作者：Achronix

隨著人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)（AI/ML）和其他復(fù)雜的、以數(shù)據(jù)為中心的工作負(fù)載被廣泛部署，市場(chǎng)對(duì)高性能計(jì)算的需求持續(xù)飆升，對(duì)高性能網(wǎng)絡(luò)的需求也呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。高性能計(jì)算曾經(jīng)是超級(jí)計(jì)算機(jī)這樣一個(gè)孤立的領(lǐng)域，而現(xiàn)在從超級(jí)計(jì)算機(jī)到邊緣解決方案，在各個(gè)層面都可以看到高性能計(jì)算，隨著我們推動(dòng)更快的解決方案進(jìn)入市場(chǎng)，網(wǎng)絡(luò)安全和高復(fù)雜性應(yīng)用在其中也扮演著更重要的角色。

為了滿足對(duì)網(wǎng)絡(luò)加速的需求，并提供靈活的、可重新編程的網(wǎng)絡(luò)，Achronix為數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商、云服務(wù)提供商和電信公司提供Achronix 的Network Infrastructure Code（簡(jiǎn)稱ANIC）和基于Achronix Speedster7t FPGA芯片構(gòu)建的SmartNIC。這些可編程的加速器集成了前沿性技術(shù)，如400 GbE連接速度、PCIe Gen 5.0功能、片上網(wǎng)絡(luò)和高速并行處理，以提供無(wú)與倫比的性能、可擴(kuò)展性和靈活性組合。

ANIC是一套由模塊化FPGA IP組成的完整設(shè)計(jì)，提供專為高性能網(wǎng)絡(luò)流水線進(jìn)行了優(yōu)化的SmartNIC解決方案的所有基本功能單元。它有力地支持400 GbE和PCIe Gen 5.0功能，使各類用戶能夠根據(jù)其特定要求快速開(kāi)發(fā)高帶寬SmartNIC解決方案，滿足其隨著條件的變化而變化的要求。

更好的性能，更高的靈活性

為了提高網(wǎng)絡(luò)性能，越來(lái)越多的客戶轉(zhuǎn)向SmartNIC，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)卸載數(shù)據(jù)包處理和加密等日常任務(wù)來(lái)減輕主機(jī)服務(wù)器CPU的負(fù)擔(dān)。除了節(jié)省CPU周期帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益之外，卸載還可以提高整體系統(tǒng)性能和資源效率。SmartNIC還具有可定制和可編程性，使用戶能夠靈活地適應(yīng)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)需求。

InfiniBand（簡(jiǎn)稱IB）是用于高性能計(jì)算的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。盡管IB的性能很好，但對(duì)于部署在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心（用以太網(wǎng)來(lái)作為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議），它卻不能提供其中的HPC高性能計(jì)算解決方案所需的靈活性或功能密度。Achronix的ANIC解決方案支持400 GbE，可實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)還提供了在網(wǎng)卡（NIC）上部署網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的能力；這一功能可顯著提高應(yīng)用性能并降低事務(wù)延遲。基于FPGA的ANIC方法具有出色的確定性，并始終提供極低的應(yīng)用延遲，從而使ANIC成為具有嚴(yán)格實(shí)時(shí)處理需求的應(yīng)用的首選。

SmartNIC架構(gòu)的一種實(shí)現(xiàn)方法是將計(jì)算單元（如Arm內(nèi)核等）添加到高性能網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)路徑中，以實(shí)現(xiàn)靈活的且可編程的網(wǎng)絡(luò)。雖然添加CPU內(nèi)核確實(shí)可提供網(wǎng)絡(luò)卸載和應(yīng)用加速功能，但處理器內(nèi)核所能提供的網(wǎng)絡(luò)性能也受限于其自身。功耗和空間限制將單張網(wǎng)絡(luò)卡上可部署的內(nèi)核數(shù)量限制于10個(gè)，從而使指令集受到限制，性能也就受到限制。

ANIC沒(méi)有使用性能受限的Arm內(nèi)核，而是運(yùn)行在高性能的Achronix Speedster7t FPGA器件上，并且ANIC的模塊化架構(gòu)簡(jiǎn)化了組件選擇過(guò)程并加快了設(shè)計(jì)階段。此外，Speedster7t FPGA器件的部分重新配置功能支持實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而能夠滿足不斷變化的需求。這種部署敏捷性可以節(jié)省大量的時(shí)間和成本。

