Разделяемые ресурсы: Новый взгляд на архитектуру центров обработки данных

Автор: Денис Аветисян

Как разделение аппаратных ресурсов меняет принципы организации и управления современными дата-центрами.

Разделение архитектуры на независимые компоненты, хотя и представляется идеальным решением, неизбежно порождает технический долг, поскольку производственная среда всегда найдет способ обойти теоретическую элегантность ради практической реализации.

В статье рассматриваются преимущества и проблемы аппаратного разделения, оптимизации пулинга ресурсов и со-проектирования аппаратного и программного обеспечения для повышения эффективности и гибкости центров обработки данных.

Пока крипто-инвесторы ловят иксы и ликвидации, мы тут скучно изучаем отчетность и ждем дивиденды. Если тебе близка эта скука, добро пожаловать.

Купить акции "голубых фишек"

Традиционные архитектуры центров обработки данных (ЦОД) часто сталкиваются с неэффективностью использования ресурсов и сложностью масштабирования. В данной работе, ‘Disaggregated Architectures and the Redesign of Data Center Ecosystems: Scheduling, Pooling, and Infrastructure Trade-offs’, рассматривается концепция аппаратной дисагрегации как альтернативный подход к организации ресурсов ЦОД. Показано, что эффективное управление пулом дисагрегированных ресурсов, совместное проектирование аппаратного и программного обеспечения, а также оптимизация энергопотребления и охлаждения являются ключевыми факторами успеха. Какие новые возможности для повышения гибкости и эффективности ЦОД откроет дальнейшая интеграция гетерогенных вычислительных ресурсов и передовых технологий, таких как CXL?

Узкое Место Масштабируемости: Пределы Традиционных Архитектур

Традиционная серверная архитектура, характеризующаяся тесной связью ресурсов, всё чаще испытывает трудности при работе с современными рабочими нагрузками. Невозможность независимого масштабирования вычислительных ресурсов и памяти создает узкое место, препятствующее достижению оптимальной производительности и эффективности. Эта негибкость приводит к неэффективному использованию ресурсов, известному как «заброшенная память» (resource stranding). Согласно отчетам, в таких средах, как Azure, потери памяти могут достигать 25%, что указывает на значительные финансовые и операционные издержки.

Исследование показывает, что конфигурация пула ресурсов оказывает значительное влияние на эффективность использования ресурсов.

Каждое «революционное» решение завтра станет техническим долгом.

Аппаратная Дисагрегация: Новый Подход к Управлению Ресурсами

Дисагрегация аппаратного обеспечения представляет собой реструктуризацию ИТ-ресурсов в общие пулы, позволяя независимо масштабировать вычислительные мощности, память и другие ресурсы. Такой подход повышает эффективность использования и гибкость, реагируя на динамические требования нагрузки. Использование общих пулов ресурсов оптимизирует распределение и использование аппаратных компонентов, снижая необходимость в избыточном резервировании, особенно в средах с переменчивой нагрузкой. Технологии, такие как Compute Express Link (CXL), обеспечивают высокоскоростную связь между дисагрегированными ресурсами, минимизируя накладные расходы на производительность. Следует отметить, что CXL вносит задержку в 170–250 нс по сравнению с задержкой доступа к памяти DDR, составляющей 80–140 нс, но преимущества гибкости и масштабируемости часто перевешивают небольшое увеличение задержки.

Оптимизация Пулов Ресурсов: Конфигурация и Стратегии Распределения

Разделение аппаратных ресурсов на уровне стойки (rack-scale disaggregation) расширяет преимущества аппаратного разделения до уровня стойки, создавая более крупные и управляемые пулы ресурсов, повышая гибкость и эффективность использования инфраструктуры дата-центра. Эффективная настройка пулов ресурсов имеет решающее значение. Проектирование пулов, специализированных для конкретных функций, адаптирует ресурсы к потребностям определенных рабочих нагрузок, однако унифицированные конфигурации демонстрируют более высокую утилизацию ресурсов, включая процессорное время и память, а также повышенную экономическую эффективность.

Система управления DDC интегрирует охлаждение, энергоснабжение и управление ресурсами для обеспечения оптимальной производительности.

