Che cos'è una fabbrica di AI?

Le aziende stanno investendo milioni di dollari in infrastrutture AI, cluster GPU, processori specializzati e reti ad alta velocità. Eppure, per molte, le GPU rimangono inattive per troppo tempo e il collo di bottiglia non è la capacità di calcolo.

Una fabbrica di AI è un'infrastruttura di calcolo specializzata che gestisce l'intero ciclo di vita dell'AI su scala di produzione, dall'acquisizione dei dati alla formazione fino all'inferenza di volumi elevati. A differenza dei data center adattati, le fabbriche di AI integrano componenti appositamente progettati e ottimizzati per la produzione continua di intelligence, consentendo alle organizzazioni di passare oltre gli esperimenti isolati alle operazioni industrializzate, creando un valore di business coerente.

Secondo McKinsey, le infrastrutture di AI che gestiscono i carichi di elaborazione dell'AI richiedono 5,2 trilioni di dollari in spese in conto capitale. Tuttavia, il successo dipende meno dalle spese e più dalle decisioni sull'architettura, massimizzando l'utilizzo delle risorse. I colli di bottiglia dello storage possono determinare i vantaggi economici della fabbrica di AI.

Definizione di una fabbrica di AI

Una fabbrica di AI è un'infrastruttura di calcolo specializzata progettata per industrializzare la creazione, la formazione e il deployment di modelli di Artificial Intelligence su scala produttiva. Invece di trattare l'AI come esperimenti isolati, le fabbriche di AI consolidano l'intero ciclo di vita dell'AI, dall'acquisizione dei dati raw fino al model training, alla messa a punto e al servizio di inferenza ad alto volume, in sistemi integrati ottimizzati per la produzione di intelligenza continua.

Il termine riflette un cambiamento fondamentale nell'approccio. I data center tradizionali sono stati progettati per i workload transazionali e il calcolo generale. Le fabbriche di AI danno priorità all'elaborazione parallela massiccia, al movimento continuo dei dati e ai modelli I/O unici che caratterizzano le operazioni di Machine Learning.

Componenti chiave di una fabbrica di AI

Le fabbriche di AI integrano cinque livelli di infrastruttura essenziali ottimizzati per i workload di AI di produzione.

Infrastruttura di calcolo

Le unità di elaborazione grafica (GPU) forniscono la potenza di elaborazione parallela necessaria per l'AI moderna. A differenza delle CPU progettate per le operazioni sequenziali, le GPU eseguono migliaia di calcoli contemporaneamente, ideali per le operazioni di rete neurale. Le fabbriche di AI implementano cluster GPU con interconnessioni specializzate, consentendo l'addestramento distribuito su centinaia di processori.

Tuttavia, la potenza di elaborazione raw non significa nulla senza dati da elaborare.

Infrastruttura dati

Le fabbriche di AI richiedono sistemi di storage che forniscano performance costanti e prevedibili in workload misti. I workload di training generano letture sequenziali di grandi dimensioni, mentre l'inferenza crea pattern di accesso casuale con file di piccole dimensioni. Il supporto simultaneo richiede un'architettura specializzata.

Le moderne fabbriche di AI adottano sempre più architetture di storage all-flash per una latenza e una velocità di trasmissione prevedibili. I sistemi flash offrono IOPS significativamente più elevati e una latenza inferiore rispetto alle configurazioni su disco rigido, consumando al contempo fino all'80% in meno di energia e spazio su rack. Per le strutture a consumo limitato, questa efficienza consente direttamente l'espansione della capacità della GPU: decine di server GPU aggiuntivi possono essere alimentati dai risparmi energetici derivanti dalla sostituzione dei sistemi a disco con lo storage all-flash.

Infrastruttura di rete

I workload di AI generano enormi requisiti di spostamento dei dati. L'addestramento distribuito distribuisce i calcoli su più GPU, richiedendo una sincronizzazione costante. Ad esempio, un modello di addestramento di 100 miliardi di parametri su 1.000 GPU potrebbe trasferire petabyte di dati ogni giorno.

