Couverture ElectroniqueS n°127

Les infrastructures à base de FPGA peuvent apporter la neuroplasticité aux plateformes informatiques en donnant naissance à des services cloud hautes performances, personnalisés et sécurisés de manière intrinsèque. L es neurologistes pensaient autrefois que la structure du cerveau humain était immuable et que les neurones étaient déterminés à la naissance. La recherche a depuis montré que le cerveau est en fait plastique ; il modifie dynamiquement sa structure, ses fonctions et ses connexions nerveuses, et produit même de nouveaux neurones par neurogénèse, en réponse aux stimuli de l'environnement et par le fait même de penser. De plus, cette neuroplasticité persiste avec l'âge. La plasticité démontrée du cerveau inspire de nouveaux modèles commerciaux numériques évolutifs, fondés sur des infrastructures informatiques cloud IaaS (Insfrastructure as a Service) à la fois souples, puissantes et sur mesure. Personnalisable, le cloud IaaS promet une différenciation innovante du produit grâce à la synthèse des calculs optimisés correspondant au service demandé, et apporte une valeur ajoutée à l'utilisateur final en lui fournissant une qualité de service (QoS) spécifique. Ce paradigme exige une attention spéciale aux paramètres de conception comme les performances, la personnalisation et la sécurité de l'architecture informatique, au-delà des fonctionnalités ou de l'application nécessitant des calculs intensifs. Ces caractéristiques techniques, déjà présentes dans l'ADN de la technologie du matériel reconfigurable, et que l'on peut déployer aujourd'hui dans des infrastructures informatiques cloud à base de FPGA, vont changer les règles du jeu dans le numérique. Neuroplasticité et informatique cloud Des progrès récents en neurologie ont démontré que l'on pouvait reprogrammer notre cerveau en adoptant de nouvelles manières de penser et d'agir. Les voies neuronales que le cerveau et le système nerveux empruntent pour naviguer entre les différentes activités connectent des régions relativement éloignées du cerveau, et chaque voie est associée à un domaine ou à un comportement particulier. De nouvelles pensées et de nouvelles compétences sculptent et façonnent de nouvelles voies. Chaque fois que nous pensons, que nous ressentons ou que nous faisons quelque chose, nous renforçons les voies correspondantes grâce à la répétition et à la pratique, jusqu'à ce que ces actions deviennent des habitudes. FRANCESC FONS (ESADE BUSINESS SCHOOL) Francesc Fons est docteur-ingénieur à l'ESADE Business School de Barcelone. Il est titulaire d'un PHD en électricité et électronique de l'université de Tarragone, et d'un MBA de l'université polytechnique de Catalogne. Comme la neurologie a fait évoluer notre compréhension du cerveau, la technologie informatique cloud a évolué au cours des dix dernières années pour fournir des fonctions de calcul, de réseaux et de stockage par Internet à des milliards d'utilisateurs dans le monde. Les particuliers, les entreprises et autres institutions ont adopté les services cloud de stockage, de vidéo, de messagerie, de réseaux sociaux, de jeu en ligne et de recherche web. L'informatique cloud n'est pas seulement un phénomène informatique; c'est aussi de plus en plus pour les entreprises le moyen de développer leur activité, tout en diminuant leurs coûts et en favorisant l'innovation et l'évolution grâce à une puissance de calcul toujours plus grande. Les observateurs de ce marché prévoient que l'essentiel des dépenses d'infrastructure informatique dans les années à venir se fera dans les plateformes et les applications cloud. Cela dit, existe-t-il une relation entre la découverte de la neuroplasticité et l'explosion de l'informatique cloud, qui pourrait inspirer un nouveau «business model» numérique? Imaginons que l'on modélise la neuroplasticité naturelle du système nerveux humain et qu'on en transpose le concept directement à l'infrastructure informatique du cloud. Grâce à la technologie de logique reconfigurable présente dans les FPGA et les dispositifs SoC, des modèles IaaS disruptifs peuvent s'adapter et optimiser l'architecture informatique des serveurs affectés aux centres de données de n'importe quelle infrastructure informatique cloud et aux besoins de calcul spécifiques du consommateur à un moment donné, en transformant le résultat final en vraie valeur ajoutée. En renforçant l'analogie avec la neurologie, nous employons le terme de «cloud neuroplastique» pour décrire une infrastructure informatique cloud physique combinant des cœurs processeurs logiciels et de la logique programmable (des FPGA) pour obtenir un écosystème de traitement matériel et