדדת.
• (FLT:0)AMD Secure Encryptization (SEV)BuildFLT) 1 מצפין את הזיכרון של כל VM עם מפתח ייחודי, כך גם ההיפרטור אינו יכול לגשת לנתונים של VM. ה- AMD SEV-SNP האחרון (סעיף חטוף) מוסיף הגנה על מהימנות ואימות שולחן מקונן.
• (ב) [13] [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

תכונות אבטחה חומרה אלה דורשות יותר ויותר על ידי תעשיות מוסדרות כגון מימון, בריאות וממשל, שבו סודיות נתונים אינה ניתנת להשגה.

אופטימיזציה של מיקרו-מעבדים עבור Cloud Computing Workloads

מעבר למבחר האדריכלי, אופטימיזציה מיקרומעבדים עבור מחשוב ענן דורשת התאמה של תצורות שרת פיזיות עם פרופילים עומסי עבודה.מודלים שונים של פריסת ענן - IaaS, PaaS, SaaS - וסוגים של עומס עבודה (רגישים, זיכרון כבד, I/O-bound) דורשים אסטרטגיות אופטימיזציה נפרדות.

עבודה עומס-Aware Processor Selection

עבור מקרים ענן למטרות כלליות, מעבדים עם ספירות ליבה מאוזנות, מהירויות שעון בינוניות, ו- cachemple מציעים את היחס הטוב ביותר לביצועים עלות ביצועים גבוהים (HPC) או משימות עיבוד אצווה, מהירויות שעון גבוהות יותר ו caches גדולים יותר חשובים יותר מאשר ספירת הליבה עצמה. מעבדי EPYC של AMD, למשל, לספק 8 נתיבי PCIe 5 לכל שקע, מה שהופך אותם אידיאלי עבור IO-Fensics Active C-Tine (יכולים) כדי להרחיב את המעבדים של Microsoft (באמצעות תמיכה ב-C מופעלתמפרקים) או תמיכה ב-C.

אנרגיה יעילה במרכזי נתונים

צריכת חשמל היא עלות תפעולית עיקרית עבור ספקי ענן.מעבדים יש לייעל לא רק עבור ביצועים אלא גם עבור ביצועים-per-וואט. מעבדים מודרניים מציעים דרוג תדר דינמי (איטל טורבו, AMD Precision Boost), המאפשר ליבות לרוץ במהירויות גבוהות יותר כאשר חדר ראש תרמי קיים.עם זאת, בסביבה וירטואלית, הפעלת כל ליבות במקסימום יכול לעלות על תקציבי חשמל וקיבולת קירור כגון פונקציות אבטחה מתקדמת של AMD (DIC) כדי להתאים ל-EP עבודה יעילות אבטחה מתקדמת (DIP) כדי להתאים יעילות אבטחה מתקדמת)

בנוסף, חיסכון באנרגיה הוא קריטי כי שרתים וירטואליים לעתים קרובות לרוץ ברמות ניצול בינוני (30-50%) תכונות כמו אינטל C-states ו- CC6 של AMD מאפשרים ליבות בודדות לכבות כאשר לא בשימוש, צמצום של כוח הכולל.ספקי ענן צריכים למדוד את עומסי העבודה הספציפיים שלהם כדי לקבוע את הניתוק המסחר האופטימלי בין היענות לחיסכון באנרגיה.

NUMA-Aware Resource Allocation

מעבדי שרת מודרניים מאורגנים בדומיינים NUMA, שבו לכל מעבד מעבד יש בקר זיכרון משלו וחריצים זיכרון. Accessing זיכרון משקע מרוחק עולה על עקביות נוספת (עונשים NUMA) בVirtation, הקצאת VCPUs ו- VM זיכרון של אותו NUMA לא משתפר.

השוואות ל-microprocessor Architecture for Cloud Deployments

שני המוכרים המובילים x86, אינטל ו- AMD, מציעים ארכיטקטורות נפרדות המותאמות ל-Virtualization.אדריכלי ענן צריכים להעריך את דרישותיהם הספציפיות נגד הבדלים אלה.

