Oxide ra mắt Voxel: Giả lập trọn vẹn một tủ rack trong máy ảo

Oxide Computer vừa công bố Voxel (Virtual Oxide Labs) — một ngăn xếp giả lập phần mềm cho phép tái tạo gần như trọn vẹn một tủ rack Oxide thật chỉ trên một chiếc mini-PC. Đây là bước tiến đáng kể so với các phương pháp mô phỏng trước đây, vì Voxel không chỉ "giả vờ" chạy đúng luồng mà còn tái hiện cả vi điều khiển, firmware và cấu trúc mạng của phần cứng thực.

Minh họa khối voxel trong không gian 3D

Vì sao cần giả lập rack-scale?

Bài toán muôn thuở của việc phát triển và kiểm thử phần cứng quy mô tủ rack là... rack thì không dễ có. Ngay cả khi mọi linh kiện đều sẵn hàng, những tủ rack hoàn chỉnh vẫn nhanh chóng được đưa thẳng ra "tiền tuyến" — tức trung tâm dữ liệu của khách hàng.

Điều đó buộc đội ngũ Oxide phải tìm cách tái tạo môi trường thật, với các yêu cầu khắt khe:

• Tái hiện đa dạng cấu trúc mạng (network topology) của khách hàng
• Chạy mặt phẳng điều khiển (control plane) thực tế
• Kiểm thử các phiên bản phần mềm mới nhất
• Đại diện được các thành phần phần cứng như switch và vi điều khiển
• Và quan trọng nhất: không được cắt ra bản phát hành "dành riêng cho test"

Oxide đã có sẵn vài cách tiếp cận. Đầu tiên là racklettes — những tủ rack thu nhỏ gồm bốn sled và hai switch, khởi tạo và vận hành y hệt rack thật, chỉ khác là hình dáng không kinh tế để bán. Hiện có bốn chiếc, sắp tới là tám.

Thứ hai là các phương pháp chạy Omicron mô phỏng, cho phép chạy độc lập hoặc kết hợp nhiều phần của mặt phẳng điều khiển.

Voxel là gì?

Cái tên Voxel bắt nguồn từ "volume element" + "pixel" — một điểm trong không gian 3D, gợi nhớ đến tựa game isometric kinh điển Q*bert. Với Oxide, Voxel là Virtual OXidE Labs: một lượng lớn độ trung thực được nén vào một khối phần cứng duy nhất.

Voxel là hậu duệ tinh thần của a4x2 — hệ thống virtual lab trước đây chạy trong máy ảo. Điểm mấu chốt nằm ở chữ "fidelity" (độ trung thực). Như Bryan Cantrill nhấn mạnh, đây là "Prime Directive": phòng lab phải dùng phần mềm Oxide nguyên bản, không hack, không chỉnh sửa.

Voxel mang lại đúng điều đó: một ngăn xếp giả lập hoàn chỉnh, viết bằng Rust trên illumos, cho phép dựng và kiểm thử nhiều cấu hình thực tế:

• Ảo hóa sled nhờ Propolis
• Mạng BGP (có số hiệu lẫn không số hiệu) hoặc mạng tĩnh, dùng switch chạy Debian với FRR và SoftNPU — switch P4 phần mềm do Oxide tự phát triển
• Giả lập vi điều khiển cho Service Processor (SP) và Root of Trust (RoT)

Toàn bộ vận hành trong dấu chân khá nhỏ. Tại nhà, tác giả Steve Karam chạy phòng lab Voxel trên chiếc mini-PC Minisforum MS-A2 với CPU AMD Ryzen 9 9955HX 32 luồng và 96GB RAM. Trên đó, ông dễ dàng dựng 6 sled — hoặc như một rack, hoặc cấu hình đa rack (hai rack riêng biệt, một mặt phẳng quản trị). Chỉ cần Oxide Helios và một ổ NVMe nhanh; khoảng 10 phút là có một tủ rack Oxide đầy đủ.

Quy trình tạo image và khởi chạy

Mỗi sled Oxide chỉ có thể là một trong hai loại: sled thường (gimlet cho thế hệ đầu, cosmo cho thế hệ hiện tại) hoặc scrimlet — sled nối với switch sidecar và chạy switch zone.