Le reti a larghezza di banda elevata e bassa latenza diventano essenziali. Le fabbriche di AI in genere implementano tessuti specializzati utilizzando InfiniBand o RDMA su Ethernet convergente, fornendo una latenza dell’ordine di microsecondi e una larghezza di banda costanti misurate in centinaia di gigabit al secondo.

Livello di software e orchestrazione

Le fabbriche di AI richiedono un software sofisticato per gestire la complessità. Kubernetes è diventato lo standard per l'orchestrazione dei container, fornendo modelli di deployment coerenti e scalabilità automatica. Le piattaforme MLOps aggiungono funzionalità specifiche per l'AI: monitoraggio degli esperimenti, versioning dei modelli, pipeline di formazione automatizzate e infrastruttura di produzione.

Il volano dei dati

La caratteristica distintiva delle fabbriche di AI è il ciclo di feedback continuo che collega l'inferenza di produzione alle pipeline di addestramento. Ogni previsione genera dati sul contesto, sui risultati e sulla fiducia dei modelli. Quando viene reinserito nei sistemi di addestramento, questo consente il miglioramento continuo del modello senza la raccolta manuale dei dati.

Le aziende che implementano data volle efficaci vedono i modelli migliorare più rapidamente rispetto ai concorrenti che si affidano esclusivamente a dataset selezionati. L'architettura di storage determina se questo volano funziona in modo efficiente o se diventa un collo di bottiglia.

Architettura di factory storage AI: La variabile delle performance nascoste

L'architettura di storage può avere un impatto maggiore sui costi di fabbrica dell'AI rispetto a qualsiasi altro componente dell'infrastruttura, ma spesso riceve meno attenzione. Molte organizzazioni si concentrano sui conteggi delle GPU e sulla topologia di rete, trattando lo storage come un'infrastruttura commodity. Questa mentalità crea spesso il collo di bottiglia che limita maggiormente il ROI.

Requisiti di storage nell'intero ciclo di vita dell'AI

Acquisizione e pre-elaborazione dei dati

I dati grezzi provengono da più origini in diversi formati. I sistemi di storage devono acquisire le informazioni a velocità corrispondenti alla generazione dei dati di produzione, spesso terabyte al giorno, mentre gestiscono grandi scritture sequenziali e più protocolli contemporaneamente.

Formazione sui modelli

L'addestramento genera schemi di lettura sequenziali prevedibili e ad alta velocità di trasmissione. I modelli elaborano i set di dati in modo iterativo, leggendo gli stessi dati più volte. Tuttavia, il salvataggio dei checkpoint crea burst di scrittura periodici. I sistemi di storage devono assorbirli senza interrompere i flussi di lettura continui che alimentano le GPU.

Quando centinaia di GPU richiedono dati contemporaneamente, lo storage deve fornire una velocità di trasmissione costante a ciascun nodo. Una singola GPU in attesa mette inattivi l'intero processo distribuito, sprecando potenzialmente migliaia di dollari all'ora.

Inferenza al servizio

L'inferenza di produzione crea il workload di storage più difficile. A differenza dei modelli prevedibili dell'addestramento, l'inferenza genera letture ad accesso casuale con requisiti di latenza rigorosi. Un motore di raccomandazione può gestire 10.000 richieste al secondo, ciascuna delle quali richiede letture di funzionalità prima di generare previsioni. I sistemi di storage ottimizzati per i trasferimenti sequenziali di grandi dimensioni hanno difficoltà a gestire questi schemi. 

Caratteristiche di storage critiche

Bassa latenza costante nei workload misti

Le fabbriche di AI eseguono più workload contemporaneamente, addestrando processi, servizi di inferenza e pre-elaborazione dei dati. Lo storage ottimizzato per l'AI mantiene performance prevedibili nei workload misti attraverso policy di qualità del servizio, caching intelligente e architetture parallele.

