SmartNICs: Produkte und Anwendungsfälle im Vergleich
Achronix, Napatech und Nvidia bieten teils sehr verschiedene smartNIC-Produkte an. Erfahren Sie mehr über Funktionen, Vorteile und Anwendungsfälle der erweiterten Netzwerkadapter.
von
Saqib Jang
Zuletzt aktualisiert:14 März 2022
Netzwerkadapter (Network Interface Cards, NICs) haben die Geschwindigkeit, mit der sich Server mit Netzwerken verbinden können, von 10 MBit/s auf 200 GBit/s und bald auf 400 GBit/s erheblich gesteigert. Infolgedessen sind hardwarebasierte Angebote zur Infrastrukturbeschleunigung, sogenannte smartNICs, auf den Markt gekommen. Diese smartNICs verwenden optimierte Prozessarchitekturen, die für die Verarbeitung und Weiterleitung von Netzwerk-Traffic besser geeignet sind als herkömmliche Standard-CPUs.
SmartNICs lassen sich in der Regel so programmieren, dass sie Storage-, Networking- und Sicherheitsprotokolle auslagern und dadurch den Server entlasten, damit er seinen primären Aufgaben besser nachkommen kann. Zu den weiteren smartNIC-Anwendungen gehören Packet Capturing, Netzwerkmanagement, Netzwerkvisibilität und Telemetrie.
Die wirtschaftliche Grundlage von smartNICs ist ein Kompromiss zwischen Kosten und Vorteilen bei der Anwendungsverarbeitung. SmartNICs sind zwar etwas teurer, aber sie ermöglichen es den Server-CPUs, ihre Hauptaufgabe zu erfüllen, anstatt Netzwerk- und Infrastrukturanwendungen auszuführen.
Ein wichtiger Grund für das Wachstum von smartNICs ist das Aufkommen einer neuen Kategorie von Prozessoren, die auf die Datenverarbeitung ausgerichtet sind. Diese Data Processing Units (DPU) oder Infrastructure Processing Units (IPU) beschleunigen die Datenkommunikation, genauso wie CPUs dies für die allgemeine Verarbeitung und GPUs für beschleunigtes Computing tun.
Nach Angaben des Marktforschungsunternehmens Dell'Oro Group wird der smartNIC-Markt mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 26 Prozent zulegen: von 270 Millionen US-Dollar (circa 238 Millionen Euro) im Jahr 2020 auf 848 Millionen US-Dollar (circa 748 Millionen Euro) bis zum Jahr 2024. Damit übertrifft er den gesamten Markt für Ethernet-Controller und -Adapter deutlich.
Es ist eine neue Generation von SmartNICs und DPUs entstanden, die eine Reihe von Anwendungsfällen und Data-Center-Anwendungen unterstützen. Dieser Artikel befasst sich mit diesen Anwendungsfällen und stellt smartNIC-Angebote von Achronix, Napatech und Nvidia vor.
Saqib Jang, der Autor dieses Artikels hat drei smartNIC-Produkte evaluiert, die aus verschiedenen Marktsegmenten stammen:
Angebote für smartNIC-Plattformen, die sich an OEMs und Integratoren richten;
smartNIC-Optionen auf Basis von Field Programmable Gate Arrays (FPGA) für Out-of-the-box-Bereitstellungen bei Networking- und Sicherheitsanwendungen; und
smartNICs auf Grundlage von DPUs für Storage-, Networking- und Sicherheits-Workloads in Unternehmens- und Cloud-Rechenzentren.
Achronix
Achronix Semiconductor bietet FPGA-basierte Produkte zur Datenbeschleunigung, darunter Geräte mit Speedster7t FPGA und Speedcore Embedded FPGA IP. Mit diesen Optionen können Anwender die Technologie entweder als eigenständiges Produkt oder in einem ASIC- beziehungsweise System-on-a-Chip-Design einsetzen. Achronix bietet außerdem die Beschleunigerkarte VectorPath S7t-VG6, die auf dem Speedster7t FPGA basiert, für Entwicklungszwecke oder als vollständige, produktionsreife Option an.
Die Grundlage der Speedster7t-Architektur ist ein zweidimensionales Network on a Chip mit über 20 Terabit pro Sekunde (TBit/s). Der Chip verbindet die gesamte I/O, gehärtete IP-Blöcke und die FPGA-Fabric. Die FPGA-Fabric und ihre externen GDDR6-Speicher-Controller unterstützen eine Bandbreite von vier TBit/s für eine hohe Performance.
