Superračunarski klasteri

Takozvani superkompjuteri dobili su novi zamah od kada su konstruktori, umesto da razmišljaju o jednom velikom i moćnom računaru, počeli da grade veliku procesorsku snagu udruživanjem stotina i hiljada malih računara u jedan veliki sistem.

Sprovodeći istraživanje o trenutnom stanju superračunarske tehnologije i njenoj upotrebi, nameće se utisak da među naučnicima, državnim institucijama bogatih zemalja i velikim kompanijama vlada značajna zainteresovanost za nabavku i primenu sve moćnijih i moćnijih superračunara. Posmatrajući svet visoke tehnologije, reklo bi se da su naučnici, žargonski rečeno, poludeli za ovim mamutskim mašinama.

Postoji jasno uočljivo takmičenje između različitih nacija koje nastoje da imaju najbrži i najmoćniji superračunar. Kompanije koje su proizvele ove uređaje vrlo detaljno predstavljaju javnosti njihovu konstrukciju, navode karakteristike, broj procesora itd., nastojeći da pokažu superiornost svoje tehnologije.

Međutim, kao pravilo se pokazuje da su podaci o tome šta se i na koji način radi s ovim superračunarima vrlo šturi ili se do njih teško dolazi. Najčešće se u nekoliko rečenica pominje da se superračunari koriste za istraživanje klime, testiranje oružja, dešifrovanje gena... I uglavnom se sve završava na tome. Mnogi stiču utisak da se prećutkuje ili izbegava iznošenje rezultata istraživanja dobijenih uz pomoć superračunara i opravdano se pitaju šta to sve vlade različitih zemalja i naučnici zaista rade s tolikom procesorskom moći. Ako se uzme u obzir da se njihove cene kreću od 1 pa do 45 miliona dolara, jasno je da postoje jaki razlozi za takva ulaganja. Da li je samo u pitanju želja za pronalaženjem leka protiv raka ili side (što bi naciji koja to prva uradi donelo veliki novac) ili se istražuju još neke stvari za koje ćemo jednog dana možda saznati?

Sigurno je da mnoge institucije svoje superračunare koriste na načine koji direktno pomažu ljudima u svakodnevnom životu. Istražujući ovu temu, došli smo i do srpskih prognostičara i klimatologa koji su nam vrlo otvoreno i jasno pokazali kako koriste svoj superračunar koji svakodnevno igra važnu ulogu u prognozi vremenskih prilika. Otkrili smo da čak i kod nas postoje firme koje mogu, svakome kome je to potrebno, sklopiti klasterski superračunar skromnijih mogućnosti.

Za sada vode Japanci

Vlade pojedinih zemalja ponašaju se kao deca zanesena računarskim igricama, takmičeći se međusobno ko će imati jači superračunar. Trenutno su dve najjače nacije na ovom polju Amerikanci i Japanci, a ovi poslednji već tri godine ubedljivo drže prvo mesto. Slavu im je doneo projekat Earth Simulator, koji smo već pominjali na ovim stranicama, superračunar sa brzinom od 35,8 teraflopsa (35,8·10¹² FLOPS, operacija sa pokretnim zarezom u sekundi).

Projekat je delo tri japanske agencije i namenjen je (zvanično) za istraživanja klime. Razvoj je trajao pet godina, a superračunar je postao operativan krajem 2001. godine. Čitav sistem je sastavljen od 5120 NEC procesora pri brzini od 500 MHz, koji raspolažu sa ukupno 10 terabajta FPLRAM radne memorije. Veoma važnu komunikaciju između nodova (pojedinačnih jedinica) karakteriše protok od 16 GB u sekundi.

Kompanija NEC ima značajno iskustvo u izgradnji superračunara, tako da tip procesora upotrebljen u ovom sistemu ne predstavlja uobičajeno rešenje, već je u pitanju vektorski CPU izrađen CMOS tehnologijom, naslednik poznatog NEC SX-5 procesora. Računar kontroliše operativni sistem Super-UX, jedna od verzija UNIX-a.

