טכנולוגיות עתידיות וטרנדים בעולם המחשוב וה-HPC

רז יניב, ארו ישראל (OCS)

בשנים האחרונות אנו רואים כי עולם המחשוב העסקי נע לכיוון מחשוב בצפיפות גבוהה. מחד העלייה המשמעותית בכמות הליבות למעבד ההולכת יד ביד עם נכונות היצרנים לאמץ פתרונות עם גורמי תצורה ייחודיים המאפשרים להשיג יכולת מחשוב פר יחידת שטח, הספק וקירור שלא ניתן היה להשיג בעבר תוך שימוש בפתרונות סטנדרטיים (1U, 2U וכיו”ב) ובעלות נמוכה יותר מפתרונות מבוססי מחשבי להב (Blade). תצורות חדשות אלו פותחות את הדלת לשימוש גובר בווירטואליזציה ומעבר לטכנולוגית ענן של מערכות שירותים (ווב, מייל וכיו”ב), תקשורת (NFV), אבטחה ואחסון.
במקביל אנו רואים כי עולם ה-HPC יוצא מנישת מעבדות המחקר וחודר לעולם העסקי לצרכי BIG DATA ונגזרותיה ודוחף לשימוש הולך וגובר בטכנולוגית GPGPU המאפשרות מכפלי כוח עיבוד תוך שמירה על יעילות אנרגטית, דבר אשר היווה גורם מגביל בפתרונות HPC מדורות קודמים. דוגמה לכך ניתן לראות בשוק הגז והנפט שבו לא ניתן היה לקבל תוצאות מעמיקות ובזמן סביר אילולא השימוש במערכות מרובות מעבדים המבוססות על מעבדי X86 והן על מעבדי GPGPU שונים. דחיסת סך המעבדים במערכת HPC אחת מאפשר ביזור פשוט של אלגוריתמים מסובכים.

דוגמאות למערכות מוכוונות וירטואליזציה
ו-HPC בצפיפות גבוהה:
1. Supermicro Fat Twin:
לחברת Supermicro ישנם קשת פתרונות FAT Twin המכסים את כל טווח הדרישות, החל ממערכות 1U המורכבת משתי יחידות עיבוד, וכלה בפתרונות 4U עם שמונה יחידות עיבוד.
מערכת זו הינה המשך ישיר לטכנולוגיית ה-TWIN הקיימת של SUPERMICRO, והינה זולה באופן משמעותי מפתרונות מבוססי שרתי להב (BLADE CENTER) – זאת, תוך שמירה על צפיפות גבוהה (המקבילה או עולה על פתרונות קיימים), הן מבחינת כמות הליבות פר יחידת עיבוד (NODE), והן מבחינת כמות בזיכרון פר יחידת עיבוד, וכל זאת תוך שמירה על גמישות המקבילה לפתרונות שרתי להב קיימים.
מערכת זו הינה פתרון 4U מודולרי הכולל 8 יחידות עיבוד, ומאפשר גמישות מלאה, הן בבחירת תצורת יחידות העיבוד (סוג ותדר המעבדים, כמות וסוג הזיכרון, כרטיסי הרחבה וכיו”ב) והן בבחירת תצורת המארז (תצורת האחסון, ספקי מתח וכיו”ב).
תכנון המערכת הייחודי, הן מבחינת התכנון הטרמי והן מבחינת ניצול שטח המארז, מאפשר “לדחוס” בכל יחידת עיבוד (Computing NODEׂ) שני מעבדי XEON E5 מהירי תדר, 6 דיסקים “2.5, עד 1 טרה בייט זיכרון ומגוון כרטיסי הרחבה – הן כרטיסי תקשורת של 10 ו-40GBE, והן כרטיסי GPGPU כגון NVIDIA TESLA ו-INTEL XEON PHI, כל זאת תוך תמיכה מלאה בסביבות עבודה תובעניות כגון DATA CENTERS וספקי תקשורת.
בתצורה מלאה המערכת כוללת 16 מעבדי XEON E5 מהירי תדר, 8 טרה בייט זיכרון, 48 דיסקים “2.5, ו-16 כרטיסי הרחבה.

2. Kontron SYMCLOUD MS2900 Web/Media:
פתרון ייחודי נוסף בתחום זה פותח ע”י חברת Kontron. פתרון זה הינו פתרון 2U ובאופן דומה למערכת ה-Supermicro שתוארה מעלה, מאפשר לדחוס כמות עצומה של יכולת מחשוב בשטח רצפה קטן.
בניגוד למערכת ה-Twin, חברת Kontron בחרה לצמצם את מספר התצורות על מנת למקד את המערכות לשני שימושים מוגדרים:
א. מערכת מכוונת שירותי ווב, בעלת 9 יחידות עיבוד, הכוללות מעבד E3 מהיר תדר ועד 256 גיגה בייט זיכרון.
ב. מערכת מכוונת שירותי מדיה\טרנסקודיניג, בעלת 18 יחידות עיבוד הכוללות מעבד CORE I7 נמוך תדר בעל צריכת אנרגיה נמוכה ועד 8 גיגה בייט זיכרון.
בדומה לפתרונות בתצורת להב, לשתי התצורות תשתית תקשורת מנותבת (Switching) מהירה בין יחידות המחשוב הכוללת מערכת ניהול עומסים (Load-balancer) ומספר רב של חיבורי 1-10 גיגה ביט חיצוניים.
ייחודה של המערכת הינה בניצול מנועי הגרפיקה הפנימיים של אינטל
(Intel Iris Pro Graphics 5200) לצורכי עיבוד תוך כדי שימוש בתוכנות סטנדרטיות של אינטל (Media SDK) אשר מהווה מכפיל כח למערכת.