Achronix: smartNIC-Anwendungsfälle
Die smartNIC-Plattformen und -Adapter von Achronix ermöglichen Anwendungen in Bereichen wie Telekommunikation, künstlicher Intelligenz (KI) und Machine Learning (ML), Kraftfahrzeugtechnik, High-Performance-Kommunikation, Storage, Networking sowie Militär und Verteidigung. Eine Reihe von Funktionen unterstützen Networking-Anwendungen wie 5G, Netzwerkbeschleunigung, Paketverarbeitung mit hohem Durchsatz, Traffic-Management und Datenpfadsicherheit.
Entwickler können die Flexibilität der smartNIC-Angebote von Achronix nutzen, um Neuerungen mit Bereitstellungen für 5G-Telekommunikationsnetzwerke einzuführen, da 5G-Netzwerktopologien unterschiedliche Integrationsstrategien für verschiedene Anwendungen erfordern.
Im Vergleich zu GPUs können FPGA-basierte smartNIC-Angebote die Beschleunigungsfähigkeiten für KI- und ML-Algorithmen verbessern, indem sie eine effiziente Energienutzung und eine vergleichbare Performance für Inferenzoperationen (Schlussfolgerungsvorgänge) ermöglichen. OEMs können die Angebote auch nutzen, um benutzerdefinierte Designs für die Storage-Data-Plane-Verarbeitung zu erstellen, zum Beispiel für die Indizierung, Suche oder Analyse von Daten mithilfe von KI- und ML-Algorithmen. Die Angebote unterstützen auch traditionelle Data-Plane-Services, etwa Verschlüsselung, Komprimierung und Deduplizierung.
Napatech
Napatech bietet FPGA-basierte smartNICs für Endanwender zur Beschleunigung von standardmäßigen Networking- und Sicherheitsanwendungen in Cloud-, Unternehmens- und Telekommunikations-Data-Center-Netzwerken. Insbesondere die programmierbaren smartNICs von Napatech umfassen Optionen für 1 Gigabit Ethernet, 10 GbE, 25 GbE, 40 GbE und 100 GbE. Sie werden von Software unterstützt, die eine Vielzahl von Funktionen enthält, um Server-CPUs von rechenintensiven Verarbeitungsprozessen für Networking und Sicherheit zu entlasten. Durch dieses Offloading können kommerzielle Standardserver eine Line-Rate-Networking-Leistung liefern, während gleichzeitig Compute-Ressourcen für Netzwerk- und Sicherheitsanwendungen verfügbar gemacht werden.
Napatech: smartNIC-Anwendungsfälle
Die Anwendungsfälle für smartNICs von Napatech erstrecken sich auf die Bereiche Cloud- und Enterprise-Rechenzentren, Cybersicherheit, Telekommunikation, Finanzdienstleistungen sowie Militär und Verteidigung. Für die Betreiber von Data Centern bieten smartNICs von Napatech aussagekräftige Einblicke in den Netzwerk-Traffic durch hochperformanten Datenzugriff auf Netzwerk-Monitoring-Anwendungen.
IT-Teams können Netzwerkdaten in umfangreichen Netzwerken mit den detaillierten Netzwerkeinblicken der smartNICs korrelieren und bei Bedarf optimierte Sicherheitsmaßnahmen bereitstellen. Diese Sicherheitsmaßnahmen verhindern, dass nicht vertrauenswürdige Quellen Angriffe auf kritische Infrastruktur starten, und schützen gleichzeitig öffentliche und private Informationen.
Napatechs smartNICs bieten darüber hinaus eine bedarfsabhängige Datenübertragung für Anwendungen über Telekommunikationsnetzwerke, etwa 5G-Netzwerke. Diese Datenübertragung ermöglicht eine Echtzeitanalyse des Traffics in Telekommunikationsnetzwerken. Auf diese Weise können Telekommunikationsbetreiber ihre Angebote individuell anpassen und gleichzeitig neue Services zur Verfügung stellen, die die wachsende Nachfrage befriedigen.
Ein sich abzeichnender Anwendungsfall ist die zuverlässige, hochperformante Datenübertragung für zeitkritische Finanzhandelsanwendungen. Die smartNICs von Napatech erfassen alle Pakete mit einer Line Rate von bis zu 100 GBit/s und beschleunigen gleichzeitig die Datenübertragung für interne, kommerzielle oder Open-Source-Handelsanwendungen.
Nvidia
Die ConnectX-smartNICs von Nvidia mit 10 GBit/s bis 200 GBit/s enthalten zusätzlich zu den üblichen Networking Offloads folgende Funktionen: eingebettete Beschleunigungs-Engines für Remote Direct Memory Access over Converged Ethernet (RoCE), IPsec- und TLS-Kryptoverarbeitung, Accelerated Switch and Packet Processing (ASAP2) für virtuelles Switching und Routing sowie Non-Volatile Memory Express over Fabrics (NVMe-oF) für Storage. Ausgewählte ConnectX-Modelle verfügen zudem über Funktionen für die Zeitsynchronisation, um 5G-Mobilfunkinfrastruktur und verteilte Datenbanken zu unterstützen.