Fizička konstrukcija ovog superračunara se sastoji od 320 ormana koji su smešteni u vidu koncentričnih prstenova. Spoljašnji prsten plavih ormana sadrži procesorske jedinice, dok unutrašnji krug zelenih ormana sadrži sisteme za međusobno povezivanje nodova. Postoji i treći prsten belih ormana koji sadrži sisteme za čuvanje podataka.

Sve ovo je smešteno u zgradi dimenzija 65 x 50 metara koja je specijalno sagrađena za ovaj sistem. Na četvrtom nivou građevine se nalazi računarska soba sa pomenutim ormanima, dok je treći nivo mahom popunjen ogromnom količinom kablova koji povezuju ceo sistem. Ispod nivoa s kablovima nalaze se sistemi za hlađenje računara i snabdevanje električnom energijom. Konstrukcija zgrade ima svoje osobenosti i izgrađena je u vidu „vazdušne školjke”, tako da je kretanje vazduha konstrukcijski pomognuto. Ceo sistem je zaštićen elektromagnetnim štitom, kao i sistemima za neutralisanje uticaja zemljotresa.

U borbi za prvo mesto

U tabeli možete da vidite da posle japanskog računara Earth Simulator sledeća četiri mesta zauzimaju projekti iz SAD. Iako trenutno znatno zaostaje za japanskim Earth Simulator sistemom, BlueGene/L se izdvaja u ovoj grupi zbog svoje arhitekture koja dozvoljava velika proširenja, pa je planirano da u budućnosti ovaj računar dostigne neverovatnih 360 TFLOPS.

Prema informacijama koje kruže u severnoameričkoj superračunarskoj zajednici, nova IBM-ova tehnologija bi trebalo da preotme primat od Japanaca, pa su BlueGene/L sistemi polako počeli da se pojavljuju među prvih deset na listi najbržih. Inženjeri IBM-a su krenuli u radikalni redizajn, tako da će nova generacija iz ove kompanije zauzimati samo dvadesetinu fizičkog prostora koji su zauzimali dosadašnji sistemi. Time je smanjena i potrošnja električne energije, ali i cena sistema.

Lawrence Livermore National Laboratory iz Kalifornije je angažovao IBM da izgradi pomenuti BlueGene/L računar koji trenutno zauzima četvrto mesto. Njegovo kompletiranje se predviđa u 2005. godini, kada će dostići brzinu deset puta veću od sada najbržeg Earth Simulatora, ali samo ako Japanci budu sedeli skrštenih ruku.

BlueGene/L trenutno dostiže 11,6 TFLOPS sa svojih 8000 PowerPC procesora spakovanih u četiri ormana. Za sada je ovo samo jedna šesnaestina planiranog kapaciteta, a već je na četvrtom mestu. Izgleda da su Ameri baš rešili da budu prvi.

Još jedan američki projekat trebalo bi da nadmaši Earth Simulator kada bude završen. Reč je o projektu Kolumbija koji vodi kompanija Silicon Graphics za agenciju NASA. Ovaj sistem se bazira na 20 SGI Altix jedinica od kojih svaka sadrži 512 Intel Itanium 2 procesora. Zaista, da se čoveku zavrti u glavi. Space Exploration Simulator, kako je nazvan ovaj računar, verovatno će biti jedan od najmoćnijih sistema sa dva puta većim brojem procesora od japanskog Earth Simulatora.

U ovom klasterskom sistemu svaka jedinica od 512 procesora će „vrteti” kopiju operativnog sistema Linux. Sve jedinice su povezane InfiniBand sistemom koji omogućava dovoljan protok informacija, pa uz pomoć posebnog softvera ceo sistem deluje kao celina. Za sve to NASA će u naredne tri godine potrošiti 45 miliona dolara, a, prema zvaničnom obaveštenju, računar će se koristiti za istraživanja klime i kosmosa, aeronautički inženjering i slične zahtevne discipline.