אינטל Xeon Scalable (4th Gen and Newer)

• (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ,0) זיכרון: ⁇ 1 (מסמך) תמיכה ב-DDR5 וב- Intel Optane Persistent Memory (מוגבל).
• (ב) ,0) וירטואליזציה של מאיצים: אנדרל 1 (IBt VT-x, EPT, VT-d, ו- Intel VT-rp (החינוך מחדש של PCIe enumeration Overhead).
• (FLT:0) סודיות: 1.10LT:1 (אינטל TDX, Intel Trusted Platformמודול (fTPM) אינטגרציה, ו- Intel Platformware Resilience.
• אינטגרציה:0 (AI/MLOVA: 1FLT) 1 מרחיבה את המטריקס המתקדם של אינטל (AMX) עבור פעולות Tensor, לטובת VMs הפעלת אי-שוויון בינה מלאכותית.

AMD EPYC (4th Gen "Genoa" וחדש יותר)

• (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• [01:0] מזכר: 12 ערוצי זיכרון לכל cket התומכים ב-DDR5-4800, רוחב פס גבוה יותר מאשר אינטל.
• (FLT:0) וירטואליזציה של מאיצים: אנדרל 1 (Dyph:1) AMD-V, NPT, AMD-Virtualization accelerators:
• (FLT:0) סודיות: 1.10LT 1 AMD SEV-SNP, מעבד מאובטח ו- AMD Infinity Guard (en crred Memoryblock).
• (FLT:0)IO:veFLT:1 128 PCIe 5 נתיבים לכל שקע, המאפשר אחסון גבוה NVMe ו- GPU וירטואליזציה.

שני האדריכלות תומכים בתכונות כמו הגירה חיה, SR-IOV (Single Root I / O Virtualization), ומודולים פלטפורמה וירטואלית מהימן (vTPM) ביצועים בעומסי עבודה נורמטיביים בענן (למשל, Web Serve, עסקאות מסד נתונים, וידאו ⁇ ) לעתים קרובות להראות AMD EPYC המוביל בדחיסות הליבה ובפסת זיכרון, בעוד אינטל עשויה להצטיין בתדירות גבוהה ומפעילה מיוחדת כגון טכנולוגיות מהירות.

מגמות מתפתחות: ARM, RISC-V ו- Accelerators מיוחדים

בעוד x86 נשאר דומיננטי, מעבדים מבוססי ARM צוברים מתחמי מחשוב בענן, במיוחד עבור סוגים מסוימים של מקרים יעילים אנרגיה.מעבדי Graviton של AWS (מבוססים על אדריכלות ARM) מציעים עד 40% ביצועים טובים יותר - וואט עבור עומסי עבודה מסוימים.מעבדים ARM משלבים הרחבות וירטואליות (ARM Virtualization הרחבה, אל2 פריווילגיות) המאפשרות כמו KVMmoding תכונות מתקדמות של אבטחה.

RISC-V, ISA פתוחה, עדיין נטויה ב וירטואליזציה בענן, אך מראה הבטחה לעיצובים ASIC מותאם אישית. הרחבות מודולריות שלה מאפשרות הוספת פרימיטיבי אבטחה או הוראות מותאמות אישית לבידוד מכולות.

מאיצים מיוחדים כגון GPUs (NVIDIA CUDA, AMD ROCm), FPGAs (Intel / Altera, AMD / Xilinx), ו- AI ASICs (Google TPU, Intel Habana) משולבים יותר ויותר לתוך סביבות וירטואליות כגון Nvidia vGPU, AMD MxGPU, ו-R-R-A-V-i-i-D-D-R, אשר דורשות פעילות משולבת עם מגוון רחב של חומרים גמישים של תאים עבור נוגדנים עצמיים עם מעבדים עם מעבדים עם מעבדים עם מעבדים עם מעבדים עם מעבדים עם מעבדים מרובים של מעבדים עם מעבדים של מעבדים ניידים עם מעבדים עם מעבדים ניידים עם מעבדים מרובים של מעבדים עם נוגדנים ו-CV.

המלצות מעשיות לאופטימיזציה של מיקרו-מעבדים בVirtualization

בהתבסס על השיקולים הטכניים לעיל, אדריכלים בענן ומנהלי המערכת יכולים לנקוט בצעדים הבאים כדי לייעל את ביצועי המעבד בסביבות וירטואליות:

