Кластерные системы

Московский Государственный Инженерно-Физический Институт Технический Университет кафедра 29 Управляющие Интеллектуальные Системы Реферат на тему Кластерные системы Выполнил студент группы К9-292 А МОСКВА 2001 Оглавление 1. Введение 2. Основные классы современных параллельных компьютеров 3. Кластерная архитектура параллельных компьютеров 4. Цели создания кластерных систем 5. Отказоустойчивые кластеры 6. Высокопроизводительные кластеры 7. Проект Beowulf 8. Заключение 9. Литература ВведениеРазвитие многопроцессорных вычислительных системРазвитие традиционных архитектур построения вычислительных систем, таких как SMP, MPP, векторных параллельных систем идет достаточно быстрыми темпами.

Повышается производительность, растет надежность и отказоустойчивость. Однако у этих архитектур есть один недостаток - стоимость создаваемых систем, подчас недоступная для многих пользователей таких систем - образовательных и научно-исследовательских организаций.

Она оказывает очень высокой из-за усложнения аппаратных и программных составляющих системы, которые требуются для обеспечения таких темпов роста производиельности. Однако потребность в вычислительных ресурсах в настоящее время очень высока во многих сферах научной и практической деятельности и для ее обеспечения не хватает ресурсов традиционных суперкомпьютерных систем.

Кластерные системы возникли как более дешевое решение проблемы недостатка вычислительных ресурсов, и основываются на использовании в своей архитектуре широко распространенных и относительно дешевых технологий, аппаратных и программных средств, таких как PC, Ethernet, Linux и т.д. Использование массовых технологии в кластерных системах стало возможным благодаря значительному прогрессу в развитии компонентов обычных вычислительных систем, таких как центральные процессоры, операционные системы, коммуникационные среды.

Так как кластерные системы архитектурно являются развитием систем с массовым параллелизмом MPP, то главную роль в их развитии является прогресс в области сетевых технологий. К настоящему времени появились недорогие, но эффективные коммуникационные решения. Это и предопределило быстрое появление и развитие кластерных вычислительных систем. Также прогрессу развития кластерных систем способствовали и другие факторы. Производительность персональных компьютеров на базе процессоров Intel в последние годы также значительно выросла.

Такие компьютеры стали создавать серьезную конкуренцию рабочим станциям на базе более дорогих и мощных RISC процессоров. Одновременно стала приобретать все большую популярность ОС Linux - бесплатно распространяемая версия UNIX. При этом в научных организациях и университетах, где и разрабатывается большинство кластерных систем, как правило, имеются специалисты по ОС Linux. Высокую степень развития кластерных систем на сегоднящний день показывает тот факт, что в списке самых мощных суперкомпьютеров мира Top500 - числится 11 кластерных установок.

Основные классы современных параллельных компьютеров

Когерентность кэшей поддерживается аппаратными средствами. В SMP кажды... Каждый процессор имеет доступ ко всей памяти, может выполнять любую оп... Системы с неоднородным доступом к памяти NUMA NUMA nonuniform memory a... Основной проблемой NUMA является обеспечение когерентности кэшей. Аппа... Кластер - это связанный набор полноценных компьютеров, используемый в ...

Кластерная архитектура параллельных компьютеров

СУБД отвечает за синхронизацию параллельно выполняемых действий и подд... Однако большие накладные расходы на передачу сообщений в рамках Fast E... SCI Myrinet CLAN ServerNet Fast Ethernet Латентность MPI 5,6 мкс 17 мк... Производительность коммуникационных сетей в кластерных системах опреде... В частности, после вызова пользователем функции посылки сообщения Send...

Цели создания кластерных систем

Первой была фирма Digital Equipment с кластерами VAX VMS. Для каждого класса кластеров характерны свои особенности архитекуры и ... Проект Beowulf начался летом 1994 года, и вскоре был собран 16-процесс... В настоящее время существует множество аналогичных по архитектуре сист... Рассмотрим их более подробно..

Отказоустойчивые кластеры

В массивах RAID значительное число дисков относительно малой емкости и... Компьютеры VAX могут объединяться в кластер также посредством локально... Блоки данных могут одновременно появляться в нескольких кэшах и если о... Накладные расходы в среде VAX VMS могут быть большими, требующими пере... Первым компонентом является высокоскоростной механизм связи, а вторым ...

