Fpga tabanlı Ağ Yüksek Hızlı Veri Merkezleri için Paket İşleme

Modern veri merkezleri, küresel dijital ekonominin sinir sistemini, bulut hizmetlerini, akış platformlarını, finansal ticaret sistemlerini ve yapay zeka iş yüklerini yapılandırır.Bu tesislerdeki doğu-batı trafiğinin hacmi, yıllık bir oranda %25'in üzerinde büyüyor, mikro hizmet mimarlıkları, gerçek zamanlı analitik ve kurumsal uygulamaları çok daha genişleyen bir sistemle yeniden yapılandırmaya olanak sağlıyor.

Network Workloads için FPGA Mimarisini Anlayın

Bir FPGA, bir silikon bloklarından oluşan entegre bir devredir, dijital sinyal işleme (DSP) dilimler, RAM ve yüksek çözünürlükli serileştirici/düşükümlü sistemler (SerDes) transceiversiyonel, sabit bir talimat setleri ile bağlantılı olarak, bir FPGA sistemi, otomatik olarak sabit bir şekilde ayarlanmış bir veri kümesini tanımlamak için otomatik olarak otomatik olarak ayarlayabilir.

Memory Hierarchy ve On-Chip Kaynaklar

FPGAs, FIFO'lar, önbellekler ve içerikli hafızalar için kritik bir bağlantı sunar.Daha büyük pencerelere entegre edilmiş bir paket için yüksek çözünürlükte (HBM2) geniş bantlara monte edilebilir bir şekilde erişim sağlar.

FPGA-Based Packet Processing için Vaka

Veri merkezi operatörleri, ağ performansını üç kritik lens aracılığıyla ölçtü: Doğrulanmış, geç kalmış bir şifreyi tüketecek olan bir görev, FPGA aracılığıyla doğrudan şarj edilebilir ve genellikle 50-300 nanosaniye kadar, hattın sabit bir şekilde dağıtılması gibi karmaşık işlemleri gerçekleştirmek için daha düşük maliyetli bir şekilde kullanılabilir.

Çiğ performans ötesinde, FPGA'ların yeniden programlanabilirliği, genellikle ağ standartlarının kesme kenarlarında çalışan bir gelecekteki organizasyonlar için - 5G kullanıcı arayüzü işlevlerini (UPF) veya özel hesaplamalar -FPGA'lar, hızlı bir şekilde programlanabilir ve sürekli inovasyon döngüleri ile desteklenebilir.

Core Packet Processing Functions Accelerated by FPGAs

Modern bir ağ işlemcisi, birçok iş hakkında geniş bir portföyle çalışmalıdır. FPGAs aşağıdaki işlevlerin karşısındaki proweslerini göstermiştir:

Packet Parsing ve Header Ekstraksiyon

Herhangi bir boru hattında ilk aşama, protokol tabakalarını tanımlamak, MAC adreslerini, IP tuples, VLAN etiketleri ve MPLS etiketleri ile ve opsiyonel olarak silinen tuzakları tanımlamaktır. Devlet-of-theart ⁇ s destek, IPv4 seçenekleri veya MPLS'den üretilen şişeleri otomatik olarak ele geçirebilmeli.

Akış sınıflandırması ve Bakup

Exactmatch veya en uzun ek-kuş aramaları, uzun süreli akış girişlerini devre dışı bırakmak için temeldir. FPGAs, yazılım yönlendiricilerinde büyük bir şişe cihazı uygular (TCAM) önbellek bloklarını kullanarak geçiş yapar. FPGA- bazlı görünüm motorları, çoklu bağımsız masaları desteklemek için bölmeye olanak sağlar.

