Thunderbolt経由でMac Studio上で25 Gbps Ethernetを実現する

概要

サーバーから取り出したOCP 2 NICとThunderbolt 3 to PCIeアダプターボードを組み合わせることで、Mac Studioで25 Gbpsのネットワークスループットを実現することが可能です。このアプローチは、エンタープライズ向けのThunderboltアダプターと比較してコストを大幅に削減できますが、実際のファイル転送速度は、ハードウェアの理論上の最大値よりも、macOSのソフトウェアオーバーヘッドやThunderbolt 3チップセットの制約によって制限されることがよくあります。

ハードウェアの実装とコスト

Mac用の標準的な25 GbEオプションは非常に高価であり、SonnetやAttoなどのプロフェッショナル向けアダプターは、しばしば999ドルから1,099ドルのコストがかかります。より手頃な代替案は、Thunderbolt 3アダプターボードとOCP 2ネットワークインターフェースカード（NIC）を使用することです。

  • コスト: ハードウェア構成は、プロフェッショナルな代替案よりも大幅に安価に取得でき、ベンダーやマークアップによっては、一部のコンポーネントが約160ドルから299ドルのコストで済みます。
  • 接続性: Macにはネットワークカード用の内部PCIeスロットがないため、OCP 2 NICをシステムにブリッジするためにThunderboltアダプターが必要です。

熱管理とアクティブクーリング

OCP 2 NICは、高圧のエアフローを前提としたサーバー環境向けに設計されており、小型の筐体でのパッシブクーリングには適していません。改造を行わない限り、これらのNICは触ると痛いと感じるほどの温度に達し、安定性の問題やドロップアウトを引き起こす可能性があります。

オーバーヒートを解決するには、アクティブクーリングソリューションが必要です。成功した改造には以下が含まれます：

  • カスタムダクト: NICに空気を送るための、3Dプリントされたファンダクトとエアフロー最適化されたグリル。
  • アクティブクーリング: 静音動作を実現するために、Noctua NF-A8 80mm 5VファンとNA-FC1スピードコントローラーを組み合わせて使用。
  • 電力の統合: ファンの電力をThunderbolt-to-OCPアダプターのPCBに直接接続（スプライシング）し、ボードから5V（約4.8V）を直接引き出し、約0.5Wを消費。

アクティブクーリングを使用することで、負荷がかかっている状態でもNICの温度を36°C以下に維持できます。

パフォーマンス・ベンチマーク

ハードウェアは25 Gbpsをサポートしていますが、実際のスループットはThunderbolt 3インターフェースとオペレーティングシステムによって制約されます。

生のネットワークスループット

iperf3（マルチスレッドをサポートするために最新バージョンにコンパイルされたもの）を使用すると、以下の結果が得られます：

  • 単方向: 約20 Gbps。
  • 双方向: 約25 Gbps。

実世界のファイル転送 (SMB)

Mac StudioとNAS間のSambaファイルコピーをテストした結果、以下のようになりました：

  • 読み取り速度: ~1.4 GB/sec。
  • 書き込み速度: ~1 GB/sec。

これらの結果は、内蔵の10 GbEポートよりもわずかに優れているだけであり、ボトルネックは物理的なリンクではなく、より上位のソフトウェアまたはハードウェアの制約であることを示唆しています。

パフォーマンス・ボトルネックの分析

生のネットワーク速度と実際のファイル転送パフォーマンスの差を生む要因はいくつかあります：

  • Thunderbolt 3の制限: Thunderbolt 3チップセットは、Thunderbolt 3またはThunderbolt 5ポートに接続されているかに関わらず、最大スループットを約20-25 Gbpsに制限します。
  • macOS SMB実装: コミュニティの知見によれば、macOSはSMB Direct (RDMA) のサポートが不足している可能性があり、これがより効率的なデータ転送を可能にします。

"macOSからのマルチチャネルSMBによる大まかなスループットテストを行った結果、スループット率はMacの内蔵10 Gb copper NICsよりもわずかに速い程度でした... 非macOSシステムでは、同じNASに対して大幅に速いスループットが得られます。"

  • NASハードウェア: 低電力のARMベースのNASシステム（Ampere Altra CPUを使用するものなど）は、高速転送中にCPUボトルネックをefectを及ぼす可能性がありますが、これはNVMe SSDアレイへの書き込み時には発生しにくい傾向にあります。

代替案のまとめ

オプション 推定コスト メリット デメリット
プロフェッショナル向けアダプター (Sonnet/Atto) $400 - $1,100 プラグアンドプレイ、安定している 非常に高価
DIY OCP 2 + TB3 アダプター $200 - $300 低コスト、生の速度が速い カスタムクーリングと組み立てが必要
eGPU Enclosure + PCIe NIC ~$150+ 内蔵クーリング 筐体が大きくなる

Sources