logiciel hétérogène, grâce auquel les serveurs de centres de données peuvent personnaliser et adapter leur puissance de calcul aux besoins spécifiques d'une application donnée dans le cloud ( voir figure ). Ce concept encourage une évolution du paradigme d'informatique cloud dans le sens où l'adaptabilité d'un «cerveau» informatique - une fois synthétisé à partir de matériel reconfigurable pour constituer un calculateur sur mesure, intégré au cloud - peut fournir un net avantage compétitif aux entreprises numériques proposant des services cloud répondant à des besoins informatiques stricts et spécifiques, auxquels les solutions cloud standards actuelles ne peuvent pas répondre. Les domaines d'application susceptibles de profiter d'une telle approche sont notamment l'analyse de tendances financières ; le traitement en temps réel d'images médicales; la bio-informatique; la biologie numérique ; le séquencement du génome ; la distribution d'énergie en temps réel; la distribution de pétrole et de gaz ; l'analyse « big data » ; et le « deep learning» (apprentissage profond). L'idée d'introduire la technologie de matériel reconfigurable dans l'informatique cloud est née avec la recherche académique. La communauté de l'informatique reconfigurable réalise des expériences de couplage de FPGA avec des processeurs à usage général depuis un moment, et plusieurs groupes de recherche sont convaincus que les FPGA vont permettre, à l'avenir, d'obtenir des accélérateurs spécifiques à certaines applications tournant sur des serveurs cloud. Cette prise de conscience ne s'est pas encore traduite en solutions commerciales disponibles pour tous; mais les leaders de la technologie cloud comme Microsoft, IBM, Intel, Qualcomm ou Baidu, ainsi que les fabricants de FPGA, préconisent fortement le recours aux FPGA pour optimiser la charge des centres de données. À une époque où l'économie du numérique entretient la croissance de l'informatique cloud, les acteurs du cloud sont de plus en plus convaincus que l'adoption de FPGA dans les centres de données apportera plus de performances et un meilleur rendement énergétique que les solutions en place aujourd'hui. Cela signifie que les prestataires de services cloud pourraient bientôt avoir de nouvelles stratégies à leur disposition pour fournir des infrastructures informatiques sur mesure en fonction des besoins spécifiques de leurs clients, exprimés sous forme de paramètres QoS ( Quality of Service , ou qualité de service) tels que le temps de réponse, le niveau de sécurité et bien sûr les performances. L'infrastructure informa-tique cloud de toute entreprise numérique est susceptible d'évoluer radicalement grâce au déploiement de la technologie de matériel reconfigurable, au point où cette entreprise cessera de considérer l'infrastructure comme une commodité, pour au contraire l'utiliser comme un élément clé de sa chaîne de valeur. Trois propriétés intrinsèques soutiennent l'infrastructure informatique cloud neuroplastique, qui s'appuie sur du matériel reconfigurable : hautes performances (résultats obtenus plus vite), flexibilité (calcul optimisé, avec une architecture parfaitement adaptée à l'application exécutée) et sécurité (protection des données, cryptage et protection intrinsèque contre le piratage). L'exploitation de ces trois caractéristiques promet des innovations disruptives à l'ère du numérique. L'informatique HPC migre vers le cloud Les applications cloud peuvent être optimisées en confiant à des circuits logiques programmables une partie du traitement des données. L'informatique HPC (High-Performance Computing, ou calcul haute-performance) consiste à utiliser le traitement parallèle pour effectuer des tâches de calcul complexes de manière efficace, sûre et rapide. Historiquement, l'accès à l'HPC était limité aux universitaires, aux ingénieurs et aux scientifiques ; en effet, l'HPC était quasiment synonyme de supercalculateurs capables d'exécuter les calculs complexes que requièrent les simulations de modèles de physique théorique. Parmi les domaines d'application typiques de l'HPC figuraient la modélisation du climat, les simulations de crashes ou la bio-informatique - des domaines nécessitant des calculs par nature très lourds. Le phénomène de l'informatique cloud met désormais l'HPC à la portée de tous. Chaque jour qui passe, la demande pour une telle puissance de calcul s'étend au-delà des centres de supercalculateurs, dans les clouds publics, privés, hybrides, communautaires et même personnels, auxquels les utilisateurs accèdent au moyen d'appareils portables ou même «wearables». Pour de nombreux services et applications, la demande toujours crois-sante de