Sanallaştırma Ortamlarında Mikroişlemciler: Bulut Bilişimi için Optimiz

Mikroişlemciler, bilgisayar performansını ve sanallaştırma ortamlarını kullanan merkezi motorlar olarak hizmet eder, bu da neredeyse tüm modern bulut bilişim altyapıları altında. Organizasyonlar, sanal makineler arasında nasıl etkili bir şekilde paylaşıldığı, özel ve hibrit bulutlar, mikroişlemcilerin seçimi ve optimizasyonu, yüksek yoğunluk, düşük gecikmeli ve sağlam bir güvenlik sağlar.

Sanallaştırmada Mikroişlemcilerin Rolü

Sanallaştırılmış bir ortamda, tek bir fiziksel sunucu birden fazla sanal makineye ev sahipliği yapıyor, her biri kendi konuk işletim sistemini ve uygulama yığınına koşuyor. Mikroişman, tüm modülasyon CPU zamanlarından, bellekten ve I/OCPU'lara güçlü izolasyonu sürdürürken, bu kaynak yönetimi, doğrudan üst düzeye kadar olan hipervizör (veya sanal makine monitörü) ile kesintiye uğratmaktadır.

Geleneksel yazılım tabanlı sanallaştırma, hipervizörlerin misafir işletim sistemlerinin hassas bir şekilde çalışmasını sağlamak için gerekli olan ikili çeviri ve para-virtualization to handle privilege talimatları, which introduce performance sentences. Modern x86 işlemcis (Intel and AMD) hipervizör ve misafir olmayan VMs için özel bir donanım uzantıları tanıttı. misafirhaneye yakın bir şekilde çalışırken, otomatik olarak şarj edilen hipervizöre ve AMD-V-X-provide iki farklı işlem modlarını ortadan kaldırır: hipervizör için kök modu ve bir sanal makineyi devre dışı bırakma.

Hipervizör Süreçle Etkileşimli Özellikler

Hipervizör, hafıza sanallaştırmayı hafıza yönetim birimi aracılığıyla yönetmek için işlemci yeteneklerini kullanır (MMU). İkinci Seviye Adres Çevirisi (SLAT), Genişletilmiş Page Tables (EPT) Intel ve Nested Page Tables (NPT) ile birlikte, hipervizörlüğün yazılım müdahalesi olmadan sayfa masalarını tutmasını sağlar.Bu donanım hızlandırma masaları masaya sokmak için, aksi takdirde en az sayıdaki sefere bellek yoğun iş yüklerini artırmak için gerekli olan atamaları sağlar.

Çok katmanlı bulut ortamları için, temellerin ve ipliklerin sayısı doğrudan konsolidasyon oranlarına etkiler. Intel Xeon Scalable gibi yüksek çekirdekli hesaplamalar için, CPU veya AMD EPYC'ye 128 temel ulaşan - hizmet sağlayıcıların sunucu başına daha fazla VM'ye ulaşmasını sağlamak için daha fazla bağlantı kurmaları gerekir, donanım ayak izi ve enerji maliyetlerini azaltır.

Sanallaştırma Optimizasyonu için Anahtar Özellikler

Sanallaştırma için mikroişlemci optimize etmek, birkaç kritik mimari özelliği değerlendirmek içerir. Aşağıdaki özellikler bulut iş yükü performansı ve operasyonel verimlilik üzerinde en büyük etkiye sahiptir.

Birden Çok Cores ve Simultane Multithreading (SMT)

Yüksek çekirdekler sanallaştırma yoğunluklarının temelidir. Her fiziksel çekirdek, birden fazla vCPU olarak sunulur ve SMT (Intel Hyper-Thing) veya AMD'nin eşzamanlı olarak çok hazırlanmasıyla birlikte, her bir temel, iki parçayı bir araya getirir. ancak, CPU-bound iş için yüksek çözünürlükte SMT'ye sahip çalışma sayısı daha iyi bir şekilde iki katına çıkarılmalıdır.

Donanım Sanallaştırma Desteği

Intel VT-x ve AMD-V, herhangi bir modern sanallaştırma dağıtımını sunan herhangi bir modern sanallaştırma işlemi için kullanılamaz. Bu uzantılar hipervizör VM'leri ayrı bir uygulama ortamında çalıştırabilme, donanım yardımı ile ayrıcalıklı talimatları ele alma ve zamanlayıcı sanallaştırmayı desteklerler.

Büyük Öngüler

Cache hafıza, işlemci hızı ve ana bellek genişliği arasındaki geç farkını azaltır. Sanallaştırılmış ortamlarda, çok sayıda VM önbellek uzay için rekabet eder, bu yüzden Intel Resource Director Technology (RDT) gibi bölümlere giriş teknolojileri, diğerlerinden gelen yüksek çözünürlükte 1125 MB'ye kadar L3 önbellek atamasına izin verir.Bu özellikle de çok sayıda çekirdekli ortamlardaki L3 önbellekli bir bulutlu çalışma ortamı ile paylaşılan bir şekilde taşınabilir bir şekilde çalışır.

