Informatika | Tanulmányok, esszék » Szöllősy István - Az avalon projekt, avagy olcsón szuperszámítógépet

Az avalon projekt (avagy olcsón szuperszámítógépet) Számos helyen kísérleteznek párhuzamos számításokra alkalmas munkaállomás-fürtökkel. Ezekkel a munkaállomás-fürtökkel a szuperszámítógépek számítási teljesítményét lehet elérni egy valódi szuperszámítógép árának töredékéért. Mára meglehetősen sok sikeres kísérletet végeztek ilyen “Beowulf kategóriájú”, hétköznapi alkatrészekből felépített “szuperszámítógépekkel”. A valódi szuperszámítógépek ára továbbra is rendkívül magas (egy NEC SX-5 havi bérleti díja kiépítéstől függően tízmillió dollár nagyságrendű lehet). Kézenfekvő ötlet, hogy az egyre gyorsabb, olcsó mikroprocesszorokat tömegesen alkalmazva nagy számítási teljesítményű gépfürtöket hozzanak létre. Az ilyen elvű számítógépeket nevezik MPP-nek (masszívan párhuzamos processzorok). Hogy a megoldás hatásos, arról az is tanúskodik, hogy a világ leggyorsabb

számítógépeit tartalmazó 500-as lista élmezőnyében sok MPP-s gép található. Ez a megoldás akkor válik igazán hasznossá és olcsóvá, amikor a sok processzort nem egy drága, integrált alaplapon helyezik el, hanem a “számítóközpont” csomópontjai gyors hálózattal összekötött hétköznapi PC-k a munkaállomások. Az ilyen “szuper-gépfürtök” elemei a tömegtermelés miatt olcsóbban érhetik el ugyanazt az összesített számítási teljesítményt, mint a szuperszámítógépek. További előny, hogy csomópontjaik egyenként javíthatók, cserélhetők, ami egy integrált rendszerről nem állítható.(Kivételt jelentenek a nagy megbízhatóságú szerver és mainframe gépek, amelyekben üzem közben cserélhetők a memória- és processzormodulok.) Több processzor munkába állítása magában nem megoldás a sebességproblémákra, hiszen a növekvő processzorszám mellet egyre nagyobb gondot okoz a processzorok közti kommunikációval eltelt

idő. Így a leggyakrabban alkalmazott megoldás az, hogy a gépfürt adatcserére szolgáló hálózata erre a célra lefoglalt gyors Ethernet-változat, a gépfürt kívülről pedig egy olcsóbb, 10 Mbit/s sávszélességű hálózaton érhető el. Szoftverháttér Nagyon sok szuper gépfürt csomópontjai valamilyen Unix változatot futtatnak. A Unixokon kívül még a Linux változatok is közkedveltek. Ezek elterjedésének két különböző oka van A legtöbb szuper gépfürt olyan környezetben üzemel, ahol sokan rendelkeznek magas szintű Unix ismeretekkel (oktatási intézmények, kutatóintézetek). A másik komoly előny a Unix-változatok gépfürtté alakításához szükséges hálózati programokat meglehetősen egyszerű forráskódban megszerezni, vagy megírni. Ezen kívül a Unix alapkiépítésben alkalmasak “fejetlen” üzemeltetésre, azaz problémamentesen használhatók ki- és bemeneti eszközök nélküli munkaállomásként. A kereskedelmi Unixok

mellett a linux népszerűségét az árán kívül az indokolja, hogy az oprendszer forráskódban hozzáférhető. Az igazán gyors gépfürtök esetében ez az egyik legfontosabb érv, mivel például a nagy hálózatokra tervezett TCP/IP protokoll egy kisebb gépcsoportban nem a leghatékonyabb megoldás a gépek közti kommunikációra. Egy forráskóddal együtt elérhető oprendszer esetében nem lehetetlen feladat az érintett kódrészletek módosítása, amire a zárt oprendszerek általában nem alkalmasak. Noha a Red Hat külön Linux CD-t állított össze számítási teljesítményre kihegyezett gépfürtök felépítésére (Extreme Linux), ettől még egy “szuperszámítógép” létrehozása közel sem triviális feladat. Sőt! A neheze akkor kezdődik, amikor a gépfürt programozására kerül sor: az oprendszerrel szemben támasztott követelmények eltörpülnek a hatékony párhuzamos programozás nehézségeivel szemben. Mivel az ilyen méretű

géphalmazokat nem lehet lefedni a teljesen egységes, fizikai elhelyezést figyelmen kívül hagyó megosztott memóriás (Shared Memory) programozási modellel, a processzorok közti kommunikációt valamilyen explicit módszerrel kell beépíteni a csomópontokon futtatott programokba. Megosztott memóriás rendszerekben, mint például a 10processzoros IBM S/390-es mainframe-ekben, vagy a legfeljebb 64 processzorig bővíthető Sun 10000 (Starfire) szervrekben a processzorok minden memóriaterületet egységesen, egyetlen közös címtartományon érnek el. Az üzenetekre épített modellekben ezzel szemben a csomópontok között információt továbbítani programból küldött üzenettel lehet. Ennek megfelelően a távoli adatok eléréséhez lényegesen bonyolultabb programrészekre van szükség. Az üzenetváltásos párhuzamos rendszerek előnye a viszonylag egyszerű bővíthetőség. A megosztott memóriás rendszerekben ugyanis nem növelhető végtelenségig a