“這是性能上的一個(gè)數(shù)量級(jí)飛躍，”Achronix SmartNIC產(chǎn)品規(guī)劃總監(jiān)Scott Schweitzer說(shuō)道。“在ANIC上用一微秒內(nèi)就可完成的工作在Arm內(nèi)核上則可能需要幾毫秒，而可在幾納秒內(nèi)完成的工作可能需要幾微秒。”

基于ANIC，用戶有機(jī)會(huì)去部署自定義的IP功能。這種自定義的IP功能為定制應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)，如鍵值存儲(chǔ)、入侵防御、重復(fù)數(shù)據(jù)刪除和其他網(wǎng)絡(luò)功能，所有這些應(yīng)用都以400 GbE的網(wǎng)絡(luò)速度運(yùn)行。

在高性能計(jì)算中使用由FPGA加速的智能網(wǎng)卡：游戲規(guī)則改變者

高性能計(jì)算環(huán)境需要卓越的處理能力、高效的數(shù)據(jù)移動(dòng)速度和高速的互連能力才能實(shí)現(xiàn)最佳性能。各種SmartNIC，尤其是像Achronix提供的基于FPGA的解決方案，可以無(wú)縫地滿足這些要求。

在高性能計(jì)算中采用基于FPGA的SmartNIC帶來(lái)的主要優(yōu)勢(shì)之一是定制化。憑借Speedster7t可重新編程的FPGA具有400 GbE以太網(wǎng)和PCIe Gen5功能，是高性能計(jì)算集群的多功能構(gòu)建模塊。

Achronix打造ANIC的目的是使用戶能夠優(yōu)化其網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)路徑并加速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。ANIC提供了一個(gè)完整的SmartNIC流水線，包括數(shù)據(jù)包接口、FIFO緩沖區(qū)、報(bào)頭/解析器、流表格、規(guī)則引擎和DMA引擎。每種功能單元可以根據(jù)客戶的需要去選擇或取消，從而實(shí)現(xiàn)全部或部分?jǐn)?shù)據(jù)包加速，并在Speedster7t FPGA器件上為客戶自定義的網(wǎng)絡(luò)加速功能應(yīng)用預(yù)留高達(dá)50%的邏輯資源。

Speedster7t FPGA器件還提供二維片上網(wǎng)絡(luò)（2D NoC），該項(xiàng)設(shè)計(jì)可在FPGA芯片內(nèi)提供高達(dá)20 Tbps的帶寬，并進(jìn)一步增強(qiáng)模塊化應(yīng)用的部署。每個(gè)ANIC模塊通過(guò)利用80個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)可以實(shí)時(shí)放置在FPGA上或?qū)ζ溥M(jìn)行升級(jí)。

“ANIC的邏輯模塊可以像樂(lè)高積木一樣組合起來(lái)，以創(chuàng)建量身定制的SmartNIC解決方案，”Schweitzer說(shuō)道。“根據(jù)想要完成的工作，客戶可以選擇使用部分或全部ANIC功能單元來(lái)組裝解決方案。”這種模塊化可組合性可確保用戶只使用其特定應(yīng)用所需的模塊，從而消除了不必要的開(kāi)銷。

在HPC中，加速的I/O至關(guān)重要。SmartNIC允許超快速數(shù)據(jù)移動(dòng)，從而有助于大型數(shù)據(jù)集的快速處理。如在DDoS緩解應(yīng)用中，要求更深入的數(shù)據(jù)包檢測(cè)，ANIC基于FPGA的高度并行設(shè)計(jì)支持高效的數(shù)據(jù)包處理，從而確保及時(shí)識(shí)別和緩解威脅。

在高性能計(jì)算和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的時(shí)代，Achronix提供的基于FPGA的SmartNIC可提供無(wú)與倫比的速度、卸載的處理能力、增強(qiáng)的安全性和卓越的靈活性。無(wú)論是尋求高速數(shù)據(jù)處理，減少延遲還是提高整體效率，SmartNIC都為高性能網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)鋪平了道路。隨著數(shù)據(jù)的不斷激增和應(yīng)用的要求越來(lái)越高，對(duì)于任何希望在高性能網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算方面突破極限的人來(lái)說(shuō)，SmartNIC代表著一項(xiàng)至關(guān)重要的創(chuàng)新。