Для оптимизации распределения ресурсов и максимизации их использования могут применяться передовые методы, такие как целочисленное линейное программирование. Комбинирование разделенных ресурсов с традиционными серверами дополнительно повышает утилизацию ресурсов и экономическую эффективность инфраструктуры.

Дисагрегация и Многоуровневая Память: Обеспечение Масштабируемого Доступа

Разделение памяти от вычислительных узлов позволяет гибко распределять ресурсы памяти и преодолевать ограничения масштабируемости. Данный подход предполагает отделение физической памяти от процессоров, что открывает возможности для динамического выделения и перераспределения ресурсов в зависимости от потребностей приложений. Многоуровневая память использует как локальную, так и удалённую память, размещая часто используемые данные в более быстрой локальной памяти, а менее востребованные – в экономичной удалённой памяти, оптимизируя производительность за счёт уменьшения задержек при доступе к часто используемым данным и снижения затрат на хранение редко используемых.

Технологии, такие как Remote Direct Memory Access (RDMA) и Gen-Z, обеспечивают доступ к удалённой памяти с низкой задержкой. Оптическая связь обеспечивает пропускную способность до ∼8 Тбит/с (∼1 ТБ/с) с задержкой около ∼10 нс (без учета задержки по волокну), а InfiniBand NDR – 50 Гбит/с (400 Гбит/с) с задержкой в микросекундном диапазоне. Каждое «революционное» решение в конечном итоге становится техническим долгом.

Системные Аспекты: Охлаждение, Электропитание и Сетевой Ввод-Вывод

Разделение аппаратного обеспечения на отдельные компоненты требует развитой поддерживающей инфраструктуры. Особенно важным аспектом является эффективное охлаждение, необходимое для управления повышенной плотностью мощности. Надлежащие устройства распределения питания (PDU) критически важны для обеспечения надежного электропитания разобщенных ресурсов, от их корректной работы зависит стабильность всей системы и предотвращение сбоев. Высокопроизводительный ввод-вывод по сети имеет решающее значение для обеспечения бесперебойной связи между разобщенными компонентами и поддержания общей производительности системы. Стандарт PCIe 7.0, предлагающий пропускную способность до 512 ГБ/с, является перспективным решением для удовлетворения этих требований.

Статья рассматривает концепцию дисагрегированной архитектуры, стремящейся к более эффективному использованию ресурсов дата-центра. В этом нет ничего принципиально нового. Зачастую, кажущаяся революция – лишь переупаковка старых решений. Как заметил Роберт Таржан: «Программирование – это искусство объяснять компьютеру, как делать вещи, которые он и так мог бы сделать». И в данном случае, дисагрегация – это попытка объяснить дата-центру, как эффективнее распоряжаться своими ресурсами. В конечном итоге, всё сводится к оптимизации планирования ресурсов и снижению энергопотребления, а это – вечная борьба, просто теперь с новыми технологическими инструментами, такими как CXL.

Что дальше?

Разрозненные архитектуры, как и любая «революция» в центрах обработки данных, не решают проблем, а лишь перераспределяют их. Оптимизация пулинга ресурсов, предложенная в данной работе, – это, конечно, шаг вперёд. Однако, в реальности, каждый пул станет новым узким местом, требующим тонкой настройки и, неминуемо, ручного вмешательства. Удивительно, как быстро «элегантное» решение превращается в legacy, требующее поддержки и патчей.

Совместная разработка аппаратного и программного обеспечения – благородная цель. Но, как показывает опыт, производители железа и разработчики софта живут в разных вселенных. Синхронизация их усилий – задача, достойная отдельной исследовательской программы, которая, вероятно, продлится до следующей «революции». А вопрос энергоэффективности… что ж, это вечная борьба. Уменьшить потребление – значит, сделать систему более сложной, а значит, менее надёжной.

Пока же, CXL и подобные технологии остаются многообещающими инструментами. Но не стоит забывать, что любой новый интерфейс – это новый источник ошибок и уязвимостей. Так что, когда все эти решения будут развёрнуты в продакшене, скорее всего, придётся просто продлевать страдания существующей инфраструктуры. В конце концов, мы не чиним продакшен – мы просто оттягиваем неизбежное.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2511.04104.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-11-09 03:23