ITインフラストラクチャの新しいトレンドを棚にレイアウトする：スケールアウト、Webスケール、ハイパーコンバージェンスとは

ハードウェアでオープンソースを期待できますか？

ウラジミール・アレクシーエフ、IBM







過去数年間、ハードウェア市場では、ハイパーコンバージェンス、水平方向にスケーラブルなシステムとWebスケールIT、ソフトウェア定義ソリューションへの動きについて活発な議論が行われてきました。 以下では、これらすべてがどのように関連しているか、どのタスクにどのアプローチを使用できるかを理解しようとします。

用語を扱います

スケールアップおよびスケールアウトシステム



それでは、スケーラビリティの提供に応じて、スケールアウトとスケールアップの2つのタイプにすべてのシステムを分けることから始めましょう。 垂直スケールシステム（スケールアップ）は以前に市場に登場し、最初はメインフレームで表示され、その後RISCプロセッサアーキテクチャシステム（IBM Power、Oracle SPARCなど）で表示されました。 水平スケールシステム（スケールアウト）はかなり後に登場し、その夜明けはx86アーキテクチャの急増に関連しています。 スケールアウトアーキテクチャの特徴は、アプリケーションが配布される多数の小さなサーバーの存在です。 基本的に反対の考えにもかかわらず、スケールアップとスケールアウトのアプローチは同じシステム内で組み合わされることがよくあります。たとえば、データベースは垂直方向にスケーラブルなハードウェアに配置され、アプリケーションサーバーは水平方向にスケーリングされます。



ハイパーコンバージェンス



しかし、これらのすべての方法とアプローチは長い間市場で知られており、ほぼどこでも使用されています。 垂直方向にスケーラブルなシステムの継続的な開発にもかかわらず、議論されたハイパーコンバージドシステムが使用されるなど、多数の異なる方向が現れたのは、まさにスケールアウトアプローチのフレームワークでした。 これらのシステムは何であり、どのような特性がありますか？



まず、ハイパーコンバージェンスとは、すべてのハードウェアコンポーネント（サーバー、ストレージシステム、ネットワーク）を1つの構造に結合または統合することを意味します。 第二に、ハイパーコンバージェンスとは、フォールトトレランスと信頼性の問題を実装するためのソリューションにソフトウェアコンポーネントが必須であることを意味します。 このソフトウェア層は、ハードウェア抽象化のレベルとも呼ばれます。または、簡単に言えば、これはハードウェアリソースの仮想化のレベルです。 ここで、ハイパーコンバージェンスは「ソフトウェア定義環境」またはソフトウェア定義環境の概念と密接に関連しています。 この概念は、各レベル（サーバー、ストレージシステム、ネットワーク）で仮想化されたリソースの可用性を意味し、管理機能はソフトウェアレベルで完全に自動化されています。

したがって、ソフトウェア定義環境のアプローチを使用することにより、物理的に分離されたハイパーコンバージドシステムを単一の仮想リソースプールに結合することができます。



ソフトウェア定義のインフラストラクチャは、ハイパーコンバージドシステムに基づいてのみ構築できることを考慮する必要はありません-これはそうではありません。 それどころか、ソフトウェア定義の環境アプローチを使用せずに、ハイパーコンバージドソリューションに基づく信頼できるITインフラストラクチャを構築することは不可能です。



ハイパーコンバージドシステムを製造するベンダーのリストは幅広く、そのようなソリューションで有名になった有名なブランドや企業が含まれています。



ハイパーコンバージドシステムを使用する理由



ハイパーコンバージドシステム上に構築されたITインフラストラクチャの重要な機能の1つは、使用されるコンポーネントの統合と標準化です。 インフラストラクチャは、リソース仮想化のレベルで相互に接続されている事前設定済みの同じブロック上に構築されていることがわかります。 ブロックは汎用であるため、障害が発生した場合にブロックを簡単に交換したり、ワークロードの増加でそれらを補完したりできます。



ハイパーコンバージドソリューションは、システムの高度な最適化は必要ないがフォールトトレランスが必要な、小規模で重要ではないビジネスタスクの大部分に効果的に使用できることがわかりました。 この場合、同じブロックで構成される統合インフラストラクチャが便利です。



分解とその用途



分解は、超収束とは対照的です。 収束がコンポーネントの統合を意味する場合、分解によりコンポーネントが分離されます。 なぜこれが行われるのですか？ ハイパーコンバージェンスでは、各タスクに最適なインフラストラクチャを個別に作成することはできません。 分解が指示されるのは、まさにこの最適化問題を解決することです。 このパラダイムのフレームワーク内で、たとえばストレージリソース（メモリおよびディスク）を構造的にコンピューティングリソース（プロセッサ）から分離できるソリューションが作成されます。 たとえば、インメモリコンピューティングなどの多くのタスクで、このアプローチは正当化され、ハイパーコンバージェンスと比較してより多くの利点をもたらします。



Web規模のIT



この用語は、2014年にガートナーによって導入され、ITシステムのアーキテクチャを構築する新しいアプローチを意味します。これにより、従来の組織^1のフレームワーク内で大規模なクラウドサービスプロバイダーの機能を実現できます。 アナリストによると、ウェブスケールのITは、ITインフラストラクチャを構築するための主要なウェブ企業のアプローチの実装です。



実際、このアプローチには、これらの企業が持つすべての利点が含まれている必要があります。製品の市場投入までの時間の短縮、短時間で多数の変更を行う能力、オープンなハードウェアとソフトウェアの使用、アジャイルとDevOpsの概念。