Güvenlik Özellikleri: Eksiklik ve Gizlilik

Çok katmanlı bulutlarda güvenlik kritiktir. Mikroişlemciler artık VM'ler arasındaki izolasyonu güçlendiren ve veriler kullanımında korumakta olan donanım temelli güvenlik özellikleri içerir.

Bu donanım güvenlik özellikleri, finans, sağlık ve hükümet gibi organize endüstriler tarafından giderek talep edilmektedir, veri gizliliğinin tartışılmaz olduğu yerde.

Bulut Bilişim İş Yükleri için Mikroişlemcileri İyileştirmek

Mimari seçiminin ötesinde, bulut bilişim için mikroişlemcileri optimize etmek, iş yük profilleriyle fiziksel sunucu yapılandırmasını gerektirir. Farklı bulut dağıtım modelleri -IaaS, PaaS, SaaS -ve iş yük türleri (kompute-i yoğun, hafıza-heavy, I/O-bound) farklı optimizasyon stratejileri talep eder.

İşload-Aware Processor Selection

Genel amaçlı bulut örnekleri için, dengeli çekirdek sayıları ile işlemciler, orta saat hızları ve bol önbellek en iyi maliyet performans oranını sunar. Yüksek performanslı hesaplama (HPC) veya toplu işleme görevleri için, yüksek saat hızları ve daha büyük önbellekleri, yüksek kodlu analizler için. Intel'in Xeon Scalable işlemcileri, bu yüzden onları I/O-performel depolama için ideal hale getirebilir.

Data Centers'larda Enerji Verimliliği

Power tüketimi, bulut sağlayıcıları için birincil operasyonel bir maliyettir. Süreçtörler sadece performans için değil, aynı zamanda performans için optimize edilmelidir. Modern işlemciler, Intel Speed Select ve EPYC'nin Infinity Architecture gibi dinamik frekans ölçeklendirme teknolojileri sunar ve bu da üst düzey bir hızda, yüksek hızda kontrol sağlar. ancak, yoğun bir sanallaştırma ortamında, tüm temel performans durumlarında (P-states) eşleme ve soğutma kapasitesinin arttırılmasına olanak sağlar.

Ayrıca, boş güç tasarrufu kritiktir, çünkü sanallaştırılmış sunucular genellikle profilli kullanım seviyelerinde (30-50%) çalıştırılır. Intel C-states ve AMD'nin CC6 durumu, bireysel temelleri kullanmadığında, genel güç çizimlerini azaltmayı sağlar. Cloud sağlayıcıları, en uygun ticaret yükünün yanıtlanması için belirli iş yüklerini karşılaştırmalıdır.

NUMA-Aware Resource Allocation

Modern sunucu işlemcileri NUMA domains'te düzenlenir, her işlemci soketinin kendi hafıza kontrol cihazı ve hafıza yuvaları vardır. uzak bir soketten gelen bellek ek gecikmeli (NUMA cezaları) sanallaştırmada, vCPU'lar ve VM hafızasını aynı NUMA node performansını sağlar. Hypervisors vSphere vSphere v.C VM, KVM ve Hyper-V, çok sayıda VM'ye sahip olmak için otomatik olarak depolamak için.

Mikroişlemci Mimari Bulut Deişlemleri için Karşılaştırma

İki baskın x86 satıcısı, Intel ve AMD, sanallaştırma için farklı mimariler sunar. Bulut mimarları bu farklılıklara karşı özel gereksinimleri değerlendirmelidirler.

Intel Xeon Scalable (4th Gen ve yenier)

AMD EPYC (4th Gen “Genoa” ve yeni)

Hem mimariler hem canlı göç, SR-IOV (Tek Kök I / O Sanallaştırma), hem de sanallaştırılmış güvenilir platform modülleri (vTPM) Bulut tabanlı iş yükleri (örneğin, Web hizmet, veritabanı işlemleri, video kodlama) genellikle AMDYC'ye liderlik ederken, Intel, şifreleme / baskı için hızlı Assist Teknoloji gibi yüksek frekanslı ve uzman hızlandırıcılar da yapabilir.

Gelişen Trendler: ARM, RISC-V ve Özelleştirilmiş Hızlandırıcılar

x86 baskın kalırken, ARM tabanlı işlemciler bulut bilişiminde traksiyon kazanıyor, özellikle enerji verimliliğine sahip örnek tipler için. AWS'nin Graviton işlemcileri ( ARM mimarisine dayalı) daha düşük güç zarfı için% 40 daha iyi performans sağlar. Sanallaştırma uzantıları ve konteynerleme ortamları dahil etmek için. ancak, bellekte anahtar farklar, KVM gibi hipervizörlerin bağımsız olarak değerlendirilmesine izin verir.

RISC-V, açık standart bir ISA, bulut sanallaştırmada hala çok daha fazla ama özel ASIC tasarımları için söz veriyor. modüler uzantıları, güvenlik ilkellerini veya konteyner izolasyonu için özel talimatları eklemeye izin veriyor. Ancak, ekosistem olgunluğu -toplama sistemi ve hipervizör desteği - birkaç yıl sonra ARM ve x86'nın arkasında.