1. (FLT:0)Benchmark הביצועים של עומס העבודה שלך FLT:1) באמצעות נציג VMs עם הגדרות מעבד שונות (ספירת הליבה, תדירות, גודל מטמון) כלים כגון SPECvirt, VMmark, או Phoronix Test Suite יכול לספק נתונים השוואתיים.
2. (FLT:0) ניתן לכל תכונות וירטואליזציה של חומרה 1FLT:1 ב-BIOS /UEFI, כולל VT-x/AMD-V, VT-d/AMD-Vi ו- SLAT (EPT/NPT) לוודא כי אופטימיזציה ספציפיים היפר-בידור (למשל, התכונה "הרדיקל וירטואליזציה" של VMware) הם פעילים.
3. (FLT:0) חיוני VMs כדי להקדש ליבות ⁇ FLT:1 כדי להימנע משביעות רצון מטמון. השתמש באפיינות CPU ו NUMA המחייבת את Hypervisor (KVM) או באמצעות בריכות (vSphere).
4. (FLT:0) מוניטור ולנהל את מדינות הכוח 1FLT:1) באמצעות טכנולוגיות כגון Intel SST-PP (פרופיל פורמלי) או ניהול כוח אדריכלות האינסוף של AMD. הגדר גבולות של מדינה כדי לאזן את ההיענות והחיסכון באנרגיה.
5. (FLT:0) ,Cachement וזיכרון QoSentiFLT:1) באמצעות אינטל RDT (Cache Allocation Technology) או ניהול הזיכרון של AMD (MBM) כדי למנוע השפעות שכנות רועשות בסביבות מרובות-נטנסיכות.
6. (FLT:0)Consider חסוי אפשרויות מחשוב FLT:1ir עבור עומסי עבודה רגישים. Enable Intel TDX או AMD SEV-SNP בהיפר-בידור והקצה אזורי מכונה מוגנים על ידי חומרה.
7. (FLT:0) להעריך את העלות הכוללת של בעלות עלות ההרחבה 1 (TCO) למשפחות מעבד שונות, תוך גרימת עלויות שרת לא רק אלא גם כוח, קירור, רישוי תוכנה (רישיון של מספר-core למאגרי מידע או היפר-בידורטורים), ויחסי קונסולה צפויים.
8. (FLT:0) הישארו נוכחיים עם העדכונים קושחה ומיקרוקוד 1FIRLT:1), כאשר ספקים משחררים משככי אבטחה ותיקונים ביצועים (למשל, עבור גרסאות Spectre / mltdown) עדכונים אלה עשויים להשפיע על ביצועי CPU ויש לבחון בסביבות וירטואליות.

מקרה מחקר: הגירה של ספק ענן לVirtualization High-Density

כדי להמחיש את ההשפעה של אופטימיזציה למעבדים, לשקול ספק ענן בינוני פועל הצעה ציבורית IaaS. בתחילה באמצעות מעבדי Intel Xeon Goldlake, הם נתקלו בעלויות גבוהות יותר של שרת ענן ודחיסות VM מוגבלת. על ידי הגירה ל- AMD EPYC 9654 (96 ליבות לשקע מוסדר), הם השיגו עלייה של 2.5x ב-VM ליחידת rack, תוך צמצום צריכת החשמל על ידי 30% כדי יישום יעיל יותר של מעבדי תיבות של AMD.

• לעבור מ 1-socket לשרתי 2-socket עם EPYC, איזון ספירת הליבה עם ערוצי זיכרון.
• באמצעות NUMA אוטומטי-balancing עם pinning מותאם אישית עבור כל גודל של מקרה כדי למנוע גישה מרחוק זיכרון.
• איסוף פרופילי כוח לשימוש "ביצועים מקסימום" רק למקרים מותאמים, תוך שימוש ב"מראית עין" למשפחות משפחתיות, המיועדות לזיכרון.
• מיפוי תכונות דמויות Intel RDT? (EPYC משתמש רוחב הפס של זיכרון של AMD ו- cache QoS באמצעות הגדרות BIOS).

ההגירה הביאה לירידה של 40% בעלויות הכוללות למכונה וירטואלית, מה שמאפשר לספק להוריד מחירים תוך שמירה על שוליות.

מסקנה

(התייעלות של מיקרו-מעבדים לסביבות וירטואליות היא אתגר מתמשך ורב-ממדי, המשפיע ישירות על הסקאלה, האבטחה והכלכלה של מחשוב ענן (Mclements for cloud-V) מתכונות ארכיטקטוניות הליבה כגון ליבות מרובות, הרחבות חומרה וקביעות גדולות לאדריכלות מתקדמת כמו NUMFS, ניהול אנרגיה ו-Visual Management, כל מעבד חייב להיות תואמים בקפידה עם דרישות עומס עבודה ויכולות היפר-ביאו-או-או-או-תרגול יעילות.