Высокопроизводительные кластеры

Одним из примеров реализации кластерной системы такой структуры являют... В процессе построения кластеров выяснилось, что стандартные драйверы с... Узлы соединены с помощью 4-х 36-портовых коммутаторов Fast Ethernet и ... Общая стоимость Avalon - 313 тыс а его производительность по LINPACK 4... В настоящее время Avalon активно используется в астрофизических, молек...

Заключение

Заключение Ведущие производители микропроцессоров Sun Microsystems, Dell и IBM придерживаются одинаковой точки зрения на будущее отрасли суперкомпьютеров на смену отдельным, независимым суперкомпьютерам должны прийти группы высокопроизводительных серверов, объединяемых в кластер.

Уже сегодня распределенные кластерные системы опережают современные классические суперкомпьютеры по производительности самый мощный на сегодняшний день компьютер в мире - IBM ASCI White - обладает производительностью в 12 ТераФЛОП, производительность сети SETI Home оценивается примерно в 15 ТераФЛОП. При этом, IBM ASCI White был продан за 110 миллионов долларов, а за всю историю существования SETI Home было потрачено около 500 тысяч долларов.

Проанализировав итоги работ, выполненных в рамках проекта Beowulf, можно прийти к следующему выводу найденные решения позволяют самостоятельно собрать высокопроизводительный кластер на базе стандартных для ПК компонентов и использовать обычное программное обеспечение.

Среди самых крупных экземпляров нельзя не отметить 50-узловой кластер в CESDIS, включающий 40 узлов обработки данных на базе одно- и двухпроцессорных плат Рentium Рro 200 МГц и 10 масштабирующих узлов двухпроцессорная плата Рentium Рro 166 МГц. Соотношение стоимость пиковая производительность в таком кластере представляется очень удачным.

Вопрос в том, насколько эффективно удается распараллелить приложения - иными словами, какова будет реальная, а не пиковая производительность. Над решением этой проблемы сейчас и работают участники проекта.

Литература 1. http www.citforum.ru hardware svk glava 12.shtml 2. http www.beowulf.com 3. http newton.gsfc.nasa.gov thehive 4. LoBoS, http www.lobos.nih.gov 5. http parallel.ru news kentucky klat2.html 6. http parallel.ru news anl chibacity.html 7. http parallel.ru cluster 8. http www.ptc.spbu.ru Resources MIMD компьютеры MIMD компьютер имеет N процессоров, независимо исполняющих N потоков команд и обрабатывающих N потоков данных.

Каждый процессор функционирует под управлением собственного потока команд, то есть MIMD компьютер может параллельно выполнять совершенно разные программы.

MIMD архитектуры далее классифицируются в зависимости от физической организации памяти, то есть имеет ли процессор свою собственную локальную память и обращается к другим блокам памяти, используя коммутирующую сеть, или коммутирующая сеть подсоединяет все процессоры к общедоступной памяти.

Исходя из организации памяти, различают следующие типы параллельных архитектур Компьютеры с распределенной памятью Distributed memory Процессор может обращаться к локальной памяти, может посылать и получать сообщения, передаваемые по сети, соединяющей процессоры. Сообщения используются для осуществления связи между процессорами или, что эквивалентно, для чтения и записи удаленных блоков памяти.

В идеализированной сети стоимость посылки сообщения между двумя узлами сети не зависит как от расположения обоих узлов, так и от трафика сети, но зависит от длины сообщения. Компьютеры с общей разделяемой памятью True shared memory Все процессоры совместно обращаются к общей памяти, обычно, через шину или иерархию шин. В идеализированной PRAM Parallel Random Access Machine - параллельная машина с произвольным доступом модели, часто используемой в теоретических исследованиях параллельных алгоритмов, любой процессор может обращаться к любой ячейке памяти за одно и то же время.

На практике масштабируемость этой архитектуры обычно приводит к некоторой форме иерархии памяти. Частота обращений к общей памяти может быть уменьшена за счет сохранения копий часто используемых данных в кэш-памяти, связанной с каждым процессором. Доступ к этому кэш-памяти намного быстрее, чем непосредственно доступ к общей памяти.