Deep Packet Muayenesi ve Düzenli Expression Eşleşme

Güvenlik cihazları ve yük dengesi genellikle Katman 4 FPGA'ların ötesindeki maaşları denetlemek için ihtiyaç duyar, paralel olarak binlerce düzenli ifade motorlarını aynı anda birden fazla paketle taranır ve aynı anda baş eşleşen yazılım regex kütüphaneleri gibi karmaşık kalıpların üzerinden 100 Gbps'ye ulaşır. Örneğin, tek bir Xilinx Virtex UltraScale+ FPGA, önleme ve uygulama duvarı üzerinden iletişim kurmak için kritiktir.

Şifreleme ve Kimlik Doğrulama

Donanım tabanlı AES-GCM motorları FPGA kumaşı içindeki hızları şifreleyebilir veya şifrelenebilir ve çoklu çekirdekler, AES için sertleştirilmiş kripto hızlandırıcıları içerir.For TLS 1.3 inline out, ve RSA, onları IPsec VPN-line parolaları için uygun hale getirebilir ve hatta entegre kriptografik bloklar veya yumuşak işlemciler ile şifrelenebilir.

Hizmetin Trafik ve Kalitesi

Hierarchical token kova algoritmaları, ağırlama adil bir şekilde queuing ve hassas zaman aralığı 400 Gbps'de hassas ağ (TSN) tüm FPGA mantığında uygulanabilir, her müşterinin trafiğinin izole edilmesi için veri merkezlerinin izin verilen çoklu kullanımlar için özellikle önemlidir.

Sanal Anahtarlama ve Overlay Offload

Sanallaştırılmış ortamlarda, Open v Transition gibi yazılım sanal anahtarlar, Microsoft'un FPGA'ların tüm aşırı işlemden tasarruf sağlayabilir -VXLAN, Geneve, GENEVE aynı FPGA, uygulama iş yükleri için ücretsiz olarak kullanılabilir. Microsoft'un Azure'daki FPGA'nın dağıtımını devre dışı bırakabilir ve aşırı sağlanmış veri akışında% 40'a kadar etkili bir şekilde artırmak için ağlayabilir.

InNetwork Telemetri ve İzleme

Modern veri merkezleri ağ sağlığına gerçek zamanlı görünürlük gerektirir. FPGA'lar, kanal ağ telemetri (INT) başlıklarına eklenerek, geç dağıtım dağıtımlarını toplayın ve mikroburstleri önceden kontrol etmeden algılamayı sağlar. FPGA kumaşı, FPGA'ya inşa edilen per-packet istatistiklerine izin verir.

Data Center Fabric'e Entegrasyon

FPGAs, veri merkezi ağ topolojisinde çeşitli noktalarda, her biri farklı entegrasyon sorunları ve faydaları ile dağıtılabilir.

FPGA SmartNICs

programlanabilir bir akıllıNIC olarak, bir FPGA kartı bir sunucunun PCIe slotunu oturtup birincil ağ arayüzü olarak hareket eder ve Xeon CPUs'ları tamamen veri uçaktan ücretsiz olarak programlanır. Bugün, Xilinx (Alveo) gibi satıcılar tarafından popülerleştirildi ve bu yüzden HTC'nin sanallaştırması için 200 Gbps'ye kadar entegre edilebilir.

In-Ray FPGA Modülleri

Başka bir dağıtım modeli pozisyonları FPGA tabanlı satır kartları üst düzey veya omurga anahtarlarında, ASIC ile birlikte özel olarak ileri sürülen uçak mantığını etkinleştirin. Bu yapılandırmada, FPGA modüllerini kabul edebilir ve değiştirebilir, bir anahtarlama veya bant ağmetrisi (INT) gibi - bu yaklaşım, modern ofisler arasındaki adaptasyon protokolünin gerektirdiği merkez ofislerde kalır.

Standalone Middleboxes and Instrument Together

FPGA'lar ayrıca yük dengeleme, güvenlik duvarı veya DDoS mitigation gibi özel hizmetler için bir orta kutu olarak işlev görür. Çünkü FPGA, per-flow durumunu koruyabilir ve sabit dönüşümleri tamamen donanıma sokabilir.

