Comment Obtenir des Réseaux à Faible Latence pour le Calcul à Haute Performance ?

Le calcul à haute performance (HPC) est devenu un élément indispensable dans de nombreux domaines de la science, de recherche et de l'industrie, permettant des simulations complexes, des analyses de données et des calculs à des vitesses sans précédent. Le cœur du calcul à haute performance ne réside pas seulement dans la puissance de calcul des superordinateurs, mais aussi dans l'efficacité de leurs réseaux d'interconnexion. Les réseaux à faible latence jouent un rôle essentiel dans l'exploitation du potentiel maximal des systèmes HPC, en assurant une communication transparente et en minimisant les retards. Cet article analyse l'importance des réseaux à faible latence dans le domaine de l'informatique de haute performance et examine les différentes technologies qui permettent d'obtenir des réseaux à faible latence optimaux.

Qu'est-ce que le calcul à haute performance ?

Le calcul à haute performance (HPC) fait référence à l'utilisation de systèmes informatiques puissants pour traiter et analyser de grands volumes de données à des vitesses exceptionnelles. Les systèmes informatiques de calcul à haute performance sont dotés d'une puissance de traitement élevée, de réseaux à haute performance et d'une grande capacité de mémoire, ce qui leur permet d'effectuer des traitements parallèles massifs. Les systèmes HPC sont couramment utilisés pour des tâches nécessitant une puissance de calcul importante, telles que les prévisions météorologiques, les simulations moléculaires, les simulations d'ingénierie, l'analyse des risques financiers, etc.

Ils sont capable de réduire considérablement le temps de calcul et d'accélérer les processus tels que la recherche scientifique et le développement de produits, améliorant ainsi l'efficacité et la compétitivité de la production.

Pour plus d'informations : Qu'est-ce que le Calcul à Haute Performance (HPC) ?

L'Importance des Réseaux à Faible Latence pour le Calcul Intensif

Dans le domaine du calcul à haute performance, le temps est un facteur essentiel. Les applications HPC impliquent souvent un traitement parallèle, où les tâches sont réparties entre plusieurs processeurs ou nœuds qui travaillent simultanément pour accélérer les calculs. La coordination transparente de ces nœuds dépend fortement de l'efficacité des interconnexions. Les réseaux à faible latence offrent des temps de réponse et de transmission des données rapides, permettant ainsi une communication et un échange de données efficaces entre les nœuds de calcul.

L'importance d'une faible latence devient particulièrement évidente dans les applications nécessitant des réponses en temps réel, telles que les prévisions météorologiques, les simulations de dynamique des fluides et la modélisation moléculaire. Dans ces scénarios, tout retard dans la transmission des données peut compromettre la précision et l'actualité des résultats. Par conséquent, la robustesse d'un système informatique à haute performance dépend de celle de son réseau d'interconnexion, marquant le rôle déterminant des réseaux à faible latence.

Comment réaliser des réseaux à faible latence ?

L'obtention de réseaux à faible latence dans le domaine du calcul à haute performance implique l'utilisation de technologies avancées et l'optimisation de divers composants du réseau. Ci-dessous sont présentés quelques facteurs importants qui contribuent à la mise en place de réseaux à faible latence :

Ethernet à Haut Débit

Ethernet, avec ses avantages inhérents de simplicité, convivialité, rentabilité et évolutivité, est largement utilisé dans divers domaines. Depuis sa création, la technologie et les protocoles Ethernet n'ont cessé d'évoluer. Partant du débit initial de 10 Mbps, la bande passante Ethernet est progressivement passée à 10G, 25G, 40G et 100G, puis à 400G et même 800G, répondant ainsi aux besoins en bande passante des centres de données étendus et de l'informatique en nuage (cloud computing).

Les modules à haut débit, tels que les émetteurs-récepteurs 800G, établissent des connexions Ethernet à haut débit, améliorant la bande passante et réduisant les durées de transfert de données entre les nœuds. En outre, l'Ethernet à haut débit peut réduire la latence grâce à la gestion du trafic et à l'optimisation du traitement et routage des paquets. La technologie Ethernet à haut débit répond aux strictes conditions de performance des réseaux des systèmes HPC, leur permettant de maintenir la cadence de calcul des applications modernes, qui ne cesse de croître.

