מספר גדול של צמתים קטנים מבוססי Intel® Architecture יכול להתמודד עם הצרכים של עומסי עבודה חדשים ולהשיג רמות חדשות של יעילות וצפיפות. מאת: אריק וינשטיין. המיקרו-שרתים התפתחו כאופציה לקבוצה ספציפית של עומסי עבודה המתאימים למספר גדול של צמתים שהם קלים יחסית.
תומכת בטופולוגיה זו בעזרת מגוון רחב של מעבדים, המתוכנן לספק גמישות בבחירה כמו גם לשפר את צפיפות הצומת ולהקטין את צריכת ההספק. כתבה זו מציגה את תפיסת התכנון הקשורים למיקרו-שרתים ומספק רקע למקבלי ההחלטות כדי שיקבלו החלטות מושכלות באם מיקרו-שרתים יכולים לעזור להם לענות על צרכי תשתית השרתים שלהם. הכתבה מסבירה את ההקשר שבו המיקרו-שרתים התפתחו והמאפיינים של שיטות תכנון חדשות. הוא מציע קווים מנחים לזיהוי באם עומסי העבודה מתאימים לביצוע במיקרו-שרתים. כמו כן, המאמר מספק סקירה של פלטפורמות הקשורות למיקרו-בקרים ומסביר כיצד חומרה זו משתלבת במסגרת התקנים בתעשייה ובמגוון המוצרים.
סקירה
ככל שתעשיית המחשוב מתפתחת,
יישומים חדשים ומודלים של תוכנה מתפתחים במהירות – במיוחד בתחום מרכזי המידע של האינטרנט. לדוגמא, שכבת ה-web גדלה והפכה לחלק גדול מתשתית השרתים במרכזי המידע של האינטרנט, המנהלת תוכן של מיליוני משתמשים. עומסי עבודה מקביליים, כגון בסיסי נתונים אנאליטיים ולא – רציונאליים הופכים לנפוצים ביותר. אירוח של יישומי תוכן חדשים דוחפים לדרכים חדשות של אחסון והפצת תוכן דיגיטאלי. בעוד שרוב עומסי העבודה המתפתחים באינטרנט דורשים מערכות עם ביצועים גבוהים לניהול משימות מורכבות ודינמיות, הרי שחלק מהם מציבים דרישות נמוכות יותר לתשתית השרתים. משימות פחותות משקל אלו לא מנצלות בצורה מלאה את יתרונות תשתית השרתים המרכזית שמכילה בצורה רחבה זיכרונות, דיסקים ואפשרויות רשת. מיקרו-השרתים היא קטגוריה מתפתחת של מערכות שנוצרו לטפל ביישומים קלים ובו”ז לשפר את היעילות של מרכז הנתונים. מיקרו-שרתים מתאפיינים במספר גדול של צמתי-שרתים המוגדרים לחלוק בתשתיות כמו הספק וקירור במארזים משותפים. מגמה זו לכיוון הגדלת הצפיפות לא חדשה, חידושים בארכיטקטורה של שרתים לאורך ה-15 השנים האחרונות עזרו לשפר את ליעילות, הצפיפות ויכולות ניהול. לדוגמא, שרתי Blade, אומצו לשימוש נרחב בארגונים גדולים (enterprise), ובמערכות חדשות יותר, המיועדות בעיקר למרכזי מידע של האינטרנט נעשה שימוש בשרתים ברוחב חצי rack-mount. כפי שמוצג באיור-1, המיקרו-שרתים תופסים את מקומם בין שאר השרתים עם גורמי הצורה האחרים, ומהווים אופציה חדשה היכן שנדרשת צפיפות אופטימאלית.