puissance de calcul se traduit par des contraintes de temps de réponse strictes, exigeant des fournisseurs qu'ils fassent évoluer leurs plateformes informatiques avec la dernière technologie. Le traitement d'images en temps réel, le streaming vidéo et l'analyse du big data sont parmi les applications pour lesquelles la réduction de latence et l'obtention plus rapide des résultats contribuent largement à la qualité de service recherchée par les utilisateurs. Les grandes entreprises comme les start-up et les PME sont de plus en plus convaincues que les infrastructures informatiques avancées apportent des avantages compétitifs. Tandis que l'HPC se généralise, l'informatique cloud devient déterminante pour son succès, particulièrement pour les applications techniques et scientifiques qui utilisent déjà l'informatique en grappe ou en réseau, en permettant un accès partagé et élastique à des ressources informatiques illimitées. Alors que les charges de travail des infras-tructures cloud nécessitent des puissances de calcul supérieures, davantage de flexibilité et un meilleur rendement énergétique, les alternatives pionnières à base de FPGA sont capables de fournir des solutions à hautes performances qui dépassent les besoins du marché. Les plateformes informatiques à traitement parallèle utilisant la technologie de matériel reconfigurable promettent une solution immédiate et équilibrée, particulièrement pour les applications nécessitant un traitement extrêmement rapide de données en temps réel. En collaborant avec les principaux acteurs, les fournisseurs de FPGA travaillent à l'élaboration de centres de données offrant un meilleur rendement énergétique grâce à l'adjonction d'accélérateurs matériels implémentés en FPGA aux processeurs existants, pour obtenir des réductions de latence significatives. Une informatique plus flexible dans les centres de données Dans la mesure où les utilisateurs finaux sont de plus en plus à l'aise et confiants dans le fait d'héberger leurs données dans le cloud, on estime que l'informatique cloud va devenir la norme à l'avenir. Une tendance annexe est la transformation de produits en services, décomposés en blocs que l'on peut combiner pour répondre aux besoins précis de clients dans le cadre d'un modèle commercial « pay-per-use » (paiement à l'utilisation). L'IaaS (Infrastructure as a Service) est une manière de fournir une infrastructure informatique cloud (serveurs, stockage, réseau et systèmes d'exploitation) sous forme de services à la demande, via Internet. Beaucoup d'entreprises reconnaissent que l'infrastructure matérielle cloud est indispensable à leur activité, mais elles l'envisagent comme une commodité, qui ne leur procure aucun avantage compétitif, puisque leurs concurrents utilisent plus ou moins la même technologie pour offrir une qualité de service similaire. La technologie du matériel reconfigurable est en mesure de perturber ce modèle. Cette technologie procure des gains considérables au niveau performances par watt, abaisse le coût global et fournit des plateformes d'accélération reconfigurables et évolutives, que l'on peut optimiser à la demande pour n'importe quelle charge de travail, permettant ainsi une nette différenciation. Les serveurs de centres de données équipés de dispositifs FPGA peuvent faire tourner des plateformes de calcul matérielles et logicielles que l'on peut optimiser pour certains calculs spécifiques. Du matériel flexible sera indispensable pour donner aux utilisateurs finaux l'accès à un large éventail de fonctions liées à l'infrastructure cloud, comme le calcul HPC spécifique à l'application. Plusieurs facteurs plaident en faveur d'une informatique cloud plus souple. Les capacités de traitement parallèle des FGPA constituent un avantage certain. En outre, l'intégration de ressources matérielles hétérogènes dans le cloud grâce à l'utilisation de FPGA offre l'opportunité d'améliorer les performances de calcul, sans avoir recours à des CPU toujours plus puissantes. De plus, pour augmenter le débit de n'importe quelle tâche de calcul spécifique, il est souvent possible d'implanter des ressources FPGA en pipeline. Implanter méticuleusement en pipeline les applications des utilisateurs finaux grâce à un matériel flexible permet d'obtenir une solution personnalisée avec des performances optimum. Il est même possible de tirer profit de reconfigurations partielles des ressources matérielles des FPGA, en activant différents coprocesseurs correspondant à des ressources spécifiques en cours d'exécution, à la demande et de manière dynamique et multiplexée, pour exécuter les phases les plus gourmandes en calcul des algorithmes d'applications. Cette