Scalabilità senza peggioramento delle performance

I dati di AI crescono in modo esponenziale. I sistemi di storage devono scalare la capacità senza ridurre le performance. Le architetture scale-out distribuiscono i dati su più nodi, aumentando sia la capacità che le performance in modo lineare.

Efficienza in termini di alimentazione e spazio

I data center devono affrontare rigidi limiti di alimentazione e raffreddamento. Lo storage flash consuma fino all'80% di energia in meno per terabyte rispetto ai dischi a rotazione, occupando meno spazio su rack. Per le strutture a consumo limitato, questa efficienza consente direttamente l'espansione della capacità della GPU.

Vantaggi dell'AI Factory Architectur

• Produzione di intelligence su scala di produzione: Le fabbriche di AI consentono la produzione continua di intelligence piuttosto che esperimenti una tantum. Ciò può servire più richieste di inferenza rispetto a prima del consolidamento, spesso con costi di infrastruttura uguali o inferiori.
• Sviluppo e collaborazione centralizzati: Le fabbriche di AI consolidano le iniziative sparse in un'infrastruttura unificata. I team condividono piattaforme comuni con accesso centralizzato ai dati. È probabile che il ciclo di sviluppo organizzativo provochi riduzioni dopo l'implementazione, principalmente a causa della riduzione dei tempi di configurazione nell'ambiente e della semplificazione dell'accesso ai dati.
• Economia ottimizzata: Le fabbriche di AI appositamente realizzate riducono il costo totale grazie a un migliore utilizzo delle risorse. Le fabbriche di AI con storage adeguatamente progettato possono ottenere tassi di utilizzo della GPU significativamente più elevati rispetto alle configurazioni standard. Ad esempio, un cluster GPU da 5 milioni di dollari che opera con un utilizzo dell'80% offre più valore di un cluster da 8 milioni di dollari con un utilizzo del 50%.
• Tempi di produzione più brevi: Spesso, dopo l'implementazione dell'infrastruttura di fabbrica AI, i tempi di deployment si riducono. Un deployment più rapido si traduce in un vantaggio competitivo, rispondendo più rapidamente ai cambiamenti del mercato e alle esigenze dei clienti.

La falsa economia del sottoprovisioning dello storage

Le performance dell'addestramento AI sono determinate dalla pipeline end-to-end, non solo dalla potenza della GPU. AWS osserva che l'addestramento include più fasi interdipendenti e che qualsiasi fase, in particolare l'accesso ai dati, può diventare un collo di bottiglia se non riesce a tenere il passo con le GPU.

Analogamente, le linee guida di GPUDirect Storage di NVIDIA sottolineano che la creazione di un'infrastruttura accelerata da GPU richiede la pianificazione e la messa a punto degli I/O a livello di sistema nello stack di storage, perché l'I/O è un fattore di primo ordine negli ambienti GPU scalati.

Inoltre, la ricerca sulle pipeline di addestramento DNN nel cloud rileva che la pre-elaborazione dei dati/gestione degli input può essere un chiaro collo di bottiglia, anche con un software efficiente, che rafforza il fatto che "l'alimentazione della GPU" è spesso il fattore limitante piuttosto che l'elaborazione raw.

Nel complesso, l'aspetto pratico è che lo storage non deve essere trattato come un centro di costo ridotto al minimo nei progetti GPU. È un fattore strategico: Se la pipeline dei dati non è progettata per l'I/O di addestramento sostenuto, gli investimenti in GPU rischiano di dedicare troppo tempo all'attesa anziché all'addestramento. 

Strategie di implementazione

Crea e confronta l'acquisto

• Le fabbriche di AI personalizzate offrono la massima personalizzazione, ma comportano rischi di integrazione e in genere richiedono 6-12 mesi per il deployment. Le organizzazioni hanno bisogno di competenze in più domini.
• Le soluzioni chiavi in mano raggruppano i componenti in configurazioni convalidate, riducendo in genere i tempi di deployment da mesi a settimane. Esempi includono le configurazioni NVIDIA DGX BasePOD abbinate a uno storage ottimizzato.
• Gli approcci ibridi combinano le basi convalidate con la personalizzazione selettiva, bilanciando la velocità di deployment con la flessibilità.

