Производительность любого современного суперкомпьютера или кластера во многом зависит от интерконнекта, объединяющего вычислительные узлы в единое целое, и практически обязательным компонентом такой сети является коммутатор. Однако последнее не аксиома: компания Rockport Networks представила своё видение HPC-систем, не требующее использования традиционных коммутирующих устройств.

Проблема межсоединений существовала в мире суперкомпьютеров всегда, даже в те времена, когда сам процессор был набором более простых микросхем, порой расположенных на разных платах. В любом случае узлы требовалось соединять между собой, и эта подсистема иногда бывала неоправданно сложной и проблемной. Переход на стандартные сети Ethernet, Infiniband и их аналоги многое упростил — появилась возможность собирать суперкомпьютеры по принципу конструктора из стандартных элементов.

Пассивный оптический коммутатор SHFL

Тем не менее, проблема масштабирования (в том числе и на физическом уровне кабельной инфраструктуры), повышения скорости и снижения задержек никуда не делась. У DARPA даже есть особый проект FastNIC, нацеленный на 100-кратное ускорение сетевых интерфейсов, чтобы в конечном итоге сгладить разницу в скорости обмена данными внутри узлов и между ними.

Сам по себе высокоскоростной коммутатор для HPC-систем — устройство непростое, требующее использования недешёвого и сложного кремния, и вкупе с остальными компонентами интерконнекта может составлять заметную долю от стоимости всего кластера в целом. При этом коммутаторы могут вносить задержки, по определению являясь местами избыточной концентрации данных, а также требуют дополнительных мощностей подсистем питания и охлаждения.

Подход, продвигаемый компанией Rockport Networks, свободен от этих недостатков и изначально нацелен на минимизацию точек избыточности и возможных коллизий. А достигнуто это благодаря архитектуре, в которой концепция традиционного сетевого коммутатора отсутствует изначально. Вместо этого имеется специальный модуль SHFL, в котором топология сети задаётся оптически, а все логические задачи берут на себя специализированные сетевые адаптеры, работающие под управлением фирменной ОС rNOS и имеющие на борту сконфигурированную нужным образом ПЛИС.

Модуль SHFL даже не требует отдельного электропитания, а вот адаптеры Rockport NC1225 его хотя и требуют, но умещаются в конструктив низкопрофильного адаптера с разъёмом PCIe x16 и потребляют всего 36 Вт. Правда, в настоящий момент речь идёт только о PCIe 3.0, поэтому полнодуплексного подключения на скорости 200 Гбит/с пока нет. Тем не менее, Техасский центр передовых вычислений (TACC) посчитал, что этого уже достаточно и стал одним из первых заказчиков — 396 узлов суперкомпьютера Frontera используют решение Rockport.

Использование не совсем традиционной оптической сети, впрочем, накладывает свои особенности: вместо популярных *SFP-корзин используются разъёмы MTP/MPO-24, а каждый кабель даёт для подключения 12 отдельных волокон, что при скорости 25 Гбит/с на волокно позволит достичь совокупной пропускной способности 300 Гбит/с. ОС и приложениям адаптер «представляется» как чип Mellanox ConnectX-5, который и входит в его состав, а потому не требует каких-то особых драйверов или модулей ядра.

Rockport фактически занимается транспортировкой Ethernet и реализует уровень OSI 1/1.5, однако традиционной коммутации как таковой нет — адаптеры самостоятельно определяют конфигурацию сети и оптимальные маршруты передачи сигнала по отдельным волокнам с возможностью восстановления связности на лету при каких-либо проблемах. Весь трафик разбивается на маленькие кусочки (FLIT'ы) и отправляется по виртуальным каналам (VC) с чередованием, что позволяет легко управлять приоритизацией (в том числе на L2/L3) и снизить задержки.

SHFL имеет 24 разъёма для адаптеров и ещё 9 для объединения с другими SHFL и Ethernet-шлюзами для подключения к основной сети ЦОД (в ней сеть Rockport видна как обычная L2). Таким образом, в составе кластера каждый узел может быть подключён как минимум к 12 другим узлам на скорости 25 Гбит/с. Однако топологию можно менять по своему усмотрению. Компания-разработчик заявляет о преимуществе своего интерконнекта на классических HPC-задачах, могущем достигать почти 30% при сравнении c InfiniBand класса 100G и даже 200G. Кроме того, для Rockport требуется на 72% меньше кабелей.

От собственной технологии интерконнекта Omni-Path (OPA) компания Intel довольно неожиданно отказалась летом 2019 года, хотя на тот момент OPA-решения составляли достойную конкуренцию InfiniBand EDR, Ethernet и проприетарным интерконнектам как по скорости, так и по уровню задержки и поддержки необходимых для высокопроизводительных вычислений (HPC) функций. В конце прошлого года все наработки по OPA перешли к компании Cornelis Networks, образованной выходцами из Intel.