approche n'induit quasiment aucune dégradation du temps d'exécution, tout en offrant une solution rentable permettant d'équilibrer surface et performances. Les FPGA à processeur embarqué Zynq de Xilinx figurent parmi les composants logiques programmables susceptibles de profiter aux réseaux de données cloud. L'informatique cloud sur mesure apporte une différenciation déterminante aux fournisseurs et aux utilisateurs dans un certain nombre de domaines. Par exemple, les applications d'informatique financière tournant sur des infrastructures informa-tiques spécifiques, plutôt que standards, permettent aux courtiers d'analyser plus rapidement les tendances financières, et ainsi de décider d'acheter ou de vendre telles ou telles actions avant leurs concurrents. Le personnel médical peut améliorer la qualité et le temps de réponse des images lors d'opérations chirurgicales à distance, si l'ordinateur sur lequel tournent les algorithmes de traitement en temps réel nécessaires est spécialement optimisé pour les exécuter. L'analyse big data sur les réseaux neuronaux convolutifs ou le jeu en ligne sont d'autres secteurs informatiques pour lesquels une qualité de service supérieure, mesurée en termes de latence et de surcharge système, peut procurer un net avantage compétitif. Pour un cloud de confiance Les défis posés par la cybersécurité et la confidentialité des données sont les principaux obstacles à l'adoption universelle de l'informatique cloud. Étant donné que l'infrastructure cloud, à divers degrés, est toujours une ressource ouverte et partagée, c'est une cible pour les attaques malveillantes provenant de l'intérieur ou de l'extérieur, et aujourd'hui les risques pour la sécurité qu'entraînent l'exécution de certains calculs ou le stockage de certaines données sensibles sur des ressources partagées rendent l'informatique cloud inadaptée pour nombre d'applications critiques. Des attaques par canal auxiliaire, des usurpations d'identité et la diffusion de code malveillant ont toutes été observées sur les plateformes et l'infrastructure cloud actuelles. Des solutions informa-tiques cloud de confiance, capables d'éliminer de telles effractions, sont donc déterminantes pour pouvoir disposer d'informatiques cloud personnalisables à tout moment, n'importe où, et accessibles à tout le monde. L'adoption de matériel reconfigurable pour l'IaaS non seulement rendrait l'informatique cloud plus accessible et personnalisable, mais permettrait également d'améliorer la sécurité par rapport aux solutions logicielles. Par construction, les dispositifs FPGA offrent une surface vulnérable sensiblement plus faible et mieux délimitée que les solutions logicielles traditionnellement utilisées dans le cloud. Les concepteurs d'informatique cloud à base de FPGA peuvent ainsi mettre la sécurité au premier plan pour la conception de l'architecture système cloud. Les facteurs suivants militent en faveur d'une informatique cloud dont la sécurité est renforcée au niveau matériel: Primitives de sécurité matérielle et protection anti-effraction Les FPGA fournissent certaines fonctions de sécurité, telles que des fonctions PUF ( Physical Unclonable Function , ou fonction physique non-clonable) ou un mécanisme alternatif pour le stockage de clés qui fournit un identificateur unique pour chaque circuit intégré. Les FPGA sont également bien adaptés pour implanter des générateurs TRNG ( True Random Number Generator , ou générateur de nombre aléatoire) indispensables à la génération de clés de cryptage. Implantation matérielle des algorithmes de cryptage Les normes AES ( Advanced Encryption Standard ) et ECC ( Elliptic Curve Cryptography ) sont des exemples d'algorithmes de cryptage assurés par matériel. Les primitives cryptographiques (rotations, opérations XOR, etc.) de ces algorithmes se prêtent mieux à une implémentation matérielle sur FPGA qu'à une exécution logicielle séquentielle sur des CPU. L'AES, par exemple, se décompose en plusieurs étapes ou opérations exécutées l'une après l'autre, chaque étape se décomposant elle-même en une boucle d'opérations de base. Ces boucles peuvent être exécutées plus rapidement en les déroulant dans le niveau matériel et en s'appuyant sur le traitement parallèle. En outre, les différentes opérations peuvent être mises en pipeline pour augmenter les performances. Ces techniques permettent d'optimiser la synthèse des algorithmes de cryptage au niveau matériel. Confidentialité des données à tout moment La dégradation des performances est une préoccupation majeure pour le développement de solutions de sécurité. Les solutions matérielles offrent des avantages par rapport aux approches logicielles