Warum Public Cloud FPGAs einsetzt und Sie das auch tun sollten

Falls Sie die Ankündigung inmitten der Flut an verbraucherorientierten Anzeigen und Veröffentlichungen während der Weihnachtssaison 2016 übersehen haben: Amazon hat mit seiner Ankündigung, sich auf Hardware zu konzentrieren, für ziemliches Aufsehen gesorgt. Deepak Singh, General Manager der Container- und HPC-Abteilung bei AWS, bemerkte: „Ab einem bestimmten Maßstab sind spezialisierte Hardware und Infrastruktur durchaus sinnvoll. Für diejenigen, die eine spezielle Infrastruktur benötigen, sind FPGAs unserer Meinung nach eine klare Lösung.“

Singh beschreibt eine Reihe von „Anwendungsfällen“, in denen eine solche „spezielle Infrastruktur“ besonders nützlich ist, darunter Sicherheit und maschinelles Lernen, und verweist gleichzeitig auf die heute am weitesten verbreitete Verwendung spezialisierter Hardware, nämlich die Grafikbeschleunigung.

Der Einsatz von FPGAs und spezieller Hardware – oft als zweckgebundene oder kundenspezifische Hardware bezeichnet – ist auch im Rechenzentrum nichts Neues. Die Vorteile der Festverdrahtung bestimmter Funktionen sind allgemein bekannt. Ein Netzwerk-Switch ist im Grunde ein speziell angefertigtes Stück Hardware. Es führt eine Reihe von Aufgaben aus, und zwar mit hoher Geschwindigkeit und in großem Maßstab. Auch der Einsatz von FPGAs ist im Rechenzentrum keine Seltenheit. Viele Sicherheitsgeräte – insbesondere solche zum Schutz vor DDoS-Angriffen – verwenden speziell konfigurierte FPGAs, um die zur Erkennung und Ablehnung eingehender DDoS-Angriffe erforderliche Überprüfung des eingehenden Datenverkehrs sehr schnell und im erforderlichen Umfang durchzuführen.

Es gibt ganze Märkte, die Chips und Platinen anbieten, die für die komplexe kryptografische Verarbeitung von SSL und TLS ausgelegt sind. Beide werden verwendet, um Webanwendungen und APIs zu sichern, Fernzugriff zu ermöglichen und Verbindungen mit der Cloud zu sichern. Angesichts der sich ständig weiterentwickelnden Bedrohungen und der Anpassung von Sicherheitslösungen an diese ist die Notwendigkeit einer solchen gezielten kryptografischen Verarbeitung über Hardware von unschätzbarem Wert geworden. Nur so lässt sich die Geschwindigkeit und der Umfang sicherstellen, die erforderlich sind, um wettbewerbsfähig zu bleiben und gleichzeitig vertrauliche Verbraucher- und Unternehmensdaten zu schützen.

Der rote Faden zwischen der herkömmlichen Verwendung von Hardware und FPGAs und der Verwendung in der öffentlichen Cloud ist die Skalierung bzw. Kapazität. Es gibt jedoch auch (positive) Auswirkungen auf die Leistung und die Kosten, die den Einsatz von Hardware für öffentliche Cloud-Anbieter attraktiv machen. Die Verwendung von FGPAs ( insbesondere solchen, die von ihren Benutzern neu konfiguriert werden können ) und Hardware hat drei unterschiedliche (aber miteinander verbundene) Vorteile, die sie zu einer guten Wahl für die öffentliche Cloud machen und Grund genug sein sollten, dasselbe auch für Ihre Private-Cloud-Initiativen (oder herkömmlichen Rechenzentrumsinitiativen) in Betracht zu ziehen.

1. Geschwindigkeit. Die Fähigkeit der Hardware, eine Funktion schneller und mit weniger Ressourcen auszuführen, ist unbestreitbar. Eine festverdrahtete Funktion kann ohne die interne Latenz ausgeführt werden, die zum Laden und Ausführen des zum Replizieren der Funktion in der Software erforderlichen Codes erforderlich ist. Spezielle Hardware kann die hochkomplexen mathematischen Funktionen, die zur Ver- und Entschlüsselung erforderlich sind, schneller ausführen als der Lieferant von Jimmy John’s. Kein Scherz.

