DPU:今後のコンピューティングの「3本柱」の一つ
コンピューティングの進化に伴い、データ処理ユニット(DPU)の出現がデータセンターとコンピューティングアーキテクチャの未来を再構築しています。この記事では、この領域におけるDPUの意義と役割を掘り下げ、従来のCPU(中央処理装置)やGPU(画像処理装置)と比較します。
DPUとは?
データ・プロセッシング・ユニット(DPU)は、データセンターにおけるネットワーキング、ストレージ、コンピューティング・タスクを処理するために設計された特殊なハードウェア・アクセラレータで、CPUやGPUとともにコンピューティングの3本柱の1つとなリます。新しいタイプのプログラム可能なプロセッサであるDPUは、3つの重要な要素を組み合わせたSoC(System on a Chip)です:
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強力なプロセッシング:DPUは、業界標準の高性能ソフトウェアプログラム可能なマルチコアCPUを搭載し、広く採用されているArmアーキテクチャを活用して他のSoCコンポーネントと緊密に統合されています。
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高速データ転送:DPUは、高性能なネットワークインターフェイスを備えており、ネットワークの回線速度やその他のネットワークの速度でデータを解析、処理、GPUやCPUに転送できます。
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多用途のアクセラレーション:柔軟でプログラム可能なアクセラレーション・エンジンを豊富に備え、AI、機械学習、ゼロトラスト・セキュリティ、電気通信、ストレージなどのアプリケーションの負荷を軽減し、パフォーマンスを向上させます。
CPU vs GPU vs DPU:その違いは?
セントラル・プロセッシング・ユニット(CPU)については、すでに多くの方がご存知でしょう。柔軟で応答性に優れ、長年にわたり、CPUはほとんどのコンピューターで唯一プログラム可能な要素でした。最近ではGPUの重要が高まっています。GPUはもともとリアルタイムグラフィックスに使用されていたが、現在では人工知能、ディープラーニング、ビッグデータ解析に不可欠なものとなっています。過去10年間で、コンピューティングはPCやサーバー以外にも拡大し、DPUはデータ中心のアクセラレーテッド・コンピューティング・モデルの3番目のメンバーになりました。CPU、GPU、DPUの間には、機能、設計、アプリケーションにおいていくつかの違いがあります。
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1. 機能と用途:CPUは様々な一般的なコンピューティングタスクに適しており、GPUはアクセラレーテッド・コンピューティング、DPUはデータセンター内でデータを移動させながらデータ処理を行います。
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2. 設計とアーキテクチャ:CPUは複雑な汎用プロセッサ・アーキテクチャを採用し、高い柔軟性とプログラマビリティを提供します。GPUは、グラフィックス処理や計算集約的なタスクの高速化に使用される高度な並列アーキテクチャを採用するが、一般的なコンピューティングにおける柔軟性は相対的に低くなります。DPUの設計は、主にデータ処理とネットワーク機能の高速化に焦点を当て、様々なハードウェアアクセラレータと最適化機能を統合することで、高性能で低レイテンシのデータ処理ソリューションを提供します。
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3. 応用分野:CPUはデスクトップコンピュータ、サーバー、モバイルデバイスで広く使用されています。GPUは主にグラフィックスレンダリング、ゲーム、科学計算、機械学習などの分野で使用され、大規模な並列計算を必要とするタスクに適しています。DPUは主にデータセンターやネットワークデバイスで使用され、パケット処理、トラフィック管理、安全な暗号化などのタスクを高速化し、高性能なデータ処理とネットワーク機能の高速化を提供します。
CPU | GPU | DPU | |
---|---|---|---|
機能と使い方 | 様々な一般的なコンピューティングタスク | アクセラレーテッドコンピューティング | データセンター内のデータ移動 |
デザインとアーキテクチャ |
複雑なプロセッサアーキテクチャ | 高度な並列アーキテクチャ | ハードウェアアクセラレーターの統合 |
応用分野 |
デスクトップコンピュータ、サーバー、モバイルデバイス | 大規模並列コンピューティング | データセンターとネットワーク機器 |
SmartNICに統合されたDPU
DPUはスタンドアロンの組み込みプロセッサとして動作します。しかし、次世代サーバーの重要なコンポーネントであるネットワークインターフェイスコントローラのSmartNICに統合されるのが一般的です。
DPUであると主張する他のデバイスには、強力な処理能力、高速データ転送、汎用的なアクセラレーションなど、前述の3つの重要な要素が欠けています。
たとえば、一部のサプライヤーは、Arm CPUエコシステムの広範な開発およびアプリケーションインフラを利用しない独自のCPUをを採用しています。また、DPUの搭載をうたいながら、データルート処理を組み込みCPUのみに依存するという間違いをおかすサプライヤーもあります。
DPUの10個のアクセラレーションとハードウェア機能
では、実際のDPUとは何でしょうか?一般的に、ネットワークデータパスアクセラレーションエンジンには10の能力が必要とされます:
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1. データパケットの解析、マッチング、操作によるOVSの実装。
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2. ゼロタッチRoCEのRDMAデータ転送アクセラレーション。
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3. GPUダイレクトアクセラレーターにより、CPUをバイパスしてGPUに直接ネットワークデータを供給。
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4. RSS、LRO、チェックサムなどの機能を備えたTCPアクセラレーション。
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5. VXLAN、Geneveオーバーレイ、VTEPオフロードのためのネットワーク仮想化。
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6. マルチメディアストリーミングやコンテンツ配信ネットワーク向けのトラフィックシェーピングアクセラレーター。
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7. 通信クラウドRANと5G機能のための高精度タイミングアクセラレーター。
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8. インラインIPSECおよびTLSの暗号化アクセラレーション。
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9. SR-IOV、VirtIO、準仮想化の仮想化サポート。
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10. ルートオブトラスト、セキュアブート、ファームウェアアップグレード、認証コンテナ、アプリケーションライフサイクル管理による安全な分離。
いわゆるDPUの中には、一部の機能だけに特化したものもあれば、独自のプロセッサを使ってデータパスをオフロードしようとするものもあります。しかし、このアプローチはデータセンターの巨大な規模と複雑さには不十分です。
最悪の試みは、独自のプロセッサを使用してデータパスをオフロードすることです。プロトタイプの作成には適しているが、データセンターの規模、範囲、広さを考えると、これは無駄な作業です。
結論
データ処理ユニット(DPU)は、CPU、GPUと並ぶコンピューティングの3本柱の1つとなっています。データセンター内でのデータの移動や処理を効率的に処理する能力を持つDPUは、クラウドスケールのコンピューティングを実現し、最新のアプリケーションの要求に応える上で重要な役割を果たしています。
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