Высокопроизводительные вычисления

Высокопроизводительные вычисления (High Performance Computing) необходимы в проектах, где требуется обработка больших массивов данных. В частности, в исследовательских и производственных задачах с применением технического анализа, моделирования, обработки Big Data, в работе систем искусственного интеллекта и подобного. 

Технологии высокопроизводительных вычислений активно развиваются, становясь все более доступными. Поэтому сегодня мало кого удивить такими решениями в крупных и средних компаниях. 

В этой статье мы подробнее рассмотрим, какие применяются решения для высокопроизводительных вычислений и как осуществляется обработка с хранением данных в условиях высокой нагрузки на систему серверов.

VDI — что это?

Высокопроизводительные вычисления на кластерах чаще всего осуществляют с применением технологии Virtual Desktop Infrastructure (VDI). В переводе этот термин означает инфраструктуру виртуальных рабочих столов. То есть все производительные вычисления осуществляются не на конкретном компьютере пользователя/сотрудника компании, а на ЦОД. Виртуализация в данном случае позволяет осуществлять операции из любого места, не предоставляя при этом пользователям прямого доступа к конфиденциальным данным.

Что такое GPU

Сложно представить суперкомпьютерные технологии и высокопроизводительные вычисления без применения графических процессоров. Именно GPU задействуют в требовательных задачах, связанных с обработкой больших массивов данных. Дословно это обозначение означает Graphics Processing Unit. Речь идет о серверах с использованием графических процессоров, которые дополняют CPU. 

Вычислительный узел (стандартная нода кластера)

Рассмотрев основные технологии, которые нужны для высокопроизводительных вычислений и облачных сервисов, следует подробнее описать составные компоненты вычислительных кластеров. И одним из них является вычислительный узел. Он представляет собой сервер с несколькими ядрами, который и выполняет задачи пользователя по обработке данных. 

Вычислительный узел может иметь разные технические характеристики: тот или иной объем оперативной памяти, тактовую частоту и количество ядер и прочее. Чем выше параметры, тем более высокопроизводительные задачи могут решать сервера. 

Управляющий узел кластера

Еще одним элементом кластера для высокопроизводительных вычислений является управляющий узел. Он представляет собой сервер с объемными ресурсами, включая ОЗУ, графическую память и другие вычислительные мощности. В функции управляющего узла входят следующие операции:

• Декомпозиций задач (разделение их на небольшие части);
• Анализ;
• Мониторинг;
• Верстка и другое.

Формально, управляющий узел определяет свободные мощности подключенных элементов и нагружает их для максимального КПД. Это требует постоянного запаса памяти, чтобы осуществлять мониторинг и анализ. Администратор в любой момент может менять приоритетность задач.

Важно понимать, что управляющий узел кластера самостоятельно не задействуется в решении задач. То есть его производительность не учитывается в общем объеме производительности кластера. Однако без этого узла некоторые элементы могут нагружаться недостаточно, а некоторые в избытке. Из-за этого могли бы возникать ошибки, сбои и задержки даже при условии, что некоторые элементы работают не на полную силу. 

Вычислительный узел c GPU-ускорением

Как уже было написано выше, GPU-технология является важным элементом для вычислений производительных задач. Например, майнинг криптовалюты осуществляется только при помощи графических процессоров, так как простые CPU с этим не справятся. Особенностью GPU является их структура. Они могут выполнять задачи параллельно. Поэтому не возникает такой паузы между запросом и решением. 

Любые требовательные задачи, связанные с работой с графикой, моделированием, проектированием, анализом, обработкой Big Data, требуют графического ускорителя. Поэтому такой вычислительный узел является незаменимым элементом кластера. 

Интерконнект кластера

Название этого элемента говорит само за себя. Интерконнект обеспечивает быстрый и беспрепятственный обмен данными в кластере высокопроизводительных вычислений. Поэтому все применяемые решения соответствуют таким требованиям, как низкий уровень задержки, высокая пропускная способность с возможность бесперебойной работы без сбоев 24/7.

Правильно подобранный и настроенный интерконнект не перегружает другие подсистемы, работающие в кластере. 

Подсистема хранения данных (СХД)

В кластере для высокопроизводительных вычислений очень важно обеспечить достаточный объем хранилища для данных. Системы хранения данных должны быть не только вместительными, но и надежными. А еще к хранимой и обрабатываемой информации должен быть доступ 24/7, независимо от обстоятельств. 

Есть разные способы интеграции СХД в кластер. Например, подключение к каждому узлу внешних систем хранения с собственным интерфейсом (Fibre Channel, SAS, Infiniband, редко NVMe-over-Fabric). В качестве альтернативы можно и обеспечить параллельную работу файловой системы с использованием интерконнектора. 

Источники бесперебойного питания и резервирование электропитания

Независимо от области применения высокопроизводительных вычислений,необходимо позаботится о резервном копировании и обеспечении автономности кластера. Если резервное копирование относится к элементам безопасности, то автономность достигается за счет использования источников бесперебойного питания. В целом, наличие таких источников является обязательным требованием при обустройстве любой серверной комнаты. 

ИБП должно иметь такие характеристики, которых будет достаточно для нейтрализации скачков электроэнергии и временной работы всего кластера до момента активации резервного электропитания или восстановления сетевого электроснабжения.

Система охлаждения всех узлов и компонентов кластера

Вопрос о достаточном охлаждении кластера поднимается еще на этапе проектирования помещения. Для этого необходима активная приточно-вытяжная вентиляция, а также независимая климат-система. Внутри помещения с кластером не должна быть температура выше 27-28 градусов по Цельсию. Все узлы должны быть смонтированы на специальных серверных шкафах с вентиляцией. Высота потолков не должна быть ниже 2,7 для нормальной естественной вентиляции. В некоторых подсистемах оборудуется система водяного охлаждения, если этого требует нагрузка кластера. 

Стоимость VDI и GPU

Если речь идет только о стоимости VDI и GPU в кластерах для высокопроизводительных вычислений, то она может исчисляться тысячами и десятками тысяч долларов. Однако точную сумму можно будет назвать только после предварительного расчета и определения технических спецификаций с учетом требований и условий работы системы. 

Лицензия на решения для виртуализации рабочих столов обходится не так дорого. Этим уже пользуются многие далеко не самые крупные компании. Дороже обойдется обустройство GPU для кластера, поэтому важно доверить выбор и установку профессионалам с целью исключения переплаты.