Für Unternehmen und private Clouds bedeutet dies schnellere Apps für Kunden, was die allgemeine Engagement-Rate (und hoffentlich auch die Konvertierungsrate) verbessert und so zu höherer Zufriedenheit und interner Produktivität führt. Geschwindigkeit trägt dazu bei, eine der drei Hauptkomponenten des Betriebsrisikos anzugehen: die Leistung.

2. Skala. Wie Singh anmerkt, ist der Maßstab einer der Haupttreiber für die Erforschung und Einführung von FPGAs und speziell entwickelter Hardware. Dies wird teilweise durch die Geschwindigkeit ermöglicht. Stellen Sie sich einen Server ähnlich einem Tisch mit einer begrenzten Anzahl Stühle (Kapazität) vor. Je schneller sich jemand hinsetzen und essen kann, desto mehr Personen können verköstigt werden. Die gleiche Beziehung besteht zwischen der Verbindungskapazität (die bestimmt, wie viele Benutzer von einer einzelnen Ressource bedient werden können) und der Geschwindigkeit, mit der Transaktionen ausgeführt werden. Die Skalierung wird in der Branche als „Offload“ bezeichnet. Mit Offload lässt sich einfach die Verlagerung der Verarbeitungslast von Allzweck-CPUs auf speziell entwickelte Hardware beschreiben. Dadurch bleiben allgemeine Rechenressourcen für die Verarbeitung anderer Funktionen verfügbar, was zu einer Erhöhung der Gesamtgeschwindigkeit und somit auch der Kapazität führt.

Für Unternehmen und private Clouds bedeutet dies, dass mit weniger mehr erreicht werden kann. Dadurch kann die IT weniger störend mit dem Unternehmen wachsen und die Komplexität der Netzwerke, die zur Unterstützung dieses Wachstums erforderlich sind, wird reduziert.  Durch Skalierung lässt sich eine der drei Hauptkomponenten des Betriebsrisikos vermeiden: die Verfügbarkeit.

3. Kosten. Durch die Verbesserung von Geschwindigkeit und Umfang werden die Kosten pro Transaktion (und damit pro Benutzer) gesenkt.  Niedrigere Kosten bedeuten eine schnellere Kapitalrendite, aber noch wichtiger: Sie senken die Kosten pro Kunde (und verbessern umgekehrt den Umsatz pro Benutzer). Dienstanbieter wissen, dass dies Auswirkungen auf wichtige Leistungsindikatoren wie den ARPU (Annual Revenue Per User) hat. Ein Cloud-Anbieter, der zur Erzielung von Gewinnen auch auf Volumen (Skala) angewiesen ist, weiß, dass die Erhöhung des ARPU ein wichtiger Teil des Geschäfts ist.

Für Unternehmen und die private Cloud bedeutet dies bessere Margen bei den kundenorientierten digitalen Verkäufen und ein hervorragendes Kosten-Nutzen-Verhältnis im Vergleich zur erhöhten Produktivität interner Apps.

Es versteht sich von selbst, dass der Einsatz von FPGAs und speziell entwickelten Lösungen zur Berücksichtigung der Sicherheitsanforderungen auch die Sicherheit von Apps erhöht. Damit wird die dritte Komponente des operationellen Risikos angesprochen: die Sicherheit. Der Vorteil von Hardware besteht darin, dass dabei keine Einbußen bei der Geschwindigkeit (Apps können dadurch tatsächlich schneller werden) oder der Skalierbarkeit auftreten. Wenn Sie Ihre eigene private Cloud-Infrastruktur aufbauen, sollten Sie speziell entwickelte Hardware und FPGA-fähige Plattformen als Weg zu einer robusteren Umgebung in Betracht ziehen.