Компьютеры с виртуальной общей разделяемой памятью Virtual shared memory Общая память как таковая отсутствует. Каждый процессор имеет собственную локальную память и может обращаться к локальной памяти других процессоров, используя глобальный адрес. Если глобальный адрес указывает не на локальную память, то доступ к памяти реализуется с помощью сообщений, пересылаемых по коммуникационной сети. Примером машин с общей памятью могут служить Sun Microsystems многопроцессорные рабочие станции Silicon Graphics Challenge многопроцессорные рабочие станции Sequent Symmetry Convex Cray 6400. Следующие компьютеры относятся к классу машин с распределенной памятью IBM-SP1 SP2 Parsytec GC CM5 Thinking Machine Corporation Cray T3D Paragon Intel Corp. KSR1 nCUBE Meiko CS-2 AVX Alex Parallel Computers IMS B008 MIMD архитектуры с распределенной памятью можно так же классифицировать по пропускной способности коммутирующей сети. Например, в архитектуре, в которой пары из процессора и модуля памяти процессорный элемент соединены сетью с топологий реш тка, каждый процессор имеет одно и то же число подключений к сети вне зависимости от числа процессоров компьютера. Общая пропускная способность такой сети растет линейно относительно числа процессоров.

С другой стороны в архитектуре, имеющей сеть с топологий гиперкуб, число соединений процессора с сетью является логарифмической функцией от числа процессоров, а пропускная способность сети растет быстрее, чем линейно по отношению к числу процессоров.

В топологии клика каждый процессор должен быть соединен со всеми другими процессорами.

Сеть с топологией 2D реш тка тор Сеть с топологией 2D тор Сеть с топологией клика Национального Центра Суперкомпьютерных Приложений университет шт. Иллинойс, Urbana-Champaign MPI The Message Passing Interface Название интерфейс передачи сообщений, говорит само за себя. Это хорошо стандартизованный механизм для построения параллельных программ в модели обмена сообщениями. Существуют стандартные привязки MPI к языкам С С , Fortran 77 90. Существуют бесплатные и коммерческие реализации почти для всех суперкомпьютерных платформ, а также для сетей рабочих станций UNIX и Windows NT. В настоящее время MPI - наиболее широко используемый и динамично развивающийся интерфейс из своего класса.

Beowulf - кластеры на базе ОС Linux Михаил Кузьминский Открытые системы На пороге тысячелетий мы имеем все шансы стать свидетелями монополизации компьютерной индустрии, которая может охватить как микропроцессоры, так и операционные системы.

Конечно же, речь идет о микропроцессорах от Intel Merced грозит вытеснить процессоры архитектуры RISC и ОС от Microsoft. В обоих случаях успех во многом определяется мощью маркетинговой машины, а не только потребительскими свойствами выпускаемых продуктов. По моему мнению, компьютерное сообщество еще не осознало масштабов возможных последствий. Некоторые специалисты сопоставляют потенциальную монополизацию компьютерного рынка с наблюдавшимся в 70-е годы монопольным господством IBM - как в области мэйнфреймов, так и операционных систем.

Я долгое время работаю с этой техникой и по мере распространения в нашей стране ОС Unix все больше осознаю многие преимущества операционной системы MVS производства IBM. Тем не менее я разделяю распространенную точку зрения, что подобная монополия не способствовала ускорению прогресса. Западные университеты, которые в свое время одними из первых перешли к использованию Unix, по-прежнему в своих перспективных разработках опираются на эту систему, причем в качестве платформы все чаще избирается Linux. Одной из поучительных академических разработок и посвящена эта статья.

Linux как общественное явление Мы уже не удивляемся тому, что Linux cтала заметным явлением компьютерной жизни. В сочетании с богатейшим набором свободно распространяемого программного обеспечения GNU эта операционная система стала чрезвычайно популярна у некоммерческих пользователей как у нас, так и за рубежом.

Ее популярность все возрастает. Версии Linux существуют не только для платформы Intel x86, но и для других процессорных архитектур, в том числе DEC Alрha, и широко используются для приложений Internet, а также выполнения задач расчетного характера. Одним словом, Linux стала своеобразной народной операционной системой. Hельзя, впрочем, сказать, что у Linux нет слабых мест одно из них - недостаточная поддержка SMР-архитектур. Самый дешевый способ нарастить компьютерные ресурсы, в том числе вычислительную мощность это построить кластер.

Массивно-параллельные суперкомпьютеры с физически и логически распределенной оперативной памятью также можно рассматривать как своеобразные кластеры. Наиболее яркий пример такой архитектуры - знаменитый компьютер IBM SР2. Весь вопрос в том, что связывает компьютеры узлы в кластер. В настоящих суперкомпьютерах для этого используется специализированная и поэтому дорогая аппаратура, призванная обеспечить высокую пропускную способность.

В кластерах, как правило, применяются обычные сетевые стандарты - Ethernet, FDDI, ATM или HiРРI. Кластерные технологии с использованием операционной системы Linux начали развиваться несколько лет назад и стали доступны задолго до появления Wolfрack для Windows NT. Так в середине 90-х годов и возник проект Beowulf. Герой эпической поэмы Беовульф - это скандинавский эпос, повествующий о событиях VII - первой трети VIII века, участником которых является одноименный герой, прославивший себя в сражениях.