Voxel tạo một snapshot từ sled đã cài mặt phẳng điều khiển, trước thời điểm cấu hình. Có hai cách cài:

• Từ mã nguồn: clone repo Omicron trên GitHub và biên dịch bằng cargo
• Từ repo TUF: dùng Tufaceous đóng gói bản phát hành Omicron theo The Update Framework (TUF), kết hợp công cụ CI Buildomat

Image tạo ra là một snapshot ZFS có thể tái sử dụng cho nhiều rack khác nhau.

Khi khởi chạy, quy trình gồm nhiều bước: tạo trust material dạng sprockets PKI, nạp firmware Hubris vào các vi điều khiển STM32H753 và LPC55 giả lập, dùng bộ công cụ topology mạng tự động falcon để nối các liên kết, khởi động các máy ảo Propolis, rồi để voxel-init — một agent Rust nhẹ — cấu hình NAT, đánh nhãn ổ đĩa, gán scrimlet và kích hoạt sled-agent.

Giả lập vi điều khiển — điểm nhấn kỹ thuật

Đây là phần thú vị nhất. Mỗi sled Oxide đều có RoT và SP nhúng — yếu tố làm nên sự khác biệt của sản phẩm. Trước kia, Oxide dùng SpSim như một stub mô phỏng, luôn trả về kết quả đúng ở thời điểm đúng. Nhưng đó là mô phỏng (simulation), không phải giả lập (emulation) — luôn đi theo happy path, và không đủ độ trung thực cho kiểm thử thực sự.

Vì vậy, nhóm đã xây dựng các thiết bị Cortex-M7 và Cortex-M33 giả lập thực thụ cho illumos và Linux (cả x86 lẫn ARM). Công cụ sp-emu được mở mã nguồn. Mỗi thiết bị chạy trong một luồng đơn, tái hiện ba yêu cầu chính: lệnh, thời gian và ngắt.

Bạn có thể nạp trực tiếp firmware Hubris vào thiết bị giả lập, rồi giao tiếp qua socket thông thường. Phòng lab Voxel nói chuyện với các thiết bị ảo này qua Management Gateway Service (MGS) và Inter-Processor Communication Channel (IPCC).

Thách thức lớn nhất là thời gian. Toàn bộ mã nguồn vốn dành cho silicon thật, với Hubris lập lịch theo SysTick 1ms — nhưng trình giả lập không dùng thời gian thực. Giải pháp: biến thời gian thành số lệnh. Trình giả lập đếm lệnh so với giá trị nạp lại của kernel và kích hoạt ngoại lệ ở những điểm an toàn theo thiết kế đơn ưu tiên.

Kết quả là một sự đánh đổi hợp lý: mỗi lần truy cập ngoại vi tốn một "tick", trong khi trên silicon thật có thể tốn hàng chục chu kỳ bus.

"Thực sự không có mẹo thần kỳ nào để chạy vi điều khiển thật dưới dạng thiết bị ảo cả." — Steve Karam

Cách sử dụng thực tế

Voxel cho phép kết nối thẳng vào switch zone để chạy lệnh toàn rack, chẳng hạn:

zlogin oxz_switch

Lệnh tp trong trường hợp này hoạt động như cổng kỹ thuật viên, cho phép kết nối trực tiếp đến switch zone để thực hiện các lệnh và cấu hình mạng trên toàn rack. Ngoài ra còn nhiều lệnh quản lý image (xuất/nhập, xóa), cấu hình (topology mạng, kích cỡ sled, đa rack) và nhiều tính năng khác đang được bổ sung.

Ý nghĩa với cộng đồng công nghệ

Voxel được phát hành theo giấy phép MPL 2.0, cần chạy trên hệ điều hành Helios. Cấu hình khuyến nghị: từ 16 luồng CPU trở lên, 64GB RAM trở lên, cùng ổ NVMe cao cấp có DRAM tích hợp.

Với các kỹ sư hạ tầng và lập trình viên hệ thống tại Việt Nam, đây là ví dụ đáng học hỏi về cách giải bài toán kiểm thử phần cứng đắt tiền bằng giả lập độ trung thực cao — thay vì thỏa hiệp với mô phỏng happy path. Việc mở mã nguồn sp-emu cũng mở ra cơ hội nghiên cứu cho những ai quan tâm đến hệ thống nhúng, vi điều khiển ARM và bảo mật hardware root of trust.