SmartNICは、ネットワーク処理やセキュリティ処理といった負荷の高いワークロードをホストCPUから専用のプログラマブルハードウェアに移行させることで、現代のデータセンターやクラウドインフラストラクチャの機能を革新的に向上させています。これにより、パフォーマンスと効率性の向上だけでなく、最先端のネットワーク機能の導入における柔軟性も高まります。
この分野における数多くのオープンソースソリューションの中でも、CorundumはFPGAベースの設計、堅牢な設計、そして高速接続との互換性によって際立っています。CorundumをiW-Fibre SmartNICプラットフォームに統合することは、オープンソースイノベーションの迅速な対応力と商用ハードウェアの性能および安定性を融合させる上で大きな成功を収めています。また、CorundumはiWaveのスケーラブルなハードウェアインフラストラクチャを活用することで、様々な種類のワークロードの高速化をサポートします。
業界の課題
オープンソース設計を商用展開に採用するには、互換性の問題や実装の複雑さなど、独自のハードルがあります。その他の障害としては、以下のようなものがあります。
- 電力効率
- さまざまな環境にわたるスケーラビリティ
- ソフトウェア定義機能のシームレスな統合
iW-Fibre プラットフォームに Corundum を採用すると、オープンなプログラマビリティとハイエンド ハードウェアを組み合わせることでこれらの問題が解決され、現在のネットワーク需要に合わせて最適化された柔軟で高性能なソリューションが実現します。
Corundum NIC とは何ですか?
Corundumは、研究用途とエンタープライズグレードの導入の両方に適した、機能豊富なFPGA駆動型ネットワークインターフェースソリューションです。Corundumは以下の機能を提供します。
- カスタマイズを容易にするモジュール設計
- キューのハードウェア管理
- 高速データパス
- 時間重視のアプリケーション向けのPTP（高精度時間プロトコル）
上図は、複数の階層レベルに分かれたCorundum NICのブロック図を示しています。最上位レベルでは、様々なサポートおよびインターフェースコンポーネントが統合されています。これには、PCI ExpressハードIPコア、MAC、PHY、シリアライザなどのイーサネットインターフェースブロック、そしてDMAインターフェースを介してNICをホストシステムに接続するFPGAコアのラッパーコードインスタンスが含まれます。
Corundum NICアーキテクチャの中核を成すアプリケーションブロックは、カスタムパケット処理、ネットワーク内コンピューティング、そしてアプリケーション固有のロジックのための柔軟かつ強力な統合ポイントとして機能します。このブロックは複数のNIC内部サブシステムとシームレスにインターフェースするように設計されており、開発者はフィルタリング、トラフィックシェーピング、リアルタイム分析、オフロードエンジンなどの機能をデータパスに直接実装できます。モジュール設計により、特にプログラマビリティが重要となる研究環境やデータセンター環境において、高度なネットワークアプリケーションの迅速なプロトタイピングが可能になります。
アーキテクチャの適応と実装
CorundumをiW-Fibre SmartNICに適合させるには、Corundum NICのパイプラインとモジュールをiWaveプラットフォームで利用可能なハードウェアリソースとインターフェースに適合させる必要があります。主要なアーキテクチャ設計要素は次のとおりです。
FPGAファブリック統合： CorundumのHDL設計は、Xilinx Ultrascale+アーキテクチャを活用し、iWaveのFPGA向けに最適化およびコーディングされました。特に、タイミングクロージャと、DSPブロック、BRAM、トランシーバーなどのリソース使用量に重点が置かれました。
物理インターフェース（PHY）の適応： iW-Fibre SmartNICプラットフォームは、最大4つのSFP+モジュールまたは1つのQSFPモジュールをサポートします。SFP+モジュールを搭載したSmartNICプラットフォームは10Gおよび40Gイーサネットリンクをサポートするために使用され、QSFPポートを搭載したプラットフォームは100Gイーサネットリンクの接続を可能にしました。
PTPサポート： PTPは、ネットワーク内の分散システム間で高精度なクロック同期を実現します。Corundumはハードウェアタイムスタンプとクロック同期機能をサポートしており、NICがPTPドメインに参加したり、マスタークロックまたはスレーブクロックとして動作したりすることを可能にします。この実装により、パケットタイムスタンプの正確な同期と決定論的な動作が実現され、レイテンシに敏感なアプリケーションにとって不可欠な機能となります。
ソフトウェアスタックの適応：ソフトウェア面では、ドライバとファームウェアを移植し、iWaveプラットフォームとの連携を最適化しました。CorundumリファレンスドライバをベースとしたLinuxカーネルモジュールを修正し、iWaveデバイスID、レジスタマップ、およびプラットフォーム固有の初期化ルーチンをサポートするようにしました。これにより、ホストシステム内でのNICの適切な列挙と制御が保証されました。
DPDKアプリケーション： iWave上のCorundumの高性能パケットI/Oは、DPDKアプリケーションによって検証されました。これらのユーザー空間アプリケーションはカーネルスタックをバイパスし、メモリマップドI/Oを介してNICキューに直接アクセスすることで、低遅延かつ高スループットのネットワークを実現します。Corundum設計のアプリケーションブロックにDPDKを統合することで、DPDK-PktgenやTestPMDなどのツールを用いた性能テストが可能になり、L2/L3転送、ファイアウォール機能、暗号化/復号化、マルチステージパケットパイプラインといった主要なユースケースをサポートしました。
実装の特徴と機能
高速ネットワーク接続：この統合により、10G、40G、100Gのイーサネットリンクが完全にサポートされ、最小限の遅延でラインレートのパケット処理を実現します。
完全にプログラム可能なパケットパイプライン： Corundumのモジュール式パイプラインにより、パケットの解析、フィルタリング、転送ロジックをカスタマイズできます。
DMAとゼロコピーデータ転送： DMAエンジンを搭載したPCIe Gen3インターフェースは、NICとホストメモリ間の効率的なデータ転送を実現します。
ハードウェアオフロード：この実装は、以下のような一連のオフロード機能をサポートしています。
- チェックサム計算（IPv4、TCP、UDP）
- VLAN タグ付け/ストリップ
- パケットフィルタリングと分類
- 受信側スケーリング (RSS)
データスループット分析
Corundum NIC 実装を検証するために、G30-XFibre-10/40G プラットフォームで iperf3 を使用してパフォーマンス テストを実施しました。
| スループット | |
|---|---|
| 10G構成 （シングル10G SFP+インターフェース） | 9.48 Gbps |
| 40G構成 （4x10G SFP+インターフェース） | 全体で 37.09 Gbps、コアあたりポートあたり約 9.27 Gbps |
テストでは、すべての構成においてラインレート性能が検証されました。40G構成では、各ポートおよび各コアで一貫したパフォーマンスを維持しながら、37Gbpsの総合スループットを達成し、効率的なマルチポート処理とDMA実装を確認しました。
オープンソースのCorundum NICをiW-Fibre SmartNICプラットフォームに変換することで、堅牢でプログラマブルなネットワークインターフェースソリューションが実現します。Corundumの汎用性の高いアーキテクチャとiWaveの高性能FPGAハードウェアを組み合わせることで、今日の要求の厳しいデータセンター環境に対応する、機能豊富で拡張性が高く、効率的なNICが提供されます。
iWaveのSmartNICプラットフォームとその機能に関する詳細については、mktg@iwave-global.comまでお問い合わせください。