הגדלת גמישות המחשוב-
בדיקת אופציית
המיקרו-שרתים
אתגר מפתח מתמשך למומחי המחשוב הוא לזהות היכן הפתרון לדרישות שלהם נמצא בספקטרום שבין מערכות קטנות לגדולות. בעזרת קטגוריית המיקרו-שרתים, קבוצה חדשה של אפשרויות נוצרת לארכיטקטים בזמן שהם שוקלים ליישום מסוים, האם מספר גדול יחסית של צמתים קלים עדיף לעומת מספר קטן יותר של צמתים בעלי כוח חישוב גדול. עומסי עבודה מבוזרים ומקביליים עם דרישות נמוכות יחסית לכוח חישוב לצומת, ניתנים להרחבה לביצוע על יותר צמתים (scaled-out) ע”י שימוש במיקרו-שרתים. בזמן שסוג זה של מערכות לא מתאים לכל עומס עבודה, הוא טומן בחובו הבטחה מסוימת לסגמנטים מסוימים. לדוגמא, סביבת אירוח מסוימת, לעיתים קרובות היא צריכה לתמוך במספר גדול של משימות חישוביות קלות כמו אימות ל-login או לשרת דפי html סטטיים קטנים.
מספר גדול של צמתים קטנים בטופולוגית מיקרו-שרתים יכול להתאים מאוד למשימות כאלו, ככל שהתוכנה יותר מקבילית וטרנסקציות מופצות בקלות לתוך משימות חישוביות קטנות. עם זאת, משימות חישוב כבדות יותר, שמבצעות את רוב העיבוד בארגון, עשויות להעמיס יותר מדי את משאבי צמתי המיקרו-שרתים קטנים כמו כוח החישוב, דרישת זיכרון, חיבוריות לרשת ויכולות אחסון. תשתיות שרתים מסורתיות יותר יעילות למקרים אלה. הדיאגרמה באיור-2 מספקת את האמצעים לשקול בצורה יסודית יותר את התאמת המיקרו-שרתים למגוון עומסי עבודה לשרתים. באיור זה, כל אחד משלשת המאפיינים של השרת ממופה לציר מסוים כדי ליצור וויזואליזציה, ועומסי העבודה של השרת ניתנים לשרטוט בהתאם לכל ציר ולמקם אותם בתוך המודל. שלשת הצירים הם:
שיפור ביצועים באמצעות גידול במספר הליבות:
ערכים גבוהים על ציר זה (ככל שמתקדמים שמאלה) מתאימים לעומסי עבודה מקביליים מאד שנהנים מהיתרון בהוספת ליבות לשרת מסוים, כך שכל יחידת עבודה חולקת במשאבים משותפים כמו I/O, זיכרון מערכת, אחסון ועוד.
שיפור ביצועים באמצעות גידול במספר צמתים פיזיים:
ערכים גבוהים על ציר זה (ככל שמתקדמים ימינה) גם מתאימים לעומסי עבודה מקביליים מאד אבל שיש להם נטיה לגדול טוב יותר על ידי הוספת שרתים פיזיים וזאת בגלל הדרישות הקלות יחסית ל-I/O וזיכרון ואחסון לכל שרת.
שיפור ביצועים באמצעות ליבות חזקות: ערכים גבוהים על ציר זה (ככל שמתקדמים מעלה) מראים על התאמה להרחבה בעזרת ליבות חזקות בתחומים כמו תדר, זיכרון מטמון ורוחב הפס של הזיכרון. עומסי עבודה אלו נוטים להיות מבוצעים כתהליך יחיד או עם מקביליות מוגבלת.
השטח באיור-2 שמסומן כ-“עומסי עבודה המתאימים למיקרו שרתים” (workloads Suited for Micro Servers) מייצג עומסי עבודה שניתנים להגדלה בצורה הטובה ביותר על ידי הוספת מספר רב של שרתים קלים. דוגמאות לעומסי עבודה כאלה הם שירותי web בקצה הנמוך, שליחת תוכן סטטי שיש לו דרישה נמוכה ואירוח אתרים בסיסיים.