processzorszám a közös memória miatt. Üzenetváltásos adatcsere esetében a központi memória hiánya miatt az egyik legfontosabb korlát a kommunikáció sávszélessége, ez azonban elméletileg nem korlátozza lényegesen az összekapcsolható csomópontok számát. A gyakorlatban egy-egy Boewulf gépfürt kialakításánál fizikai korlátok szabják meg a csomópontok számát. Így például az Avalon esetében az Ethernet kártyák és a csomópontokon elhelyezhető csatlakozók számától függ, hogy meddig bővíthető egy fürt. A nagy számítási teljesítményű rendszerekben a teljesítmény fontos mérőszáma a csomópontok közti üzenetváltás ideje (latencia). A Boewulf-gépek latencia terén messze elmaradnak a külön e célra tervezett sokkal kisebb kiterjedésű szuperszámítógépektől és szerverektől. Ezért a Boewulf-gépeknél a lokális memória méretének bővítése a legjobb módszer a rendszer gyorsítására, hiszen a feladatokból nagyobb

rész juttatható egy-egy processzornak. Avalon Az egyik leghíresebb, Gordon Bell díjjal kitüntetett Beowulf fürtöt, a Los Alamos-i National Laboratory Avalon gépét használjuk példaként az olcsó szuperszámítógépek bemutatására. Ez a gép, melyet jelenleg 140 db, 533 Mhz-es Alpha processzoral felszerelt munkaállomás alkot, most a ranglistán valahol az első 100 közt található. Az Avalon gépek közti összeköttetéseit Fast Ethernet kártyák biztosítják, amelyeket négy db 36 csatlakozós swichen keresztül kapcsolnak egy 12 portos, egyenként 1 Gbit/s sávszélességű Gigabit Ethernet swichre. Ez a felállás összesen 3 Gbit/s sávszélességet biztosít az azonos csoportba tartozó csomópontok között. A kapcsolófa újabb szinttel való bővítése jócskán megemelné a távoli csomópontok elérésének már így sem alacsony időszükségletét. A hálózati forgalom gyorsítása érdekében az Avalon csomópontokon 2.1X-es, kísérleti Linux-kernel

fut, amely a 203X-es kerneleknél gyorsabb változat, de még nem tesztelt. Az Avalon hálózata 100 Mbit/s-os Fast Ethernet Előnye a más gyors technológiákkal szembeni teljesítmény-ár aránya. Az Avalon két lépcsőben érte el jelenlegi méretét. A kezdeti 70 csomópontos rendszer sikerét követően újabb 70, azonos kiépítésű gépet állítottak munkába. Megduplázták a csomópontokban elhelyezett memória mennyiségét, így a 140 gépes rendszerben pontonként 256 Mbyte memória van. A 3 Gbyte-os EIDE merevlemezeken megfelelő sebességű tárkapacitás található. Az Avalon gépfürtöt jelenleg anyagvizsgálati és hasonló részecskeszimulációkra használják. Az Avalon egy hatvan-egynéhánymilliárdos anyagmodellben két napon keresztül átlagosan 10 Gflop teljesítményt ér el. További Avalon feladat galaxisok kialakulásának és dinamikájának feladata. Miben más? Szabadon konfigurálható, a szuperszámítógépekkel ellentétben a

topológiájuk viszonylag egyszerűen megváltoztatható, hiszen az összeköttetés-hálózatot a csomópontokon kívül közönséges (de gyors) hálózati alkatrészek alkotják. Áruk kedvező, folyamatosan csökkenő Az Avalon fejlesztői az egyik legfontosabb előnyként emelik ki, hogy a rendszer gyakorlatilag a piaci megjelenést követően azonnal bővíthető új, korszerű alkatrészekkel. Komoly előny továbbá, hogy a különálló csomópontokból összeállított fürtök könnyedén bővíthetők eltérő konfigurációjú csomópontokkal is. Tehát az eltérő időpontokban vásárolt modulok zökkenőmentesen illeszthetők a működő rendszerbe. A számos kísérlet és a nagy érdeklődés arról tanúskodik, hogy sokaknak megéri ilyen szuperszámítógépeket összeállítani. Gyakorlati tapasztalatok szerint egy-egy Beowulf kiválóan alkalmazható numerikus szimulációkra, oktatásra és előre is ismert feladatok megoldására. Hasonlóan jól jöhet egy

ilyen gép olyankor, ha szűk költségvetésű intézményben kell foglalkozni meghibásodások, konfigurációs vagy programozási problémák miatt. Felhasznált irodalom: Visegrády Tamás (Chip) Szöllősy István