Boşluklı Altyapı ve DPU Convergence

En son trend, FPGA'ların veri işleme birimlerine (DPUs) veya altyapı işleme birimleri (IPUs) entegre edilmesi, NVMe kontrolör fonksiyonlarını ve özel paket işlemesini içeren bir platform içerir.

Gerçek Dünya İşbirlikleri ve Proven Etkisi

Intel Arria 10 FPGA'nın her sunucudaki ağ, SDN sanal geçişini hızlandırıyor, depolama disaggregasyonunu ve makine öğreniminin devam ettiğini gösteriyor.

Finansal endüstride, firmalar FPGA bazlı yem eller ve sipariş giriş ağ geçidini bu işlem piyasa verilerini 1 mikrosaniye altında, rekabetçi algoritmalar ticaret için bir zorunluluktur.Seksa ve Arista gibi şirketler, çoklu yemleri idare eden FPGA-accelal piyasa ürünleri, sipariş kitapları ve risk kontrollerini hattında kontrol eder.For latency-asikrosan ticaret, her nanosaniye sayar ve FPGA'nin tek başına işlem için uygun yolu sunar.

Telekomünikasyonda, 5G sanallaştırılmış RAN ve UPF dağıtımları, 25-Gbps eCPRI akışları ve GTP-U paketlerini ileriye taşımak için Intel'in FPGA-accel 5G ana ağlarını kullanarak, milyonlarca kullanıcı oturumunu gerçek zamanlı veri tabanı işleme ve ağ hattı için kullanarak gerçekleştirdi.

Amazon Web Services, fiziksel donanım olmadan özel hızlandırıcıları dağıtmalarına izin verdi.Politikada büyük değerli mağaza yönlendirmesine benzer şekilde FPGA hızlarını ve ağ yüklerinin yüksek çözünürlükte olduğu gibi, 3-5x Ultrascale+ FPGA'ye daha iyi bir çalışma yüklerinin oranına sahip olmak için bulutta hızlanan bir şekilde dağıtıldı.

Akademik ve şirket araştırmaları, a)Ücretsiz uzmanlara erişilebilir olan FPGA paketi işlemesi gibi, Stanford'un NetFPGA projesi ve Cambridge Üniversitesi'nin açık kaynaklarından 100G NIC) de programlanmış olan yüksek seviyeli bir ağ dili ile programlanmış, donanım uzmanlarına erişilebilir hale getirilmiş olan geliştiriciler için FPGA paketi işlemesi.

Geliştirme meydanları ve Evolving Tooling Landscape

Avantajlarına rağmen, FPGA tasarımlarını anlamak ve modellemek için geleneksel gelişim akışları gerekli bir verilog veya VHDL ve zamanlaması anlayışına sahip olmak, böylece kapanış ve en iyi şekilde optimize etmek için FPGA tasarımının bir araya getirilmesi zor kabul edildi.Ayrıca, büyük bir FPGA tasarımı için derleme döngüsü saatlerce sürebilir.

Endüstri yeni bir araç nesli ile yanıt verdi. Yüksek seviyeli sentez (HLS), C++ veya SystemC'de donanım borularını tanımlamak ve bu kütüphaneler, RTL. Xilinx'in Vitis birleşik yazılım platformu ve Intel'in bir API'si, ortak paket işleme işlemleri için önceden inşa edilmiş fonksiyonları sunuyor, örneğin kontroller için donanım hatları, DMA motorlar ve TCP kapalı yükleri için kullanılan yüksek çözünürlükte kullanılan bir şekilde ayarlayabiliyor.