בפועל קבוצה חלקית של עומסי עבודה בשרת מתאימה בצורה מיטבית לגדילה (scaling) ע”י מקביליות מסיבית על מספר רב של צמתים קלים. הגישה המבוססת על מיקרו-שרתים לא מתאימה לעומסי עבודה בתחומים רבים, כגון עומסי עבודה חישוביים שדורשים ביצועים גבוהים, שירותים פיננסיים, תשתית ווירטואלית ובסיסי נתונים. שרתים עם ליבה כפולה או מרובעת המבוססים על מעבדי Intel® Xeon ממשיכים להוות בחירה אופטימאלית לביצוע יעיל של עומסי עבודה אלו בגלל.
התאמת היכולת למשימה- תחום האפשרויות לפלטפורמות ®Intel
גם בתוך קטגוריית המיקרו-שרתים אין פתרון יחיד העונה לדרישות בתכנון מערכת או בבחירת מעבד. כמה מיקרו-שרתים יכולים להכיל מעבדים “שריריים” ומרשימים בתצורת Single-Socket עם זיכרון ויכולות אחסון רובסטיות, בעוד האחרים יכולים להכיל מספר גבוה הרבה יותר של תצורות קטנות וצפופות יותר עם פזור הספק נמוך יותר וכוח מחשוב נמוך יותר לכל צומת. כדי לעמוד במגוון דרישות אלו, ®Intel מספקת תחום רחב של מעבדים מהקצה הנמוך של הספקטרום ועד הגבוה.
מעבדי Xeon של ®Intel מתאימים היטב ליישומים בפלחים רבים כמו מחשוב עתיר ביצועים (HPC), שירותים פיננסיים, מחשוב ענן ובסיסי נתונים. עבור הרוב המכריע של עומסי עבודה למיקרו-שרתים, משפחת ה-E3 של מעבדי Xeon תהווה את האפשרות המתאימה ביותר מבחינת ביצועים, ביצועים לוואט וגמישות. לקבוצה מוגבלת של עומסי עבודה הדורשים מקביליות גבוהה והיכן שצפיפות המערכת חשובה יותר מהביצועים של כל צומת, הלקוחות יכולים לבדוק את האפשרות לשימוש במשפחת ה-E3 של מעבדי Xeon שגם תומכת במתח נמוך. בגלל שכל הפלטפורמות אלו חולקות בארכיטקטורה משותפת כמו גם סט הפקודות, הקוד של היישום יכול לרוץ על כל טווח המעבדים בספקטרום. מאפיינים אלו הם בעלי ערך גבוה במובן הזה שהדרישות מעומס העבודה יכולות להשתנות עם הזמן. הגמישות של ® Intel Architecture לתמוך בדרישות משתנות אלו מהווה גורם בעל משמעות רבה.
לקוחות מצביעים באופן עקבי על רצונם כי במיקרו-שרתים יקבלו את אותם תכונות ויכולות כפי שהם מצפים מתשתית השרתים המסורתית. במיוחד הם צרכים תמיכה בתוכנת 64 ביט, ווירטואליזציה, קוד לתיקון שגיאות (ECC) בזיכרון, כל טווח האפשרויות בצריכת הספק ותאימות בתוכנה. משפחת ה-E3 של Intel® Xeon נעה מ-95W עד ל-20W ומציעה את כל היתרונות הנ”ל למיקרו-שרתים. במהלך שנת 2012, אינטל מתכננת להשיק מעבד המיועד לשרתים בהספק של 10W ומבוסס על המיקרו-ארכיטקטורה של Intel® Atom ושיציע את אותם יתרונות.
מגמת גידול בתעשייה למיקרו-שרתים מבוססי
Intel® Architecture
בתעשייה קיימת תנופת גידול בתחום המיקרו-שרתים בין יצרני OEM המציעים מערך של מוצרים חדשים. החדשנות בתחום זה כוללת מיקרו-שרתים המבוססים על תחום רחב של פלטפורמות, רובן עם מעבדי Intel® Xeon אבל גם פלטפורמות עם Intel® Atom. להלן כמה מהמוצרים הבולטים:
Dell DCS5120: המאגד בתוכו בין 8 ל-12 צמתים מבוססי Intel® Xeon במארז 3U.
SeaMicro SM1000-64: מאגד 512 צמתים מבוססי Intel® Atom במארז 10U.