Неизвестно, задумывались ли авторы проекта, с кем ныне будет сражаться Beowulf вероятно, с Windows NT однако героический образ позволил объединить в консорциум около полутора десятков организаций главным образом университетов в Соединенных Штатах. Нельзя сказать, что среди участников проекта доминируют суперкомпьютерные центры, однако кластеры Локи и Мегалон установлены в таких известных в мире высокопроизводительных вычислений центрах, как Лос-Аламос и лаборатория Sandia Министерства энергетики США ведущие разработчики проекта - специалисты агентства NASA. Вообще, все без исключения кластеры, созданные участниками проекта, получают громкие имена.

Кроме Beowulf, известна еще одна близкая кластерная технология - NOW. В NOW персональные компьютеры обычно содержат информацию о самих себе и поставленных перед ними задачах, а в обязанности системного администратора такого кластера входит формирование данной информации. Кластеры Beowulf в этом отношении то есть с точки зрения системного администратора проще там отдельные узлы не знают о конфигурации кластера.

Лишь один выделенный узел содержит информацию о конфигурации и только он имеет связь по сети с внешним миром. Все остальные узлы кластера объединены локальной сетью, и с внешним миром их связывает только тоненький мостик от управляющего узла. Узлами в технологии Beowulf являются материнские платы ПК. Обычно в узлах задействованы также локальные жесткие диски. Для связи узлов используются стандартные типы локальных сетей.

Этот вопрос мы рассмотрим ниже, сначала же остановимся на программном обеспечении. Его основу в Beowulf составляет обычная коммерчески доступная ОС Linux, которую можно приобрести на CD-ROM. Первое время большинство участников проекта ориентировались на компакт-диски, издаваемые Slackware, а сейчас предпочтение отдаетcя версии RedHat. В обычной ОС Linux можно инсталлировать известные средства распараллеливания в модели обмена сообщениями LAM MРI 6.1, РVM 3.3.11 и другие. Можно также воспользоваться стандартом р-threads и стандартными средствами межпроцессорного взаимодействия, входящими в любую ОС Unix System V. В рамках проекта Beowulf были выполнены и серьезные дополнительные разработки.

Прежде всего следует отметить доработку ядра Linux 2.0. В процессе построения кластеров выяснилось, что стандартные драйверы сетевых устройств в Linux весьма неэффективны. Поэтому были разработаны новые драйверы автор большинства разработок - Дональд Бекер, в первую очередь для сетей Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, и обеспечена возможность логического объединения нескольких параллельных сетевых соединений между персональными компьютерами, что позволяет из дешевых локальных сетей, обладающих более чем скромной скоростью, соорудить сеть с высокой совокупной пропускной способностью.

Как и во всяком кластере, в каждом узле живет своя копия ядра ОС. Благодаря доработкам обеспечена уникальность идентификаторов процессов в рамках всего кластера, а не отдельных узлов, а также удаленная доставка сигналов ОС Linux. Кроме того, надо отметить функции загрузки по сети netbooting при работе с материнскими платами Intel РR 440FX, причем они могут применяться и для работы с другими материнскими платами, снабженными AMI BIOS. Очень интересные возможности предоставляют механизмы сетевой виртуальной памяти Network Virtual Memory или разделяемой распределенной памяти DSM Distributed Shared Memory, позволяющие создать для процесса определенную иллюзию общей оперативной памяти узлов.

Сеть - дело тонкое Поскольку для распараллеливания суперкомпьютерных приложений вообще, и кластерных в частности, необходима высокая пропускная способность и низкие задержки для обмена сообщениями между узлами, сетевые характеристики становятся параметрами, определяющими производительность кластера.

Выбор микропроцессоров для узлов очевиден - это стандартные процессоры производства Intel а вот с топологией кластера, типом сети и сетевых плат можно поэкспериментировать.

Именно в этой области и проводились основные исследования. При анализе различных сетевых плат ПК, представленных сегодня на рынке, особое внимание было уделено таким характеристикам, как эффективная поддержка широковещательной рассылки multicasting, поддержка работы с пакетами больших размеров и т. д. Основные типы локальных сетей, задействованные в рамках проекта Beowulf это Gigabit Ethernet, Fast Ethernet и 100-VG AnyLAN. Возможности ATM-технологии также активно исследовались, но, насколько известно автору, это делалось вне рамок данного проекта.