多くがWebスケールを含むハイパーコンバージドソリューションとの主な違いは、ソフトウェアレベルでのフォールトトレランスの実装です。 Webスケールのアプローチでは、ハードウェアのコードを徹底的に最適化する必要もあります。 これは、ハードウェアとの対話（および潜在的に遅延）の追加レイヤーを導入するため、仮想化テクノロジーを放棄することを意味します。 ハードウェアは、ソフトウェアアーキテクチャを念頭に置いて構築されます。 Web規模の企業は主にWeb業界（GoogleおよびFacebook）の巨大企業と呼ばれているため、その規模により、その企業専用の特別なサーバー設計を作成できます。 たとえば、Googleはサーバーで追加の12ボルトバッテリー²を使用します。



Webスケール内で使用されるハードウェアは、（ハイパーコンバージドシステムの場合のように）統合することも、コンポーネントに分割することもできます（分解の概念）-すべてアプリケーションに依存します。 統合された構造の使用が、Webスケールのフレームワーク内でのハイパーコンバージドインフラストラクチャを意味しないことが重要です。 この理由は、信頼性の違いです。ハイパーコンバージドシステムの場合は仮想化であり、Webスケールの場合はソフトウェアレベルでの実装と仮想化の欠如です。

ITの加速-新しい業界トレンド

水平方向にスケーラブルなシステムを構築するアプローチがITインフラストラクチャ革命の第3波と呼ばれる場合（最初はメインフレーム、次にクライアント/サーバーアーキテクチャ）、加速コンピューティングは市場で4番目の革命になります。 ITの高速化（「高速化」の直接変換）の意味は、ハードウェアアクセラレータ（GPUやFPGAなど）を使用してシステムパフォーマンスを向上させることです。



アクセラレータを使用する理由 まず、すべてのタスクを並列化できるわけではありません。たとえば、交換システムは1つのスレッドで動作します。 そしてほとんどの場合、交換システムは現在のハードウェアシステムのパフォーマンスの上限に達しています。 GPUアクセラレーターは、新しいレベルの計算速度を提供します。これは、現在のインジケーターよりも数倍高速です。 第二に、世代ごとにサーバーのパフォーマンスを向上させる重要な部分は、プロセッサにあります。 また、プロセッサを製造する技術プロセスには限界があります。現在では14 nmを使用していますが、IBMは7 nm ³を使用する可能性を発表しています。 次に何が起こりますか？ 明らかに、制限は明日ではなく、近い将来に来るでしょう。



したがって、企業は、新世代のプロセッサのリリースにより、20〜30％の標準的なパフォーマンスの向上を失います。 そして、システムの負荷は増大し続けます。 そして次に何をすべきか？ 答えは、ブースターを使用することです。



今日では原則として、GPUがHPC（High Performance Computing）の分野のタスクにより多く使用されているという事実にもかかわらず、そのようなシステムが現在商業組織によって要求される領域がいくつかあります。 まず第一に、分析システム、特にディープラーニング。 これらは、マルチレベルニューラルネットワークを構築するタスクであり、その用途は、画像処理、音声認識、およびテキストの操作です。 GPUは、デスクトップ仮想化（VDI）タスクにも非常に効果的です。

OpenPOWERコンソーシアム

「加速された」ITの分野でのハードウェアソリューションの作成は、OpenPOWERコンソーシアムを形成するための主要なアイデアの1つであったことは注目に値します。 これはどのような組織ですか？ 2013年、Google、IBM、NVIDIA、Mellanox、Tyanは、Powerプロセッサアーキテクチャに基づくソリューションの開発者のグローバルなオープンコンソーシアムを作成しました。コンソーシアムの目標は、Powerソリューションを使用して、サーバーソリューションの構築分野での経験、投資、知的財産を交換するオープンエコシステムを作成することです。 多くの点で、この考え方はオープンソースソフトウェアの概念に似ています-オープンソースソフトウェア。 現在、OpenPOWERコンソーシアムには、ロシアの4人の参加者を含む20か国以上の200以上の組織が含まれています。



OpenPOWERのアイデアは、私たちの時代のパラドックスを生み出しました。Powerプロセッサーはオープンになり、Intelは反対に、よりクローズドになります。 これはどのように現れますか？ OpenPOWERは、コプロセッサー、グラフィックアクセラレーター、および統合ツールを使用してカスタムソリューションを作成するために互いに緊密に連携するパートナーのオープンエコシステムを作成します。 対照的に、Intelはプログラマブルチップ製造会社（FPGA） ^4のアルテラを買収し、実際にNVIDIAのグラフィックアクセラレータテクノロジと競合するコプロセッサテクノロジ⁵もリリースしました。 OpenPOWERの考え方は基本的に反対です。複数の企業のコラボレーションです。 コンソーシアムの一部として、IBMが提供する仕様に基づいてPowerプロセッサーをリリースすることが可能です。 たとえば、中国の会社Suzhou PowerCore Technologyは、すでにIBM Power 8 ⁶をベースにしたCP1プロセッサーのリリースを計画しています。

いずれの場合でも、これらのアプローチのどちらがより効果的である場合でも、加速コンピューティング（加速IT）のアイデアは両方の場合に実装されます。

業界はどこへ向かっていますか？ 結論

最後に何が言えますか？ Web規模のITについては多くの議論がありますが、この概念は市場で革新的なものではありません。 これはすでに現実的です。多くの組織は、IT環境でさまざまなアプローチ（垂直方向および水平方向にスケーラブルなシステム）を組み合わせる方法にすでに取り組んでいます。 加速ITは業界の未来であり、企業セクターからの関心を感じ始めたばかりです。