InfiniBand

InfiniBand s'est imposé comme une technologie d'interconnexion privilégiée pour l'informatique de haute performance en raison de ses caractéristiques de faible latence. InfiniBand offre des taux de transfert de données élevés et une faible surcharge de communication, permettant ainsi le traitement parallèle et le calcul à grande échelle. La technologie InfiniBand assure un réseau à faible latence principalement grâce aux caractéristiques principales suivantes :

• Architecture de connexion directe point à point. Chaque dispositif, comme les serveurs, les dispositifs de stockage ou d'autres ressources informatiques, se connecte directement au réseau via un adaptateur InfiniBand, formant ainsi une structure de communication point à point. Cette conception réduit considérablement la latence des communications, améliorant ainsi les performances globales.

• InfiniBand prend en charge l'accès direct à la mémoire à distance (RDMA). RDMA permet aux applications d'accéder et d'échanger des données directement dans la mémoire sans l'intervention du système d'exploitation. Grâce à RDMA, le réseau InfiniBand élimine les étapes intermédiaires présentes dans les structures de réseau traditionnelles, ce qui se traduit par une réduction substantielle de la latence du transfert de données.

Les dispositifs InfiniBand, tels que les modules InfiniBand et les switchs InfiniBand, ont évolué vers des débits de 400G et 800G. La combinaison d'une large bande passante et d'une faible latence fait d'InfiniBand un composant essentiel pour obtenir des performances réseau optimales pour les applications HPC.

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Topologie Optimisée du Réseau

La topologie du réseau, ou la manière dont les nœuds sont interconnectés, joue un rôle essentiel dans la réduction de la latence. Les topologies de réseau, telles que fat-tree ou hypercube, sont couramment utilisées dans les environnements HPC pour fournir des trajectoires de communication efficaces entre les nœuds. Une topologie de réseau optimisée garantit que les données peuvent transiter à travers le réseau avec des délais minimaux, ce qui améliore les performances globales du système HPC.

Protocoles de Réseau

Pour réduire davantage la latence du réseau, des protocoles et algorithmes spécialisés, tels que MPI (Message Passing Interface) et RDMA (Remote Direct Memory Access) mentionnés ci-dessus, peuvent optimiser le transfert de données et l'efficacité de la communication. MPI sert d'interface standard pour le passage de messages dans l'informatique parallèle, améliorant l'efficacité du travail collaboratif entre les nœuds grâce à des modèles d'échange de messages efficaces.

RDMA est souvent mis en œuvre en conjonction avec des technologies d'interconnexion à grande vitesse comme InfiniBand, ce qui améliore davantage les capacités de faible latence des réseaux HPC. La faible latence obtenue par RDMA repose principalement sur la mise en réseau Zero-copy et les mécanismes de contournement du noyau. La mise en réseau Zero-copy permet aux cartes réseau de transférer des données directement avec la mémoire de l'application, éliminant ainsi les opérations de copie de données entre la mémoire de l'application et la mémoire du noyau, et donc réduisant considérablement la latence du transfert. Le mécanisme de contournement du noyau permet aux applications d'envoyer des commandes à la carte réseau sans dépendre des appels à la mémoire du noyau. Dans les scénarios où l'implication de la mémoire du noyau n'est pas nécessaire, les demandes RDMA sont envoyées de l'espace utilisateur à la carte réseau locale, puis transmises par le réseau à la carte réseau distante. Ce processus simplifié réduit le nombre de changements de conditions entre le noyau et l'espace utilisateur lors de la transmission sur le réseau, ce qui permet de minimiser la latence globale du réseau.

Pour plus d'informations : CARTE D'INTERFACE RÉSEAU RDMA : Caractéristiques et Comment Choisir ?

Conclusion

En conclusion, il est important de souligner l'importance des réseaux à faible latence dans le domaine de l'informatique à haute performance. Au fur et à mesure que les applications informatiques à haute performance évoluent, exigeant davantage de puissance de calcul et d'efficacité, les réseaux d'interconnexion doivent maintenir la cadence afin d'assurer des performances optimales. Les technologies telles que l'Ethernet à haut débit, l'InfiniBand, la topologie de réseau optimisée et le RDMA sont essentielles pour obtenir des réseaux à faible latence pour les systèmes HPC. En accordant une grande importance à ces progrès, les spécialistes et scientifiques peuvent exploiter au maximum le potentiel du calcul à haute performance, ce qui permettra de réaliser de grandes découvertes et innovations dans divers domaines.