Tyan FM65-B5511: המאגד 18 צמתים המבוססים על מעבדי Intel® Xeon במגירת rack-mount של 4U.
סטנדרטיזציה מאפשרת חדשנות רחבת היקף זו בתחום המיקרו-שרתים. לשם כך אינטל שיתפה פעולה עם חברות אחרות, כמו Quanta ו-Tyan, בפורום תשתיות למערכות שרתים (Server System Infrastructure) וזאת כדי ליצור מפרט ל-Micro Module Server שפורסם בינואר 2011. ה-SSI, קבוצה על בסיס מסחרי שנמצאת בקליפורניה, עובדת עם חברות מובילות כדי לדחוף תקנים בתחום התשתית. מטרת הפורום היא לאפשר צמיחה בשוק ע”י סטנדרטיזציה של טכנולוגיות מחשוב תוך שימת דגש על יעילות בהספק והפחתת העלויות למשתמשי הקצה של המיקרו-שרתים.
מפרט ה-Micro Module Server הוא אבן-בנין גמישה של הצומת, שתוכננה במיוחד כדי להשתלב בקלות בתחום רחב של נקודות תכנון בתחום ההספק והביצועים. המפרט מגדיר את מידות המודול ואת ה-pinout אבל מאפשר ליצרני ה-OEM גמישות גדולה בהתאמת ארכיטקטורת המערכת כמו: backplane, interconnect ותצורות ל-storage. המפרט משתמש במחברים נפוצים ומוכחים בעלי עלות נמוכה, וכן דורש יכולת פעולה הדדית (interoperability) מכניות בעוד הוא משאיר את יכולת הפעולה ההדדית החשמלית כאופציה.
באופן כללי, גישה זו מאזנת בין גמישות וסטנדרטיזציה באמצעות הקלת הבידול של המוצר ע”י יצרני ה-OEM בתוך קווי המוצרים שלהם וגם ביחס למתחרים, תוך הבאה למצב מקסימלי את השימוש החוזר בתכנון (design reuse). ככזה, המפרט מעודד מספר יתרונות ל-OEM כולל:
מענה לדרישות שונות של המוצר ע”י חדשנות במסגרת של התקנים בתחומים כמו גורם הצורה, התושבת, קירור, מיתוג וניהול.
מקסום החזר על ההשקעה (ROI) על ידי ניצול ההשקעות בתכנון המערכת למוצרים רבים המיועדים ליישומים ופלחי שוק שונים.
להאיץ זמן יציאה לשוק ע”י היתרון של יעילות התכנון הנובעים מהמפרט עצמו, עבודת תכנון קיימת והביטחון בתכנון ובאימות של .
משתמשי קצה הם הנהנים מגמישות ויעילות זו בתכנון, אשר נותנת להם יתרון בצורת זמינות מוצר חדשני שעונה לדרישות עסקים מתפתחים – עלות נמוכה והחזר השקעה גבוה.
מסקנות
מיקרו-שרתים המבוססים על Intel® Architecture מציעים אפשרות חדשה לפריסת פתרונות מחשוב שמתאימים במיוחד לצרכי יישומים קלים שאינם ארגוניים ושצריכים לגדול. טופולוגיה זו יכולה לספק יתרונות ביעילות על ידי הקטנת תשתית המערכת כמו מאווררים וספקי כוח.
הדרישות ממיקרו-שרתים:
הספק נמוך
מעבדי 64 ביט
תמיכה בטכנולוגיית Intel Virtualization
תמיכה בתיקון שגיאות בזיכרון (ECC)
תאימות רחבה בתוכנה.
מיקרו-שרתים עשויים לאפשר ללקוחות את הגדלת הצפיפות, ומספקים דרכים חדשות לשיפור השימוש בארונות קיימים ובתשתית הכוח. ככל שהתעשייה מתחילה לשלב מיקרו-שרתים לתוך מודלי שימוש קיימים וחדשים, יש להם את הפוטנציאל לשפר את TCO הקשורים בתמיכה בסוג מסוים הזה של עומסי עבודה.
