Google Virtual NIC（gVNIC）を使用した MPI アプリケーションの高速化
Google Cloud Japan Team
※この投稿は米国時間 2021 年 10 月 21 日に、Google Cloud blog に投稿されたものの抄訳です。
Google は、ネットワーク インフラストラクチャのパフォーマンスを絶えず改善しています。最近導入された Google Virtual NIC（gVNIC）は、特に Compute Engine 向けに設計された仮想ネットワーク インターフェースで、VirtIO ベースのイーサネット ドライバに代わるものです。Google の高性能かつ柔軟な Andromeda 仮想ネットワーク スタックと緊密に統合されており、高帯域幅のネットワーク構成（50～100 Gbps）を可能にするために必要となります。
gVNIC を使用すると、VM 間のトラフィックの転送効率が向上し、通信性能が改善されます。Message Passing Interface（MPI）の通信性能は気象モデリング、計算流体力学、コンピュータ支援エンジニアリングなどのワークロードのアプリケーション スケーラビリティにとってきわめて重要であり、この改善はハイ パフォーマンス コンピューティング（HPC）ユーザーに有益です。
HPC ワークロードで gVNIC を簡単に使用できるようにするため、CentOS 7 ベースの HPC VM イメージに gVNIC のサポートが追加され、最新の gve ドライバ（gve-1.2.3）がデフォルトで含まれるようになりました。この記事では、gVNIC のパフォーマンスについて詳しく説明します。gVNIC を今すぐ使いたい場合は、クイックスタート ガイドをご覧ください。
HPC ベンチマークを使用したパフォーマンス測定結果
Intel MPI ベンチマークと、有限要素解析（ANSYS LS-DYNA）、計算流体力学（ANSYS Fluent）、気象モデリング（WRF）のアプリケーション ベンチマークを使用して、gVNIC と VirtIO-Net のパフォーマンスを比較しました。
Intel MPI ベンチマーク（IMB）PingPong
IMB PingPong は、VM のペア上にある 2 つの MPI ランクの間で固定サイズのメッセージを送信したときの平均片道時間を測定します。以下の結果から、メッセージ サイズが中程度から大きい場合（例: 2 kB～4 MB）には gVNIC のほうがレイテンシが短いことがわかります。このサイズ範囲のメッセージでは、gVNIC は VirtIO と比較してレイテンシを平均 26% 改善します。
ベンチマークのセットアップ:
HPC VM イメージ: hpc-centos-7-v20210925
マシンタイプ: c2-standard-60
ネットワーク帯域幅: デフォルト ティア
結果
OSU Micro ベンチマーク（OMB）複数帯域幅
OMB 複数帯域幅は、異なる VM 上に存在する複数のプロセス ペア間の単方向集約帯域幅を測定します。このベンチマークでは、2 つの VM それぞれにおいて 30 PPN を使用しました。100 Gbps ネットワーキングを実現するためには gVNIC が必要となりました。このベンチマークでは、100 G ネットワーキングの gVNIC は VirtIO と比較してスループットが平均 57% 高いという結果になりました。
ベンチマークのセットアップ:
HPC VM イメージ: hpc-centos-7-v20210925
マシンタイプ: c2-standard-60
ネットワーク帯域幅: ティア 1（100 Gbps）
結果
HPC アプリケーション ベンチマーク: WRF、ANSYS LS-DYNA、ANSYS Fluent
レイテンシと帯域幅のベンチマークで得られた gVNIC の好結果は、HPC アプリケーション ベンチマークではランタイムの短縮という形で現れます。Intel Xeon プロセッサ ベースの C2 インスタンス 24 個を使って 720 MPI ランクで実行した WRFv3 CONUS 12KM ベンチマークでは、HPC VM イメージで gVNIC を使用した場合、パフォーマンスは 51% 向上しました。ANSYS Fluent と LS-DYNA では、gVNIC を使用した場合のほうが Virtio-Net を使用した場合よりもパフォーマンスがそれぞれ 13% および 11% 向上しました。
ベンチマークのセットアップ
ANSYS LS-DYNA（「3-cars」モデル）: AVX-2 でコンパイルされた LS-DYNA MPP バイナリを使用、コンパクト プレースメント ポリシーが適用された 8 台の c2-standard-60 VM
ANSYS Fluent（「aircraft_wing_14m」モデル）: コンパクト プレースメント ポリシーが適用された 16 台の c2-standard-60 VM
WRF V3 パラレル ベンチマーク（12 KM CONUS）: コンパクト プレースメント ポリシーが適用された 24 台の c2-standard-60 VM
HPC VM イメージ: hpc-centos-7-v20210925
ネットワーク帯域幅: デフォルト ティア
結果
ぜひ実際にお試しください
gVNIC がサポートされた最新の HPC VM イメージは、Google Cloud Marketplace または gcloud コマンドライン ツールから今すぐ利用できます。gVNIC と HPC VM イメージを使用したインスタンスの作成の詳細については、クイックスタート ガイドをご覧ください。
Jiuxing Liu、Tanner Love、Mansoor Alicherry、Pallavi Phene の協力に感謝します。
- ソフトウェア エンジニア Jian Yang
- プロダクト マネージャー Pavan Kumar