Как самому собрать суперкомпьютер Проанализировав итоги работ, выполненных в рамках проекта Beowulf, можно прийти к следующему выводу найденные решения позволяют самостоятельно собрать высокопроизводительный кластер на базе стандартных для ПК компонентов и использовать обычное программное обеспечение. Среди самых крупных экземпляров нельзя не отметить 50-узловой кластер в CESDIS, включающий 40 узлов обработки данных на базе одно- и двухпроцессорных плат Рentium Рro 200 МГц и 10 масштабирующих узлов двухпроцессорная плата Рentium Рro 166 МГц. Соотношение стоимость пиковая производительность в таком кластере представляется очень удачным.

Вопрос в том, насколько эффективно удается распараллелить приложения - иными словами, какова будет реальная, а не пиковая производительность. Над решением этой проблемы сейчас и работают участники проекта. Следует отметить, что построение кластеров из обычных ПК становится сегодня достаточно модным в научной среде.

Некоторые академические институты в нашей стране также планируют создать подобные кластеры. При объединении в кластер компьютеров разной мощности или разной архитектуры, говорят о гетерогенных неоднородных кластерах. Узлы кластера могут одновременно использоваться в качестве пользовательских рабочих станций. В случае, когда это не нужно, узлы могут быть существенно облегчены и или установлены в стойку.

Используются стандартные для рабочих станций ОС, чаще всего, свободно распространяемые - Linux FreeBSD, вместе со специальными средствами поддержки параллельного программирования и распределения нагрузки. Программирование, как правило, в рамках модели передачи сообщений чаще всего - MPI . Более подробно она рассмотрена в следующем параграфе. История развития кластерной архитектуры. Компания DEC первой анонсировала концепцию кластерной системы в 1983 году, определив ее как группу объединенных между собой вычислительных машин, представляющих собой единый узел обработки информации. Один из первых проектов, давший имя целому классу параллельных систем - кластеры Beowulf 2 - возник в центре NASA Goddard Space Flight Center для поддержки необходимыми вычислительными ресурсами проекта Earth and Space Sciences.

Проект Beowulf стартовал летом 1994 года, и вскоре был собран 16-процессорный кластер на процессорах Intel 486DX4 100 МГц. На каждом узле было установлено по 16 Мбайт оперативной памяти и по 3 сетевых Ethernet-адаптера.

Для работы в такой конфигурации были разработаны специальные драйверы, распределяющие трафик между доступными сетевыми картами. Позже в GSFC был собран кластер theHIVE - Highly-parallel Integrated Virtual Environment 3 , структура которого показана на рис. 2. Этот кластер состоит из четырех подкластеров E, B, G, и DL, объединяя 332 процессора и два выделенных хост-узла. Все узлы данного кластера работают под управлением RedHat Linux. Рис. 5 В 1998 году в Лос-Аламосской национальной лаборатории астрофизик Майкл Уоррен и другие ученые из группы теоретической астрофизики построили суперкомпьютер Avalon, который представляет собой Linux-кластер на базе процессоров Alpha 21164A с тактовой частотой 533 МГц. Первоначально Avalon состоял из 68 процессоров, затем был расширен до 140. В каждом узле установлено по 256 Мбайт оперативной памяти, жесткий диск на 3 Гбайт и сетевой адаптер Fast Ethernet.

Общая стоимость проекта Avalon составила 313 тыс. долл а показанная им производительность на тесте LINPACK - 47,7 GFLOPS, позволила ему занять 114 место в 12-й редакции списка Top500 рядом с 152-процессорной системой IBM RS 6000 SP. В том же 1998 году на самой престижной конференции в области высокопроизводительных вычислений Supercomputing98 создатели Avalon представили доклад Avalon An Alpha Linux Cluster Achieves 10 Gflops for 150k, получивший первую премию в номинации наилучшее отношение цена производительность. В апреле текущего года в рамках проекта AC3 в Корнелльском Университете для биомедицинских исследований был установлен кластер Velocity, состоящий из 64 узлов с двумя процессорами Pentium III 733 МГц и 2 Гбайт оперативной памяти каждый и с общей дисковой памятью 27 Гбайт. Узлы работают под управлением Windows 2000 и объединены сетью cLAN компании Giganet.

Проект Lots of Boxes on Shelfes 4 реализован в Национальном Институте здоровья США в апреле 1997 года и интересен использованием в качестве коммуникационной среды технологии Gigabit Ethernet.