Klasične zveri izumiru

Još jedan neobičan klasterski projekat je krajem 2003. godine pobudio dosta pažnje jer je baziran na Apple G5 računarima. Sastavljen je na Virginia politehničkom institutu i sastoji se od 1100 PowerMac računara sa ukupnom maksimalnom brzinom od 10,3 TFLOPS. U vreme kada je počeo da radi, odmah je izbio na treće mesto po brzini, a sačinjavale su ga jedinice sa po dva PowerPC G5 procesora, 4 GB radne memorije i diskovima od 160 GB. Trenutno nije operativan zbog zamene računara.

Naravno, postoji još mnogo interesantnih superračunarskih projekata. Koga zanima više detalja, opis i više informacija o 500 najmoćnijih mašina mogu da se nađu na sajtu www.top500.org.

U ne tako davnoj prošlosti superračunara, pojam za ove mašine su predstavljale monolitne vektorske celine koje su proizvodile kompanije Cray i IBM. Pojava Linuxa je iz temelja promenila odnos snaga u ovoj oblasti, omogućivši potpuno novu kategoriju superračunara koji se popularno nazivaju klasterima. Njihova karakteristika je to što se, uz pomoć posebnog softvera, skup manjih nezavisnih računara ponaša kao celina.

Za razliku od klastera, raniji superračunari su i hardverski i praktično bili jedan računar koji je radio pod nekom varijantom UNIX-a. Linux u kombinaciji sa Beowulf (www.beowulf.org) i OpenMosix (http://openmosix.sourceforge.net) softverom doneo je mogućnosti povezivanja velikog broja čak i običnih PC računara koji postaju superračunar. Prednosti klastera su očigledne: operativni sistem otvorenog kôda, jeftin hardver koji se može lako nabaviti i velika fleksibilnost – praviš superračunar onako kako ti finansijski odgovara i u zavisnosti od toga koliko ti računarske moći treba.

U početku je vodeća prednost klastera bila u niskoj ceni, ali su s druge strane zahtevali mnogo više rada, trošili su više energije i zauzimali veći prostor. Glavni argument zagovornika klasičnih vektorskih superračunara bio je da klasteri, koliko god da su veliki, ne mogu dostići performanse vektorskih sistema, i to posebno u slučaju nekih zadataka kao što su klimatološka istraživanja ili predviđanje širenja šumskih požara. S druge strane, tehnologija klasterskih sistema znatno je napredovala poslednjih godina, tako da ove razlike polako nestaju. Predviđa se dominacija klasterskih superračunara, koji se po svojim performansama i dizajnu sve više približavaju vektorskim, zadržavajući svoju bitnu karakteristiku – performanse po želji.

Skalabilnost klastera je jedna od njihovih velikih prednosti, a lepo se može videti na primeru akcije studenata Univerziteta u San Francisku koji su rešili da preko vikenda sastave jedan veliki klasterski superračunar. Na prvi pogled ovo deluje kao šala, ali su studenti u roku od tri dana u fiskulturnoj sali ipak napravili FlashMob I, svoju varijantu superračunara. Učesnici projekta i dobrovoljci su sakupili veliki broj najrazličitijih računara iz kancelarija, učionica i sopstvenih kuća i povezali ih u jedinstvenu lokalnu mrežu od 669 jedinica. Ispostavilo se da im je najveći problem bio da eliminišu „kilave” računare iz mreže, pa su, koristeći preostalih 256 računara, ostvarili maksimalni rezultat od 180 gigaflopsa! Nažalost, ostvarene stalne performanse FlashMob klastera ipak su se merile teraflopsima i nisu pomogle da projekat uđe na listu 500 najbržih računara. Inače, nikakve modifikacije nisu rađene na hard diskovima pojedinih računara, već je operativni sistem neophodan za rad pokretan sa butabilnih CD diskova – bila je to neka vrsta „Superračunar Live Linuxa”. Više detalja, pa i sam softver koji je korišćen možete naći na www.flashmobcomputing.org.

