Научная статья на тему 'Проблематика автоматизированного проектирования вычислительных кластеров'

Проблематика автоматизированного проектирования вычислительных кластеров Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
229
51
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КЛАСТЕР / ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА / АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ / ИНТЕРФЕЙС / COMPUTING CLUSTER / ELEMENT BASE / AUTOMATED DESIGN / INTERFACE

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Мистюков Б. В., Бурковский В. Л.

В статье осуществлен анализ проблематики выбора проектных решений в рамках САПР, с учетом специфики вычислительных кластеров, как объектов проектирования

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

range of problems for computing clusters automated design

The article is devoted to the issues of choice of design solutions analysis within CAD specific related to computing clusters, as objects of design

Текст научной работы на тему «Проблематика автоматизированного проектирования вычислительных кластеров»

УДК 004.382.2

ПРОБЛЕМАТИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КЛАСТЕРОВ Б.В. Мистюков, В.Л. Бурковский

В статье осуществлен анализ проблематики выбора проектных решений в рамках САПР, с учетом специфики вычислительных кластеров, как объектов проектирования

Ключевые слова: вычислительный кластер, элементная база, автоматизированное проектирование, интерфейс

В настоящее время можно выделить

проблемные объектные области, представленные большим классом сложных с вычислительной точки зрения задач: метеорология, финансовая аналитика телеметрия, фундаментальные исследования в физике и математике, требующие обработки очень высоких объемов данных за сравнительно

небольшой промежуток времени. В качестве вычислительной базы широко применяются вычислительные кластеры гомогенного и

гетерогенного типа. Вычислительные кластеры относятся к основным типам многопроцессорных вычислительных комплексов. Дл выбора проектных решений в этой области отсутствуют универсальные средства, широко применяемые при проектировании других классов вычислительных устройств. Это объясняется следующими причинами:

- применяемые в вычислительных кластерах компоненты в виде узлов и отдельных блоков чаще всего являются не стандартными с точки зрения общемировых стандартов;

- обеспечение высокой вычислительной мощности требует более компактного размещения элементов, выполняющих функции обработки данных (процессоры общего применения, графические процессоры, ПЛИС, заказные компоненты);

- высокая плотность размещения компонентов

делает необходимым тщательное

проектирование подсистемы охлаждения вычислительного кластера, при этом

подавляющее большинство таких систем обладают интеллектуальной системой охлаждения, поскольку нагрузка на узлы вычислительного кластера неравномерна и может динамически изменяться;

- для обеспечения обмена данными между

вычислительными узлами необходимо тщательное проектирование межсоединительных связей трех уровней: уровень управления,

уровень обработки и уровень обслуживания. Для проектирования каждого из уровней применяется наиболее адекватный стандарт

Мистюков Богдан Викторович - ВГТУ, аспирант, e-mail: bogdan.mistyukov@gmail.com

Бурковский Виктор Леонидович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: emses@list.ru

межсоединений: Gigabit Ethernet для уровня управления, 10/40Gigabit Ethernet, InfiniBand, PCI Express, Serial RapidIO для уровня обработки, 1/10Gigabit Ethernet для уровня обслуживания;

- высокие требования к подсистемам хранения данных как кратковременной (ОЗУ), так и долговременной. В основном это связано с ОЗУ, поскольку она достаточно часто может быть одним из наиболее «узких мест» в проектируемом вычислительном кластере.

Кроме вышеперечисленных проблемных моментов, общих для любых типов вычислительных кластеров, стоит также отметить

многоальтернативность применяемой элементной базы. В настоящее время на рынке предлагается большое количество элементов, применяемых при создании вычислительных кластеров: процессоры стандартной архитектуры (x86, Power, SPARC), широкий выбор программируемой логики (наиболее широко применяются ПЛИС Virtex-4-6 и Stratix-4-5), сигнальных процессоров, графических процессоров (от массово поставляемых графических карт до узкоспециализированных решений). Кроме того много компаний предлагают услуги по проектированию заказных элементов.