Сначала кластер состоял из 47 узлов с двумя процессорами Pentium Pro 200 МГц, 128 Мбайт оперативной памяти и диском на 1,2 Гбайт на каждом узле. В 1998 году был реализован следующий этап проекта - LoBoS2, в ходе которого узлы были преобразованы в настольные компьютеры с сохранением объединения в кластер.

Сейчас LoBoS2 состоит из 100 вычислительных узлов, содержащих по два процессора Pentium II 450 МГц, 256 Мбайт оперативной и 9 Гбайт дисковой памяти.

Дополнительно к кластеру подключены 4 управляющих компьютера с общим RAID-массивом емкостью 1,2 Тбайт. Одной из последних кластерных разработок стал суперкомпьютер AMD Presto III, представляющий собой кластер Beowulf из 78 процессоров Athlon. Компьютер установлен в Токийском Технологическом Институте. На сегодняшний день AMD построила 8 суперкомпьютеров, объединенных в кластеры по методу Beowulf, работающих под управлением ОС Linux. Кластеры IBMRS 6000 Компания IBM предлагает несколько типов слабо связанных систем на базе RS 6000, объединенных в кластеры и работающих под управлением программного продукта High-Availability Clastered Multiprocessor 6000 HACMP 6000 . Узлы кластера работают параллельно, разделяя доступ к логическим и физическим ресурсам пользуясь возможностями менеджера блокировок, входящего в состав HACMP 6000. Начиная с объявления в 1991 году продукт HACMP 6000 постоянно развивался. В его состав были включены параллельный менеджер ресурсов, распределенный менеджер блокировок и параллельный менеджер логических томов, причем последний обеспечил возможность балансировки загрузки на уровне всего кластера.

Максимальное количество узлов в кластере возросло до восьми.

В настоящее время в составе кластера появились узлы с симметричной многопроцессорной обработкой, построенные по технологии Data Crossbar Switch, обеспечивающей линейный рост производительности с увеличением числа процессоров. Кластеры RS 6000 строятся на базе локальных сетей Ethernet, Token Ring или FDDI и могут быть сконфигурированы различными способами с точки зрения обеспечения повышенной надежности Горячий резерв или простое переключение в случае отказа.

В этом режиме активный узел выполняет прикладные задачи, а резервный может выполнять некритичные задачи, которые могут быть остановлены в случае необходимости переключения при отказе активного узла. Симметричный резерв. Аналогичен горячему резерву, но роли главного и резервного узлов не фиксированы.

Взаимный подхват или режим с распределением нагрузки. В этом режиме каждый узел в кластере может подхватывать задачи, которые выполняются на любом другом узле кластера. IBM SP2 IBM SP2 лидируют в списке крупнейших суперкомпьютеров TOP500 по числу инсталляций 141 установка, а всего в мире работает 8275 таких компьютеров с общим числом узлов свыше 86 тыс. В основу этих суперкомпьютеров заложенный в основу архитектуры кластерный подход с использованием мощного центрального коммутатора.

IBM использует этот подход уже много лет. Общая архитектура SP2Общее представление об архитектуре SP2 дает рис. 1. Основная ее особенность архитектуры - применение высокоскоростного коммутатора с низкими задержками для соединения узлов между собой. Эта внешне предельно простая схема, как показал опыт, оказалась чрезвычайно гибкой. Сначала узлы SP2 были однопроцессорными, затем появились узлы с SMP-архитектурой. Рис. 7 Собственно, все детали скрываются в строении узлов.

Мало того, узлы бывают различных типов, причем даже процессоры в соседних узлах могут быть разными. Это обеспечивает большую гибкость выбора конфигураций. Общее число узлов в вычислительной системе может достигать 512. Узлы SP2 фактически являются самостоятельными компьютерами, и их прямые аналоги продаются корпорацией IBM под самостоятельными названиями. Наиболее ярким примером этого является четырехпроцессорный SMP-сервер RS 6000 44P-270 c микропроцессорами Power3-II, который сам по себе можно отнести к классу компьютеров среднего класса или даже к мини-суперкомпьютерам. Устанавливавшиеся в узлах SP2 микропроцессоры развивались по двум архитектурным линиям Power - Power2 - Power3 - Power3-II и по линии PowerPC вплоть до модели 604e с тактовой частотой 332 МГц. Традиционными для SP2 являются тонкие Thin Node и широкие Wide Node узлы, обладающие SMP-архитектурой.