Doğrulama tarafında, yazılım simülatörünin kombinasyonu, donanım odaklı mühendisler için bariyeri daha da azaltır, örneğin Xilinx'in Docker'deki Vitis'i, dağıtımdan önce düzeltme tekniklerini sağlar. Bazı takımlar şimdi kocotb veya UVM'yi test etmek için Python ile birlikte, özellikle de yüksek bir öğrenme eğriliği oluşturmak için, yüksek performanslı bir veri tasarımı için bariyeri daha düşükken - özellikle de rekabetçi bir ağ geliştirme ortamları için, yetenekli bir ağ geliştirme süresi içinde gelişmiştir.

Future Trends: In-Network Computing and Machine Learning

Veri merkezi ağdaki FPGA'ların rolü, uçanlara doğru doğru düzgün bir şekilde paketlenmenin ötesinde hareket ediyor veya ağ içinde doğrudan değerlendirilmiş anahtarlamaları kullanarak ağdaki yüksek çözünürlükte bir şekilde dağıtılabilir.Bu paradigmayı, genellikle “akıllı bilgisayar bilişim” veya “c ⁇ depolama” olarak anlayabiliyor: veri hareketini ve uygulama performansını dramatik bir şekilde azaltacak şekilde azaltacak bir şekilde azaltacak. Örneğin, 100gg Gbps FPGA tabanlı bir eğitim modellerinden oluşan bir geçiş için 100ggi gerçekleştirebilir.

Makine öğrenimi aynı zamanda FPGA paketi işleme hatlarına da gömülüdür. Anomaly algılama motorları FPGA robot ağları veya karar ağaçları FPGA kumaşında uygulanan ölçüm sistemleri, mikro hizmet ağ hataları veya uygulama-katılımları tüm telemetri verilerini merkezileştirilmiş bir analitik kümeye göndermeden önce giriş yapar. FPGA dostu binarized sinir ağları (BNNs) ve küçük makine öğrenimi (TinyML) pilotları, paket-bilitesi 400 Gbps'de paketleme işlemi mümkün hale gelir.Bu yetenek, bir ilk kez tepki veren bir mikropişmanlıktaya dönüşen bir kart haline getirmesini sağlar.

Başka bir önemli yörünge, FPGA'ların füzyonu programlanabilir geçiş ile FPGA'lar. P4Runtime gibi protokollerin hem de ek bir FPGA'nın bir araya gelmesi, karma veri uçaklarının birleşik yönetimine izin vermek, gerçekten de kullanılabilir bir donanım veri merkezine daha yakın hale getirebiliriz.

Overcoming Impion Hurdles

Teknik değer açık olsa da, organizasyon engelleri güç ve sunucu tasarrufu nedeniyle ölçeklenebilir. 48-port 100G geçişi için ilk sermaye harcaması, FPGA yönetimleri için $2,000-5,000 $ 'a mal oluyor, ancak standart bir NIC $ 500-1.000 $ değerindeki birçok CPU çekirdeğinin değiştirilmesi ve güç tüketiminin azaltılması için, sunucu başına 12-200 watt ödeme yaparak, büyük bir dağıtım sistemlerinden daha fazla ödeme yapabilir.

Standartlaştırma çabaları da yardımcı oluyor. Open Compute Project (OCP), OCP Hızlandırıcı Modül (OAM) ve FPGA kümeleri için uygun hale getirmek için standart form faktörlerini belirledi. Bu standartlarda entegrasyon ve çok değerli kaynaklama. OAM formu faktörü, Xlin'in yeni şarj cihazına ek olarak Xlin'in taşınabilir iletişimine eklediği gibi, Xlin'in taşınabilir iletişimine uygun hale getirilmesi için daha kolay bir şekilde ayarlanmış.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

FPGA tabanlı ağ paketi işleme artık egzotik bir niş değil, ancak akıllı kuruluşlardan bulut FPGA hizmetlerine kadar değişen hiper ölçekli ve işletme veri merkezlerinin ana bileşeni olan, giriş yapmadan önce, anahtarlamalı kumaşlar ile hızlı bir şekilde entegrasyon ve ağ trafiğini ele almak için kritik olan hesaplamalar.