3. HP Moonshot:
דוגמה נוספת ומעניינת לנכונות של יצרני החומרה לאמץ תצורות קיצוניות על מנת למקסם את יכולת החישוב פר יחידת שטח ואנרגיה הינה מערכת ה-Moonshot של HP. מערכת זו מהווה מעין ענן במארז אחד, וזאת על ידי דחיסה של 45 שרתים במארז 4.3U אמנם הביצועים של כל אחד מיחידות העיבוד המבוססות מעבדי Atom של אינטל או מעבדי ARM, תתקשה להתחרות עם מעבדי ה-XEON E3 ו-E5, אך ליישומים אשר אינם דורשים ביצועיים מקסימליים פר נים (Thread) והניתנים לפריסה על מאות, ואף אלפי תהליכים (Processes) כגון שרתי אפליקציות ושרתי ווב, הביצועים הכוללים בהינתן צריכת אנרגיה המוצעים ע”י מערכת זאת הינם פורצי דרך.

ב .מאיצי ביצועים לשרתים:
GPGPU ו-XEON PHI.
החלוצה בשוק ה-GPGPU הינה חברת NVIDIA עם פתרון ה-TESLA שלקח בסערה את שוק ה-HPC, דבר אשר חייב את מפתחי המערכות ה-HPC להשתמש בשפת תכנות ייעודית (CUDA). בשנים האחרונות אנו רואים תנועה לכיוון סטנדרטיזציה של שפות הפיתוח המשמשות לפיתוח מערכות HPC, לדוגמה OpenCL דבר המאפשר פיתוח מערכות HPC גנריות אשר אינן מוגבלות לתצורת חומרה מיצרן אחד (AMD ,Intel ו-nVidia).
על מנת שלא להישאר מאחור ולהפסיד את תחום ה-HPC, נאלצה חברת אינטל לפתח טכנולוגיה ייחודית בדמות ה-XEON PHI, אשר הינו למעשה שרת מרובה ליבות בכרטיס PCI-EXPRESS. בשנה האחרונה אנו רואים שימוש גובר בטכנולוגית XEON PHI בקצה העליון של פתרונות HPC (לדוגמה, מערכת מבוססת XEON PHI מחזיקה את המקום הראשון ברשימת 500 שרתי העל).
Xeon Phi הינו מוצר מתקדם המכיל כמות גדולה של מעבדים (57-61) בתדרים של עד 1.3 ג’יגה הרץ ו-244 Threads.
לכרטיס 3 משפחות שנועדו למקבול, צפיפות גבוהה וביצועים גבוהים ביותר.
הכרטיס מהווה תגבור עוצמתי ליכולת המחשב בו הוא שוכן ומהווה כלפי המפתח יחד עם המחשב עצמו קופסת עיבוד אחת.
הכרטיס המיוצר בטכנולוגית 14nm יכול להריץ עליו לינוקס בסיסי ויכול לתפקד כ-Standalone או ב-PCI Co-Processor ויכול להכיל עליו עד 16 ג’יגה זיכרון.
סביבת התוכנה והכלים לפיתוח ב-Xeon Phi זהים למפתחים בסביבת X86 וזמן הלימוד הינו קצר ביותר.
נדרשת עבודת התאמה קלה להרצה בסביבה הטרוגנית של X86 ו-Xeon Phi באותה המערכת.
לסיכום, מערכת XEON עם Xeon Phi נותנת עד X10 ביצועים יחסית לאותה המערכת ללא כרטיס ה-Phi.

GPGPU SOLUTIONS
NVIDIA הינה החברה המובילה בעולם בפיתוח כרטיסי GPGPU. לחברה שני קווי מוצרים, כרטיסי תצוגה סטנדרטיים, המסוגלים להריץ יישומי GPGPU, ומשפחת מוצרים ייעודית – משפחת ה-Tesla, המיועדת באופן ספציפי לתחום ה-GPGPU.
למשפחת ה-Tesla יש מפרט מרשים הכולל 2880 ליבות, 12GB RAM והמספק עד 4.29 Tflops _ Peak Single precision floating point performance לצורך כתיבת התוכנה יש צורך בפיתוח בסביבת CUDA הספציפית של חברת NVIDIA מה שמוסיף מצד אחד זמן לימוד וביצועים ואופטימיזציות מהצד השני.
בנוסף כרטיסי TESLA ניתנים לתכנות ב-Open CL מה שמאפשר קומונליות בפיתוח מול X86 וכרטיסי GPGPU נוספים כמו ATI.פיתוח ב-Open CL מאפשר הרצה של אותו הקוד על מספר פלטפורמות, יצרנים שונים וארכיטקטורות שונות וכן כל שילוב ביניהם.
לסיכום אנו רואים מגוון רב של פתרונות הן בתחום המחשוב והן בתחום ההאצות המאפשרים ללקוח להשיג ביצועים פורצי דרך ובמחיר עלות תועלת מצויין ע”י תכנון נכון של המערכת, המרכיבים והתוכנה.

רז יניב הינו מנכ”ל ארו ישראל ו-MEA מתמחה ב-OEM Computing Solutions

חברת ארו עוסקת בייעוץ ותכנון מערכות מחשוב ו-HPC לעולם ה-OEM בשילוב יכולות לוגיסטיות בינלאומיות בשיתוף יצרניות מובילות בעולם כגון,
Intel, HP, IBM, Dell, Neosys, Kontron, Artesyn, Advantech, McAfee & Microsoft Embedded