В них могут устанавливаться как PowerPC 604e от двух до четырех процессоров, так и Power3-II до четырех. Емкость оперативной памяти узлов составляет от 256 Мбайт до 3 Гбайт при использовании Power3-II - до 8 Гбайт. Основные отличия между тонкими и широкими узлами касаются подсистемы ввода вывода.

Широкие узлы предназначены для задач, требующих более мощных возможностей ввода вывода в них имеется по десять слотов PCI в том числе три 64-разрядных против двух слотов в тонких узлах. Соответственно, и число монтажных отсеков для дисковых устройств в широких узлах больше. Быстродействие коммутатора характеризуется низкими величинами задержек 1,2 мс до 2 мс при числе узлов свыше 80 . Это на порядок лучше того, что можно получить в современных Linux-кластерах Beowulf.

Пиковая пропускная способность каждого порта она составляет 150 Мбайт с в одном направлении то есть 300 Мбайт с при дуплексной передаче. Той же пропускной способностью обладают и расположенные в узлах SP2 адаптеры коммутатора. IBM приводит также отличные результаты по задержкам и пропускной способности. Наиболее мощные узлы SP2 - высокие High Node. Высокий узел - это комплекс, состоящий из вычислительного узла с подсоединенными устройствами расширения ввода вывода в количестве до шести штук. Такой узел также обладает SMP-архитектурой и содержит до 8 процессоров Power3 с тактовой частотой 222 или 375 МГц. Рис. 8 Кроме того, узел этого типа содержит плату ввода вывода, которая также подсоединена к системной плате.

Плата ввода вывода содержит два симметричных логических блока SABER, через которые осуществляется передача данных к внешним устройствам, таким как диски и телекоммуникационное оборудование.

На плате ввода вывода имеется четыре слота 64-разрядной шины PCI и один 32-разрядный слот частота 33 МГц, а также интегрированы контроллеры UltraSCSI, Ethernet 10 100 Мбит с, три последовательных и один параллельный порт. C появлением высоких узлов и микропроцессоров Power3-II 375 МГц на тестах Linpack parallel системы IBM SP2 достигли производительности 723,4 GFLOPS. Этот результат достигнут при использовании 176 узлов 704 процессора. Учитывая, что узлов можно установить до 512, этот результат показывает, что серийно выпускаемые IBM SP2 потенциально близки к отметке 1 TFLOPS. Кластерные решения Sun MicrosystemsSun Microsystems предлагает кластерные решения на основе своего продукта SPARCclaster PDB Server, в котором в качестве узлов используются многопроцессорные SMP-серверы SPARCserver 1000 и SPARCcenter 2000. Максимально в состав SPARCserver 1000 могут входить до восьми процессоров, а в SPARCcenter 2000 до 20 процессоров SuperSPARC. В комплект базовой поставки входят следующие компоненты два кластерных узла на основе SPARCserver 1000 1000E или SPARCcenter 2000 2000E, два дисковых массива SPARCstorage Array, а также пакет средств для построения кластера, включающий дублированное оборудование для осуществления связи, консоль управления кластером Claster Management Console, программное обеспечение SPARCclaster PDB Software и пакет сервисной поддержки кластера.

Для обеспечения высокой производительности и готовности коммуникаций кластер поддерживает полное дублирование всех магистралей данных.

Узлы кластера объединяются с помощью каналов SunFastEthernet с пропускной способностью 100 Мбит с. Для подключения дисковых подсистем используется оптоволоконный интерфейс Fibre Channel с пропускной способностью 25 Мбит с, допускающий удаление накопителей и узлов друг от друга на расстояние до 2 км. Все связи между узлами, узлами и дисковыми подсистемами дублированы на аппаратном уровне.

Аппаратные, программные и сетевые средства кластера обеспечивают отсутствие такого места в системе, одиночный отказ или сбой которого выводил бы всю систему из строя. Университетские проектыИнтересная разработка Университета штата Кентукки - кластер KLAT2 Kentucky Linux Athlon Testbed 2 5 . Система KLAT2 состоит из 64 бездисковых узлов с процессорами AMD Athlon 700 МГц и оперативной памятью 128 Мбайт на каждом.

Программное обеспечение, компиляторы и математические библиотеки SCALAPACK, BLACS и ATLAS были доработаны для эффективного использования технологии 3DNow! процессоров AMD, что позволило увеличить производительность.

Значительный интерес представляет и использованное сетевое решение, названное Flat Neighbourghood Network FNN . В каждом узле установлено четыре сетевых адаптера Fast Ethernet от Smartlink, а узлы соединяются с помощью девяти 32-портовых коммутаторов. При этом для любых двух узлов всегда есть прямое соединение через один из коммутаторов, но нет необходимости в соединении всех узлов через единый коммутатор.

