Warum die Public Cloud auf FPGAs setzt – und warum Sie das auch tun sollten

Lori Mac VittieDistinguished Engineer und Chief Evangelist | F5

Falls Ihnen die Ankündigung inmitten der Flut an verbraucherorientierter Werbung und Produktveröffentlichungen während der Weihnachtssaison 2016 entgangen sein sollte: Amazon sorgte für einiges Aufsehen, als das Unternehmen ankündigte, künftig auf Hardware zu setzen. Deepak Singh, General Manager der Container- und HPC-Sparte bei AWS, erklärte dazu: „Ab einer gewissen Größenordnung sind spezialisierte Hardware und Infrastruktur äußerst sinnvoll. Für diejenigen, die eine spezielle Infrastruktur benötigen, sind FPGAs unserer Ansicht nach eindeutig eine gute Lösung.“

Singh erläutert eine Reihe von „Anwendungsfällen“, in denen eine solche „spezielle Infrastruktur“ besonders nützlich ist, darunter Sicherheit und maschinelles Lernen. Zugleich verweist er auf den heute am weitesten verbreiteten Einsatz spezialisierter Hardware: die Grafikbeschleunigung.

Der Einsatz von FPGAs und spezieller Hardware – häufig als zweckgebunden oder kundenspezifisch bezeichnet – ist selbst im Rechenzentrum nichts Neues. Die Vorteile einer fest verdrahteten Implementierung bestimmter Funktionen sind hinlänglich bekannt. Im Kern ist ein Netzwerk-Switch nichts anderes als speziell für einen bestimmten Zweck entwickelte Hardware. Er erfüllt eine klar definierte Reihe von Aufgaben – mit hoher Geschwindigkeit und in großem Maßstab. Auch FPGAs sind in Rechenzentren keine Seltenheit. Viele Sicherheitsgeräte – insbesondere solche zum Schutz vor DDoS-Angriffen – verwenden speziell konfigurierte FPGAs, um eingehenden Datenverkehr mit der erforderlichen Geschwindigkeit und Skalierbarkeit zu prüfen und so DDoS-Angriffe zu erkennen und abzuwehren.

Es gibt ganze Märkte für Chips und Platinen, die speziell für die komplexe kryptografische Verarbeitung ausgelegt sind, die SSL und TLS erfordern. Beide Technologien dienen dazu, Webanwendungen und APIs abzusichern, den Fernzugriff zu ermöglichen und Verbindungen zur Cloud zu schützen. Da sich Bedrohungen weiterentwickelt haben und Sicherheitslösungen entsprechend angepasst wurden, ist eine derart gezielte hardwaregestützte kryptografische Verarbeitung unverzichtbar geworden, um die erforderliche Geschwindigkeit und Skalierbarkeit zu gewährleisten, wettbewerbsfähig zu bleiben und zugleich sensible Verbraucher- und Unternehmensdaten zu schützen.

Der gemeinsame Nenner zwischen dem traditionellen Einsatz von Hardware und FPGAs und ihrem Einsatz in der Public Cloud ist die Skalierbarkeit, also die Kapazität. Darüber hinaus ergeben sich positive Auswirkungen auf Leistung und Kosten, die den Einsatz von Hardware für Public-Cloud-Anbieter attraktiv machen. Der Einsatz von FPGAs (insbesondere solchen, die sich neu konfigurieren lassen durch ihre Nutzer) und Hardware bietet tatsächlich drei unterschiedliche (aber miteinander verbundene) Vorteile, die sie zu einer guten Wahl für die Public Cloud machen und Anlass geben sollten, sie auch für Ihre Private-Cloud- (oder herkömmlichen Rechenzentrums-)Initiativen in Betracht zu ziehen.

1. Geschwindigkeit. Es ist unbestreitbar, dass Hardware eine Funktion schneller und mit weniger Ressourcen ausführen kann. Eine fest verdrahtete Funktion lässt sich ohne die interne Latenz ausführen, die zum Laden und Ausführen des Codes erforderlich ist, der diese Funktion in Software nachbildet. Speziell entwickelte Hardware kann die hochkomplexen mathematischen Funktionen, die für die Ver- und Entschlüsselung erforderlich sind, schneller ausführen als der Lieferfahrer von Jimmy John’s. Kein Scherz.

Für Unternehmen und Private Clouds bedeutet dies schnellere Anwendungen für Kunden, was die allgemeine Interaktionsrate (und hoffentlich auch die Konversionsrate) verbessert und so zu höherer Zufriedenheit sowie intern zu höherer Produktivität führt. Geschwindigkeit trägt dazu bei, eine der drei wichtigsten Komponenten des operationellen Risikos zu bewältigen: die Leistung.