Entwickler können programmierbare Paketverarbeitungstechnologien nutzen, um serverbasierte Networking-Funktionen zu beschleunigen. Außerdem können sie die Datenpfadverarbeitung für rechenintensive Workloads auslagern, unter anderem Netzwerkvirtualisierungs-, Sicherheits- und Storage-Funktionen.
Die ConnectX-smartNIC ist das Herzstück von Nvidias BlueField-DPU. Sie enthält eine per Software programmierbare Multicore-Arm-CPU und eine Hochleistungs-Netzwerkschnittstelle, die Daten mit Line Rate parsen, verarbeiten und übertragen kann. Außerdem umfasst sie eine Reihe von programmierbaren Beschleunigungs-Engines, unter anderem für KI und ML, Sicherheit, Telekommunikation und Storage.
Nvidia: smartNIC-Anwendungsfälle
ConnectX-smartNICs von Nvidia konzentrieren sich auf die Bereitstellung von Ethernet-basierten Protokoll-Offloads zur Beschleunigung von Cloud-, Sicherheits-, Storage-, Broadcasting-, KI-, Edge- und Telekommunikationsanwendungen.
Sie bieten ASAP2-Technologie, die einen in den ASIC eingebetteten Switch nutzt, um einen Großteil der Prozesse zur Paketverarbeitung auszulagern, so dass die CPU des Hosts entlastet und ein höherer Netzwerkdurchsatz erzielt wird. Nvidias ASAP2-Technologie-Stack bietet eine Reihe von Funktionen für die Netzwerkbeschleunigung, etwa Unterstützung für Single-Root I/O-Virtualisierung und Legacy-Umgebungen per VirtIO.
ConnectX-smartNICs besitzen außerdem Hardware-Engines, die mit Inline-Verschlüsselung und -Entschlüsselung für IPsec- und TLS-Protokolle Sicherheitsfunktionen auslagern und beschleunigen. Dadurch lässt sich die Latenz reduzieren und die CPU-Auslastung verringern. ConnectX unterstützt Verschlüsselungs-Offload auf Blockebene, so dass Daten während der Speicherung und des Abrufs mit geringerer Latenz und reduziertem CPU-Overhead ver- und entschlüsselt werden.
SmartNICs unterscheiden sich erheblich in Bezug auf Funktionalität, Netzwerkkapazität und Preis.
KI- und ML-Anwendungen erfordern einen hohen Durchsatz und geringe Latenz, um tiefe neuronale Netzwerke zu trainieren und die Klassifizierungsgenauigkeit zu verbessern. ConnectX-Adapter unterstützen Bandbreiten von bis zu 200 GBit/s und bieten ML-Anwendungen die erforderliche Performance und Skalierbarkeit. Die Funktion Socket Direct ermöglicht den direkten PCIe-Zugriff (Peripheral Component Interconnect Express) auf mehrere CPU-Sockel, wodurch der für KI- und ML-Anwendungen verfügbare Durchsatz maximiert wird.
ConnectX-smartNICs ermöglichen zudem einen hochleistungsfähigen Storage- und Datenzugriff mit RoCE und GPUDirect Storage. ConnectX-Adapter bieten NVMe-oF-Protokolle und -Offloads für eine verbesserte Nutzung von NVMe-basierten Storage Appliances. Darüber hinaus unterstützen diese smartNICs mit einem Zeitsynchronisierungsdienst 5G-Networking und digitale Videoanwendungen.
SmartNICs unterscheiden sich durch ihre Funktionalität
Unternehmen mit expandierenden Data Centern und Telekommunikationsdiensten in Private und Public Clouds sind gut beraten, die Vorteile von smartNIC-Produkten zu prüfen. SmartNICs unterscheiden sich erheblich in Bezug auf Funktionalität, Netzwerkkapazität und Preis. Folglich können Unternehmen smartNICs wählen, die die spezifischen Workloads und Anwendungen optimieren, die von einem Offloading profitieren würden, anstatt auf den Server-CPUs zu laufen.
Über den Autor: Saqib Jang ist Gründer und Leiter von Margalla Communications, einem Marktanalyse- und Beratungsunternehmen, mit Fachkenntnissen auf den Gebieten Cloud-Infrastruktur und -Services. Er ist eine Führungskraft in den Bereichen Marketing und Geschäftsentwicklung und besitzt über 20 Jahre Erfahrung bei der Entwicklung von Produkt- und Marketingstrategien sowie der Bereitstellung von Infrastrukturdiensten für Cloud- und Enterprise-Märkte.
Die Autoren sind für den Inhalt und die Richtigkeit ihrer Beiträge selbst verantwortlich. Die dargelegten Meinungen geben die Ansichten der Autoren wieder.
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