В арсенале Intel были процессоры Xeon и Xeon Phi со встроенным интерфейсом Omni-Path, PCIe-адаптеры, коммутаторы и сопутствующее ПО. Казалось бы, у технологии большое будущее, однако второе поколение шины OPA, поддерживающее скорость 200 Гбит/с, так и не было выпущено, а компания сосредоточилась на Ethernet. При этом NVIDIA уже анонсировала InfiniBand NDR (400 Гбит/c), да и 200GbE-решениями сейчас никого не удивить.

Однако идеи, заложенные в Omni-Path, не умерли, и упавшее знамя нашлось, кому подхватить. Cornelis Networks быстро принялась за дело — через месяц после представления компании уже были представлены новые машины с Omni-Path, причём как на базе Intel, так и на базе AMD. А на ISC 2021 Cornelis Networks анонсировала полный спектр собственных решений под брендом Omni-Path Express, реализующих все основные достоинства технологии.

Конечно, процессоров с разъёмом Omni-Path мы по понятным причинам уже не увидим, но компания предлагает низкопрофильные хост-адаптеры с пропускной способностью до 25 Гбайт/с (100 Гбит/с в каждом направлении). Они поддерживают открытый фреймворк Open Fabrics Interface (OFI) и предлагают коррекцию ошибок с нулевой латентностью. В качестве разъёма используется популярный в индустрии QSFP28.

Также представлен ряд коммутаторов. В серии CN-100SWE есть модели с поддержкой горячей замены, которые имеют 48 портов и общую пропускную способность до 1,2 Тбайт/с при латентности, не превышающей 110 нс. Поддерживается организация виртуальных линий Omni-Path Express и фреймы большого размера, от 2 до 10 Кбайт. При этом коммутаторы компактны и занимают всего 1 слот в стандартной стойке.

Директор CN-100SWE предназначен для крупных кластерных систем. Он является модульным и может занимать от 7U до 20U, реализуя при этом от 288 до 1152 портов Omni-Path Express со скоростью 100 Гбит/с на порт. Латентность при этом не превышает 340 нс. Для сравнения, сети на базе Ethernet, как правило, оперируют значениями в десятки миллисекунд в лучшем случае.

Технологиями Cornelis Networks уже заинтересовался крупный российский поставщик HPC-систем, группа компаний РСК, которая и ранее поставляла кластеры и суперкомпьютеры с Omni-Path, в том числе с коммутаторами, снабжёнными фирменной СЖО. РСК получила наивысший партнёрский статус Elite+ у Cornelis и уже готова интегрировать Omni-Path Express в системы «РСК Торнадо» на базе третьего поколения процессоров Xeon Scalable.

Довольно неожиданно компания Intel отказалась от развития интерконнекта Omni-Path, которую она продвигала в серверных и HPC-платформах сначала для соединения узлов, в том числе для гиперконвергентных систем. Первое поколение шины Omni-Path с пропускной способностью до 100 Гбит/с на порт появилось несколько лет назад. Но ожидаемого второго поколения решений с пропускной способностью до 200 Гбит/с уже не будет.

Ускорители Intel Xeon Phi с интегрированными контроллером и шиной Omni-Path

Информацию о прекращении разработки и выпуска продукции Intel OmniPath Architecture 200 (OPA200) компания подтвердила, например, нашим коллегам с сайта HPCwire. Компания продолжит поддержку и поставку решений с шиной OPA100, но поставок продуктов с архитектурой OPA200 на рынок больше не будет.

В принципе, сравнительно слабая поддержка шины Intel OmniPath со стороны клиентов рынка высокопроизводительных систем намекала на нечто подобное. Большей популярностью у строителей суперсистем и не только продолжает пользоваться InfiniBand и её новое HDR-воплощение с той же пропускной способностью до 200 Гбит/с. В свете ликвидации OPA200 становится понятно, почему Intel схватилась с NVIDIA за право поглощения компании Mellanox. Но не вышло: приз ушёл к NVIDIA.

«Вообще, половина инсталляций в TOP500 использует Ethernet, но в основном 10/25/40 Гбит/с, и лишь совсем чуть-чуть может похвастаться 100 Гбит/с. InfiniBand установлен почти в 130 машинах, а Omni-Path есть чуть больше чем в 40. Остальное — проприетарные разработки».

Что остаётся Intel? У лидера рынка микропроцессоров есть I/O-активы. Компания около 8 лет активно выстраивает направление для развития коммуникаций в ЦОД. За это время она поглотила разработчика коммутационных ASIC компанию Fulcrum Microsystems, подразделение по разработке адаптеров и коммутаторов InfiniBand компании QLogic и коммуникационное подразделение компании Cray. Относительно свежей покупкой Intel стала компания Barefoot Networks, разработчик решений для Ethernet-коммутаторов.

Похоже, Intel решила вернуться к классике: InfiniBand (что менее вероятно) и Ethernet (что более вероятно), а о проприетарных шинах в виде той же Omni-Path решила забыть. В конце концов, Ethernet-подразделение компании славится своими продуктами. Новое поколения Intel Ethernet 800 Series способно заменить OPA100.