Благодаря оптимизации программного обеспечения под архитектуру AMD и топологии FNN удалось добиться рекордного соотношения цена производительность - 650 долл. за 1 GFLOPS. Идея разбиения кластера на разделы получила интересное воплощение в проекте Chiba City 6 , реализованном в Аргоннской Национальной лаборатории. Главный раздел содержит 256 вычислительных узлов, на каждом из которых установлено два процессора Pentium III 500 МГц, 512 Мбайт оперативной памяти и локальный диск емкостью 9 Гбайт. Кроме вычислительного раздела в систему входят раздел визуализации 32 персональных компьютера IBM Intellistation с графическими платами Matrox Millenium G400, 512 Мбайт оперативной памяти и дисками 300 Гбайт, раздел хранения данных 8 серверов IBM Netfinity 7000 с процессорами Xeon 500 МГц и дисками по 300 Гбайт и управляющий раздел 12 компьютеров IBM Netfinity 500 . Все они объединены сетью Myrinet, которая используется для поддержки параллельных приложений, а также сетями Gigabit Ethernet и Fast Ethernet для управляющих и служебных целей.

Все разделы делятся на города town по 32 компьютера. Каждый из них имеет своего мэра, который локально обслуживает свой город, снижая нагрузку на служебную сеть и обеспечивая быстрый доступ к локальным ресурсам.

Кластерные проекты в РоссииВ России всегда была высока потребность в высокопроизводительных вычислительных ресурсах, и относительно низкая стоимость кластерных проектов послужила серьезным толчком к широкому распространению подобных решений в нашей стране.

Одним из первых появился кластер Паритет, собранный в ИВВиБД и состоящий из восьми процессоров Pentium II, связанных сетью Myrinet. В 1999 году вариант кластерного решения на основе сети SCI был апробирован в НИЦЭВТ, который, по сути дела, и был пионером использования технологии SCI для построения параллельных систем в России. Высокопроизводительный кластер на базе коммуникационной сети SCI, установлен в Научно-исследовательском вычислительном центре Московского государственного университета 7 . Кластер НИВЦ включает 12 двухпроцессорных серверов Эксимер на базе Intel Pentium III 500 МГц, в общей сложности 24 процессора с суммарной пиковой производительностью 12 млрд. операций в секунду.

Общая стоимость системы - около 40 тыс. долл. или примерно 3,33 тыс. за 1 GFLOPS. Вычислительные узлы кластера соединены однонаправленными каналами сети SCI в двумерный тор 3x4 и одновременно подключены к центральному серверу через вспомогательную сеть Fast Ethernet и коммутатор 3Com Superstack.

Сеть SCI - это ядро кластера, делающее данную систему уникальной вычислительной установкой суперкомпьютерного класса, ориентированной на широкий класс задач. Максимальная скорость обмена данными по сети SCI в приложениях пользователя составляет более 80 Мбайт с, а время латентности около 5,6 мкс. При построении данного вычислительного кластера использовалось интегрированное решение Wulfkit, разработанное компаниями Dolphin Interconnect Solutions и Scali Computer Норвегия. Основным средством параллельного программирования на кластере является MPI Message Passing Interface версии ScaMPI 1.9.1. На тесте LINPACK при решении системы линейных уравнений с матрицей размера 16000х16000 реально полученная производительность составила более 5,7 GFLOPS. На тестах пакета NPB производительность кластера сравнима, а иногда и превосходит производительность суперкомпьютеров семейства Cray T3E с тем же самым числом процессоров.

Основная область применения вычислительного кластера НИВЦ МГУ - это поддержка фундаментальных научных исследований и учебного процесса. Из других интересных проектов следует отметить решение, реализованное в Санкт-Петербургском университете на базе технологии Fast Ethernet 8 собранные кластеры могут использоваться и как полноценные независимые учебные классы, и как единая вычислительная установка, решающая единую задачу.

В Самарском научном центре пошли по пути создания неоднородного вычислительного кластера, в составе которого работают компьютеры на базе процессоров Alpha и Pentium III. В Санкт-Петербургском техническом университете собирается установка на основе процессоров Alpha и сети Myrinet без использования локальных дисков на вычислительных узлах.

В Уфимском государственном авиационном техническом университете проектируется кластер на базе двенадцати Alpha-станций, сети Fast Ethernet и ОС Linux.