Modelli di deployment

• Il deployment on-premise offre il massimo controllo e performance ottimali per i dati sensibili. La formazione su larga scala spesso viene eseguita in modo più conveniente sull'infrastruttura di proprietà rispetto al noleggio cloud.
• I deployment basati su cloud offrono flessibilità ed eliminano il capitale iniziale. Le organizzazioni accedono all'infrastruttura AI di livello enterprise tramite le spese operative.
• I deployment ibridi combinano l'infrastruttura on-premise e quella cloud, utilizzando ciascuno di essi dove fornisce un valore ottimale. Ciò rappresenta sempre più il default pratico per le aziende.

Everpure: Fondamenti dell'infrastruttura per il successo della AI Factory

Mentre l'elaborazione riceve l'attenzione primaria, l'architettura storage determina se gli investimenti in GPU offrono le loro potenzialità.

Evergreen//One per l'AI

Questa offerta di storage-as-a-service offre garanzie di performance supportate da SLA in base ai requisiti di larghezza di banda massima della GPU. Il modello di servizio elimina le previsioni di capacità, a partire dalle performance e dalla scalabilità richieste man mano che i dati crescono.

FlashBlade

Il file storage e object storage unificato supporta l'intero ciclo di vita dell'AI su un'unica piattaforma. Invece di implementare sistemi separati che creano silos di dati, le organizzazioni si consolidano sull'infrastruttura per servire in modo efficiente tutti i tipi di workload. RapidFile Toolkit accelera le operazioni dei file fino a 20 volte rispetto ai comandi Linux tradizionali.

AIRI 

Questa infrastruttura AI completa e preconvalidata combina i sistemi® NVIDIA DGX con Everpure FlashBlade® e le reti NVIDIA. La preparazione alla produzione può avvenire in poche settimane anziché in mesi. La certificazione sulle architetture NVIDIA DGX BasePOD e SuperPOD garantisce performance elevate.

Portworx

La piattaforma di data services Kubernetes offre storage persistente, condivisione dei dati e protezione per le applicazioni AI containerizzate. Questo approccio cloud-native consente schemi di deployment coerenti tra ambienti on-premise e cloud.

Efficienza energetica

L'architettura all-flash offre una riduzione della potenza fino all'80% rispetto ai sistemi a disco. I moduli DirectFlash® offrono uno storage ad alta densità con una vita utile pluriennale estesa, riducendo la frequenza dei cicli di aggiornamento dell'hardware. Questa efficienza consente una scalabilità pratica: più budget assegnato alle GPU generando valore, meno storage affamato di energia.

Conclusione

Le fabbriche di AI rappresentano un passaggio dall'AI sperimentale alla produzione di intelligence industrializzata. Il successo richiede un'infrastruttura integrata con ciascun componente ottimizzato per le esigenze specifiche dei workload di AI.

L'architettura di storage svolge un ruolo cruciale. Il collo di bottiglia che limita la maggior parte delle fabbriche di AI non è un calcolo insufficiente: sono i sistemi di storage che non riescono a fornire le GPU abbastanza velocemente, creando un tempo di inattività che spreca milioni di dollari all'anno.

Le decisioni sull'infrastruttura prese oggi determinano il posizionamento competitivo per anni. 

Per le organizzazioni pronte a passare dall'infrastruttura adattata alle fabbriche di AI appositamente realizzate, Everpure fornisce le basi dello storage per la massima efficacia. Inizia valutando se l'architettura storage attuale massimizza l'utilizzo della GPU o crea colli di bottiglia. Questa singola domanda rivela se l'investimento nell'infrastruttura sta fornendo il suo potenziale.