GPUs (NVIDIA CUDA, AMD ROCm), FPGAs (Intel/Altera, AMD/Xilinx), ve AI ASICs (Google +380638588488, Intel Habana) bu hızlandırılmış ortamlara Nvidia vGPU, AMD MxGPU ve Intel RDT tabanlı iş yük yönetimi ile ilgili mikroişmanları, SR-IOVIC'ler için önemli ölçüde entegre etmek için gerekli olan mikroişmanları, bu hıza ve izolasyona sahip olan farklı sanal makineler arasında paylaşmak için gereklidir.

Sanallaştırmada Mikroişlemcilerin Optimi Edilmesi için Pratik Tavsiyeler

Yukarıdaki teknik düşüncelere dayanarak, bulut mimarları ve sistem yöneticileri, sanallaştırılmış ortamlarda işlemci performansını optimize etmek için aşağıdaki eylem adımları atabilir:

  1. [[0)Benchmark your workload performans [Dönetici VM’leri farklı işlemci konfigürasyonları ile (core count, frekansı, önbellek boyutu) kullanarak, SPECvirt, VMmark veya Phoronix Test Suite gibi araçlar karşılaştırmalı veriler sağlayabilir.
  2. [FONT:0] Tüm donanım sanallaştırma özellikleri [FONTT:1], VT-x/AMD-V, VT-d/AMD-Vi ve SLAT (EPT/NPT) hipervizöre özel optimizasyonların (örneğin, VMware’in “Hardware Virtualization” özelliği de dahil olmak üzere) aktif olmasını sağlar.
  3. [FONT=0]Pin kritik VM'ler, önbellek içeriğinden kaçınmak için için yedek parçaları ve NUMA bağlayıcısını hipervizör (VM) veya kaynak havuzları aracılığıyla kullanın (vSphere).
  4. [FONT=0) Güç devletlerini kontrol edin ve yönetir[Dönetici:0) Intel SST-PP (Performance Profile) veya AMD Infinity Architecture güç yönetimi gibi teknolojileri kullanarak. P-state sınırları dengeleme ve enerji tasarrufu için ayarlar.
  5. [FONT:0)Implement cache and memory QoS), Intel RDT (Cache Allocation Technology) veya AMD'nin Memory Band geniş yönetim (MBM) çok katmanlı ortamlardaki gürültülü komşu etkilerini önlemek için.
  6. [FONT=0]Bağlantılı iş yükleri için gizli bilgisayar seçenekleri[Döneticileri için pdf) . Enable Intel TDX veya AMD SEV-SNP, hipervizör ve tümocate makine bölgeleri donanım tarafından korunan.
  7. [FONT:0)Evaluate toplam mülk maliyeti) Farklı işlemci aileleri için, sadece sunucu maliyetleri değil aynı zamanda güç, soğutma, yazılım lisans (per-core lisanslama) ve beklenen konsolidasyon oranları için.
  8. [FONT:0]Stay şu anki bilgisayar ve mikrocode güncelleştirmeleri ile mevcut satıcılar güvenlik mitigations ve performans yamaları (örneğin, Spectre/Meltdown varyantları için). Bu güncelleştirmeler CPU performansını etkileyebilir ve sanallaştırılmış ortamlarda test edilmelidir.

Vaka Çalışması: Bulut Sağlayıcısı Yüksek Lisans Sanallaştırmaya Geçiş

CPU optimizasyonunun etkisini göstermek için, bir orta büyüklükteki bulut sağlayıcının bir kamu IaS teklifinde çalıştığını göz önünde bulundurun. başlangıçta Intel Xeon Gold Skylake işlemcilerini kullanarak yüksek per-server maliyetleri ve sınırlı VM yoğunluğuna maruz kaldıklarını gösteriyorlar.Eğer AMD ID 9654 (96 çekirdekli bir işlem birimine dahil olmak üzere VM sayılarını % 30 oranında artırdılar, EPYC'nin daha etkili hiyerarşisi ve hafıza bant genişliğine göre % 30 oranında azaltırlar.

Göç, sanal makine başına toplam maliyette %40 azaltım sonuçlandı, sağlayıcının marjları korurken daha düşük fiyatlara izin verdi.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Sanallaştırma ortamları için mikroişlemcileri, NUMA farkındalığı, enerji yönetimi ve gizli hesaplama gibi gelişmiş yeteneklere karşı optimizasyona yönelik olarak, her işlemci özelliği, bulut bilişimi ve bulut bilişimi ile ilgili olarak, farklı kaynakları etkin bir şekilde yönetmeye yönelik olarak, sanallaştırma yöntemlerine yönelik olarak, genel olarak kullanılan CPU uzantıları ve genelleme sistemlerine yönelik olarak, yüksek çözünürlükte otomatikleştirme yöntemlerine uygun şekilde uyum sağlamalı.