2. Skalierbarkeit. Skalierbarkeit ist, wie Singh anmerkt, eine der wichtigsten Triebfedern für die Erforschung und Einführung von FPGAs und speziell entwickelter Hardware. Sie wird zum Teil durch die Geschwindigkeit ermöglicht. Man kann sich einen Server wie einen Tisch mit einer begrenzten Anzahl an Stühlen (Kapazität) vorstellen. Je schneller sich jemand hinsetzen und essen kann, desto mehr Menschen können versorgt werden. Derselbe Zusammenhang besteht zwischen der Verbindungskapazität (die bestimmt, wie viele Benutzer von einer einzelnen Ressource bedient werden können) und der Geschwindigkeit, mit der Transaktionen ausgeführt werden. Zur Skalierbarkeit trägt auch das bei, was die Branche als „Offloading“ bezeichnet. Offloading ist eine einfache Bezeichnung für die Verlagerung der Verarbeitungslast von Allzweck-CPUs auf speziell entwickelte Hardware. Dadurch bleiben allgemeine Rechenressourcen für die Verarbeitung anderer Funktionen verfügbar, was die Gesamtgeschwindigkeit und damit die Kapazität erhöht.

Für Unternehmen und Private Clouds bedeutet dies, mit weniger Ressourcen mehr zu erreichen. Dadurch kann die IT parallel zum Unternehmen wachsen, ohne den laufenden Betrieb übermäßig zu beeinträchtigen, und die Komplexität der für dieses Wachstum erforderlichen Netzwerke wird reduziert. Skalierbarkeit trägt dazu bei, Risiken in einem der drei zentralen Bereiche des Betriebsrisikos zu vermeiden: der Verfügbarkeit.

3. Kosten. Durch die Verbesserung von Geschwindigkeit und Skalierbarkeit sinken die Kosten pro Transaktion (und damit pro Nutzer). Niedrigere Kosten bedeuten eine schnellere Kapitalrendite, doch noch wichtiger ist, dass dadurch die Kosten pro Kunde sinken (und umgekehrt der Umsatz pro Nutzer steigt). Dienstanbieter wissen, dass sich dies auf wichtige Leistungskennzahlen wie den ARPU (jährlicher Umsatz pro Nutzer) auswirkt. Ein Cloud-Anbieter, der zur Erzielung von Gewinnen ebenfalls auf Volumen (Skalierung) angewiesen ist, weiß, dass die Steigerung des ARPU ein wichtiger Bestandteil des Geschäfts ist.

Für Unternehmen und Private Clouds bedeutet dies höhere Margen beim digitalen Vertrieb an Kunden sowie ein hervorragendes Ergebnis bei der Kosten-Nutzen-Analyse, wenn man die gesteigerte Produktivität interner Anwendungen berücksichtigt.

Es versteht sich von selbst, dass der Einsatz von FPGAs und speziell entwickelten Lösungen zur Erfüllung der Sicherheitsanforderungen auch Anwendungen sicherer macht. Damit wird die dritte Komponente des Betriebsrisikos adressiert: die Sicherheit. Der Vorteil von Hardware besteht darin, dass dies ohne Einbußen bei Geschwindigkeit (sie kann Anwendungen sogar beschleunigen) oder Skalierbarkeit gelingt. 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.

Über den Autor

Lori Mac VittieDistinguished Engineer und Chief Evangelist | F5

Lori MacVittie ist Distinguished Engineer und Chief Evangelist im Office of the CTO von F5 und verfügt über umfassende Expertise in den Bereichen Anwendungsbereitstellung, Automatisierungsstrategie und Infrastruktur. Sie ist dafür bekannt, Komplexität verständlich zu machen – ob sie Leitplanken für KI-Agenten definiert, fragile Multicloud-Architekturen analysiert oder die Grenzen skalierbarer Systeme auslotet. Sie verfügt über mehr als dreißig Jahre Branchenerfahrung in der Anwendungsentwicklung, IT-Architektur sowie im Netzwerk- und Systembetrieb. Bevor sie zu F5 kam, war sie als mehrfach ausgezeichnete Technologie-Redakteurin tätig. MacVittie hat einen Masterabschluss in Informatik und ist eine produktive Autorin, deren Veröffentlichungen die Bereiche Sicherheit, Cloud und Unternehmensarchitektur abdecken. Außerdem spielt sie leidenschaftlich gern Brett- und Videospiele und vertritt mit voller Überzeugung klare Ansichten zum Thema Käse.

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