parce que le matériel peut assurer le cryptage et le décryptage des données avec une faible latence, quasiment sans surcharge système. De cette manière, toutes les informations que l'application gère dans le cloud peuvent être envoyées, reçues et stockées sous forme cryptée (par exemple sous forme de texte chiffré plutôt que de texte normal) pour les protéger des cyber-attaques. Pare-feu matériels Les modules de sécurité matériels servant de pare-feu filtrent toutes les données passant par le bus de communication système, afin de renforcer la résilience des données à certains types d'attaques spécifiques. Signature numérique Les approches matérielles supportent aussi l'authentification d'utilisateurs ainsi que la délivrance et la gestion des certificats nécessaires au concept RoT ( Roots-of-Trust ,ou«racines de confiance »). Avantages supplémentaires Les cas d'utilisation réels illustrent comment les solutions cloud à base matérielle supportent les principaux attributs de sécurité. Il s'agit notamment de Google Project Vault, qui embarque le cryptage synthétisé au niveau matériel dans un dispositif microSD ; de Microsoft Azure SmartNIC à base FPGA, associé aux serveurs pour décharger les CPU de certaines fonctions définies par logiciel; de Catapult Project, voulu par Microsoft pour accélérer le moteur de recherche Bing grâce à la technologie FPGA; et de l'initiative Bitfusion Cloud Adaptor qui permet aux développeurs d'utiliser des FPGA dans le cloud. La technologie FPGA est déjà disponible pour démontrer le concept d'informatique cloud neuroplastique dans les serveurs de centres de données ; les FPGA Xilinx Kintex UltraScale et les MPSOC Xilinx Zynq Ultrascale+ constituent de bons exemples. Les autres considérations plaidant en faveur des infrastructures informatiques cloud à base de FPGA sont les suivantes: Évolutivité L'informatique cloud permet d'importantes réductions de coût grâce aux économies d'échelle dans les centres de données. Les solutions informatiques cloud à base de FPGA sont beaucoup plus faciles à faire évoluer que les solutions à base de CPU et de GPU. Faible consommation Dans le contexte d'un centre de données, la performance par watt est plus importante que la performance brute. Les centres de données nécessitent des performances élevées, mais doivent aussi présenter un profil de consommation électrique conforme à leur cahier des charges. Les solutions à base de FPGA fournissent un niveau de performance par watt beaucoup plus élevé que les solutions concurrentes. Clairement, maximiser la puissance par watt est essentiel pour améliorer la fiabilité et les coûts d'exploitation des centres de données. Caractère écologique En étendant l'argument de la consommation réduite, l'informatique cloud à base de FPGA apparaît comme la meilleure manière de réduire l'empreinte carbone de l'informatique. Redondance La technologie FPGA, en gérant l'hétérogénéité des ressources matérielles, permet aux développeurs de créer des solutions personnalisées intégrant la redondance spécifique nécessaire. Les consommateurs de services informatiques veulent tout: mobilité, connectivité, accès instantané aux données, résultats de calcul immédiats et sécurité intrinsèque. L'informatique cloud offre aux entreprises le moyen de transférer certaines tâches de leurs propres infrastructures vers des clusters informatiques distants et optimisés. Mais réaliser tout le potentiel du cloud pour servir les utilisateurs technophiles d'aujourd'hui nécessitera de nouveaux modèles commerciaux, qui s'appuieront sur un ensemble évolutif et personnalisable de ressources de calcul, de réseaux et de stockage, afin de créer de la valeur pour tous les clients. L'informatique cloud neuroplastique met en œuvre des architectures sécurisées à hautes performances, s'appuyant elles-mêmes sur une multitude de dispositifs FPGA associés à des ressources hétérogènes pour améliorer la puissance de calcul, la souplesse et la sécurité. La neuroplasticité matérielle permet d'ajouter des capacités de calcul personnalisées et taillées sur mesure aux fonctionnalités établies de connectivité et de mobilité du cloud. À en juger par l'activité frénétique déjà présente chez différents acteurs, l'irruption définitive de la technologie de matériel reconfigurable dans le cloud est pour bientôt. L'association de code logiciel tournant sur les CPU de serveurs de centre de données et de certaines sections critiques de l'application tournant directement au niveau matériel permettra une différenciation technologique qui se traduira par un net avantage compétitif pour les utilisateurs finaux. n

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