Многоальтернативный выбор имеется и при применении интерфейсов передачи данных, наиболее используемые на данных момент 1/10Gigabit Ethernet, InfiniBand, PCI Express, Serial RapidIO; начинает применяться 40Gigabit Ethernet, в будущем возможно применение 100Gigabit Ethernet.

Отдельно стоит отметить существующий в настоящий момент большой выбор конструктивных решений. Это связано, во-первых, с тем, что в последнее время появились такие стандарты как AdvancedTCA (применяется с 2003г.) и MicroTCA (применяется с 2006г.), VPX (применяется с 2008г.) и OpenVPX (применяется с 2009г.), позволяющие создавать вычислительные кластеры в условиях жестких ограничений по массо-габаритным характеристикам и энергопотреблению, во-вторых, с тенденцией последних лет, заключающейся в том, что производители элементной базы стараются максимально уменьшить ее размеры при сохранении или даже увеличении производительности. Все это обеспечивает широкое поле альтернатив и обуславливает актуальность проблемы.

На основе вышеуказанного можно сделать следующие выводы. С одной стороны, большой выбор вариантов элементной базы, интерфейсов межсоединений и конструктивов, позволяет создавать вычислительные кластеры для абсолютно новых применений или где их применение было ранее невозможно по ряду причин. С другой стороны, столь широкий выбор альтернативных компонентов и условия применения, сильно различающиеся в зависимости от специфики конкретных приложений, определяют

необходимость создания новых высокоэффективных средств проектирования вычислительных кластеров.

Следует отметить, что в рамках процедур автоматизированного проектирования

вычислительных кластеров широко применяется объектно-ориентированный подход,

заключающийся в том, что объект проектирования и его отдельные элементы представляются в виде абстракций, описанных с помощью языка ЦМЬ, которые в дальнейшем ассоциируются с соответствующими схемотехническими и программными решениями. Данный подход позволяет с одной стороны создать базу данных функциональных элементов, которые формально описаны с учетом соответствующих параметров, с другой стороны автоматизировать сам процесс проектирования. Однако данный подход требует дальнейшего развития и совершенствования. Сложность заключается в том, что многоальтернативность решений при формировании узла объекта проектирования приводит к тому, что возможны десятки вариантов выбора одного и того же конструктивного узла. К тому же изменение хотя бы одного из параметров созданной абстракции узла, например, в результате изменения схемотехники или топологии элемента приводит к необходимости модификации всех вариантов узла,

которые затрагивает данное изменение, а также модификации других узлов, если это изменение может на них оказать влияние. Процесс проектирования усложняется также тогда, когда один и тот же компонент элементной базы может быть представлен в нескольких конструктивах. Например, ПЛИС одной и той же производительности может быть в 2-3 различных корпусах, что соответственно влияет на занимаемую площадь на печатной плате, а также на требования к размерам и возможностям по отводу тепла у радиатора.

Рассматриваемая проблематика

автоматизированного проектирования

вычислительных кластеров обуславливает

возможность реализации здесь следующей процедуры проектирования: создание максимально возможного количества объектных моделей узлов кластера для покрытия известных вариантов применения данных узлов в структуре кластера с последующей корректировкой параметров

абстракции узла или узлов в каждом конкретном случае необходимости соответствующей модификации.

Литература

1. Каляев И.А., Левин И.И., Семерников Е.А., Шмойлов В.И. Реконфигурируемые мультиконвеерные вычислительные структуры. Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2008. 320с.

2. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. СПб: Изд-во ПИТЕР, 2007. 848с.

3.Калинкина Т.И. Телекоммуникационные и вычислительные сети. Архитектура, стандарты и технологии. СПб: Изд-во BHV-СШ, 2010. 288с.

4. Jens Ihamo, Steve Hill Linux HPC cluster installation// IBM Redbooks publication, 2001. 248с.

Воронежский государственный технический университет

RANGE OF PROBLEMS FOR COMPUTING CLUSTERS AUTOMATED DESIGN B.V. Mistyukov, V.L. Burkovsky

The article is devoted to the issues of choice of design solutions analysis within CAD specific related to computing clusters, as objects of design

Key words: computing cluster, element base, automated design, interface

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.