Srpski superračunari

Pitali smo se, logično, da li i kod nas postoje superračunari i u koje svrhe se koriste. Otkrili smo da domaći meteorolozi imaju klasterski superračunar još od 2002. godine, a i pre toga je korišćen, sada već ostareli, Convex sistem.

Jedan Beowulf klaster nalazi se u prostorijama Republičkog hidrometeorološkog zavoda i već je došlo vreme da se zameni novim i bržim sistemom. U prostorijama RHMZ zavoda dočekala nas je gospođa Ljiljana Dekić, stručnjak koji superračunarski sistem koristi svakodnevno kao što mi koristimo PC na našem stolu. Zapravo, gospođa Dekić svakog dana upravlja radom ovog klastera preko PC-a sa SuSE Linuxom koji je putem lokalne mreže povezan s klasterom. Na Beowolfu se „vrti” numerički model vremenske prognoze ETA koji je delo domaćih stručnjaka i jedan je od najboljih u svetu.

Svakoga dana se na osnovu podataka koji se odnose na oblast Evrope izračunavaju vremenske promene nad našom zemljom. Da bi superračunar u zavodu izračunao jedan sat vremenskih promena, potrebno mu je oko 2,5 minuta. Za period od 24 časa to čini oko 25 do 30 minuta, što će se većini čitalaca učiniti kao veoma brzo. Međutim, količina podataka vremenom raste, pa je ovaj klaster sve opterećeniji i sve teže odgovara zahtevima.

Inicijalno je ovaj klaster realizovala firma Irvas iz Niša, koja je na bazi procesora, matičnih ploča i ostalih komponenti koje se mogu naći na našem tržištu sklopila pomenuti sistem. Pokreće ga Red Hat Linux u kombinaciji sa softverom Beowulf. Stručnjaci Zavoda svoj klaster šaljivo nazivaju „Žuti”, zbog porekla komponenti, a to se i pokazuje kroz povremene probleme u radu. U početku je sistem imao 22 noda, a računari su međusobno povezani putem TCP/IP protokola uz korišćenje megabitne mreže. Sistem ima jedinice bez hard diskova koje sadrže procesor i radnu memoriju, a preko brzog sviča komuniciraju sa serverima na kojima se nalaze diskovi s podacima.

Pored ograničenja koja ima ovaj naš „žuti” superračunar, već ga je pregazilo vreme, pa se planira nabavka novog, ovoga puta kvalitetnijeg i moćnijeg sistema. Do tada, pogledajte vremensku prognozu na Web sajtu www.hidmet.sr.gov.yu u čijoj je izradi pomogao ovaj klaster.

Još jedan domaći klaster tipa Beowulf nalazi se u računarskom centru ETF-a. Poznat je pod imenom Svarog i ima 10 nodova koji su povezani brzom Myrinet mrežom. Klaster je sačinjen od jednog Dell PowerEdge 2500 i devet PowerEdge SC500 servera, a pokreće ih Gentoo Linux.

Od domaćih firmi, u superračunarsku ponudu su se uključili Božić i sinovi koji nude realizaciju klastera do 40 nodova, baziranog na Linuxu i kernel dodatku openMosix. Spremni su da zainteresovanim pravnim licima montiraju besplatno na probni period od 10 dana jedan ovakav sistem sa 10 nodova.

• • •

Broj superračunara u svetu i njihova moć vrtoglavo rastu i svakako će biti zaslužni za mnoga naučna dostignuća. Možda će nas jednog dana iznenaditi vest: „Američki naučnici su uz pomoć BlueGene/L računara otkrili prolaz u četvrtu dimenziju i nestali bez traga!”

Mirko PERAK