ネットワークの負荷は高まる一方
「スマートNIC」とは何か？ CPUの重い処理をNICが肩代わり
データセンターのサーバ運用において注目すべき「スマートNIC」。その仕組みや利点を整理した上で、どのような企業が導入しているのか、どのようなベンダーから調達できるのかなどを紹介する。
近年、データセンターにあるサーバ内のCPUには、大きな負荷がかかるようになった。ネットワークのソフトウェア制御や暗号化、可視化をはじめとした新たな運用方法が取り入れられていることが背景にある。そこで注目すべきなのが「スマートNIC」（NIC：ネットワークインタフェースカード）だ。負荷の高いパケット処理をサーバから切り離してオフロード（負荷軽減）する機能を持つ。
NICは長年、サーバをイーサネットのネットワークに接続する方法として使われてきた。スマートNICは、アプリケーションのパフォーマンス向上に役立つ。
スマートNICは、特殊なプロセッサを搭載することで、サーバのCPUのオフロードを実現する。特殊なプロセッサとして利用されるのは、ほとんどの場合、FPGA（Field Programmable Gate Array）だ。FPGAは、標準的な開発ツールを使って、特定処理のための論理回路をプログラミングできる特徴がある。
ソフトウェアベースのネットワーク技術が登場し、仮想スイッチやデータプレーン開発キット（DPDK：Data Plane Development Kit）などが使われるようになったことで、サーバ内のCPUに求められるパケット処理の要件はさらに上がっている。
スマートNICの役割とは
現在、一般的なサーバでは、ネットワークのソフトウェア制御、ロードバランシング（負荷分散）、暗号化、ディープパケットインスペクション（DPI：パケットのデータ部の内容を基にしたパケットフィルタリング）といったタスクを処理する必要性が高まっている。こうしたタスクの実行は、CPUに対して大量の処理能力を要求する。この場合、CPUは重要度の高いアプリケーションに優先して、こうしたネットワーク機能に処理能力を費やす必要がある。
ネットワークのソフトウェアを実行し、サーバのCPUが持つ処理能力を、主要なアプリケーションのために解放するようプログラミングできるようにするのが、スマートNICの主要な機能だ。パケットキャプチャ（ネットワークを流れるトラフィックのパケットを分析のために採取すること）、ネットワーク管理、ネットワーク可視化といったタスクも実行できる。
スマートNICはネットワーク機能のタスクを実行するよう設計されている。そのためサーバは、ネットワーク機能の実行にその処理能力の多くを費やすことなく、重要度の高いアプリケーションを実行できる。こうした利点があるため、スマートNIC導入にかかるコストは相殺されると言っていいだろう。
サーバのCPUがネットワーク機能の実行にかける時間を大幅に削減する代わりに、重要度の高いアプリケーションにその処理能力を割けるようになることが、スマートNICを用いる利点だ。
スマートNICの市場セグメント
Google、Amazon Web Services（AWS）、Microsoftのようなメガクラウドベンダーは、何年も前からスマートNICを使用して、データセンターにおけるサーバのパフォーマンスを最適化してきた。これらのクラウドベンダーは、自前の技術者を擁して、独自にプログラミングすることでスマートNICを最適化している。
スマートNICを提供するベンダー
スマートNICを提供するベンダーは、独立系ベンダーや半導体ベンダーを含め、さまざまな選択肢がある。ベンダーによって、プロセッサ、プログラマビリティ、パフォーマンス、コストなどの特性が異なる。
具体的には、Broadcom、Ethernity Networks、Intel、Marvell Technology Group、Mellanox Technologies、Napatech、Netronome Systems、Solarflare Communicationsといったベンダーがある。
ベンダーごとの特徴
サーバで動作するネットワーク、セキュリティ、分析、管理の機能は、今後も高度化が進むだろう。それを考慮すると、これらの機能がサーバ内のCPUにかなりの負担を掛け、その処理能力の大部分を奪ってしまう可能性がある。スマートNICは、サーバからパケット処理のトラフィックをオフロードするための有力な方法となるはずだ。
大規模なデータセンターを持つ企業は、スマートNICのメリットを調査するとよい。スマートNICは、アーキテクチャ、処理能力、コストが多様だ。企業はこれらの要素を考慮し、サーバからオフロードする必要がある特定のアプリケーションを最適化するという観点で、スマートNICを選択することが望ましい。
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