Scale-Out-Architekturen sind die HPC-Zukunft

Die horizontale Skalierung (Scale-Out) und nicht die vertikale Skalierung (Scale-Up) ist als klarer Trend im Bereich High Performance Computing (HPC) zu erkennen. Dies zeigt sich, so IT-Dienstleister und HPC-Spezialist transtec, an unterschiedlichen Variablen wie CPU, Netzwerk oder Storage.
Die Skalierung in die Breite, die eine hohe Parallelisierbarkeit von Prozessen bietet, ist ein zentraler Trend im HPC-Umfeld. Das betrifft die Prozessor- und Netzwerk-Technologie ebenso wie den Storage-Bereich mit der Nutzung paralleler Filesysteme.
Im CPU-Bereich zeigt sich der Scale-Out-Trend daran, dass die Entwicklung heute in Richtung einer Verwendung von immer mehr Cores pro CPU geht, während die Taktfrequenz eher gleichbleibend ist, das heißt, es wird eine Leistungssteigerung durch Mehrkernprozessortechnologie und weniger durch die technisch aufwändige Erhöhung der Taktfrequenz angestrebt.

Skalierbarkeit und Parallelisierbarkeit

Eine sehr gute Skalierbarkeit und Parallelisierbarkeit bieten laut transtec neben Intel-CPUs auch ARM-Prozessoren. „Nicht nur Intel wird im Prozessor-Umfeld im HPC-Bereich die Zukunft bestimmen, auch ARM-CPUs werden zunehmend zum Thema“, erklärt Dr. Oliver Tennert, Director HPC Solutions bei transtec in Reutlingen. „Seit Einführung der ARMv8-Generation mit der 64-Bit-Architektur zeichnet sich diese Entwicklung bereits im universitären Bereich ab. Vor allem hohe Energieeffizienz und Kostenvorteile sprechen für ARM, so dass ein Einsatz bei kommerziellen Anwendungen in allen Forschungs- und Entwicklungsbereichen auch in Privatunternehmen künftig durchaus verstärkt in Betracht gezogen werden könnte.“

Scale-Out-Trend auch im Storage-Bereich

Der Scale-Out-Trend zeigt sich auch im Storage-Bereich durch die Verwendung von parallelen Filesystemen. Rechenergebnisse mit Datenmengen im Terabyte-Bereich sind im High Performance Computing keine Seltenheit. Die Herausforderung dabei ist weniger die Datenablage, als vielmehr der Transfer großer Datenmengen, das heißt die Aufrechterhaltung der Performance beim notwendigen "Hin- und Herkopieren" im Rahmen des Jobflows und die damit verbundene Gesamtlaufzeit des Jobs. Im Hinblick auf diese Anforderungen etablieren sich bereits seit Längerem parallele Filesysteme. Sie ermöglichen sowohl eine performante Speicherung von Input- oder Ergebnisdaten als auch von Zwischenergebnissen während der Joblaufzeit.

Im Bereich paralleler Filesysteme bieten sich für HPC-Storage-Systeme vor allem vier Lösungen an: Kommerzielle Lösungen von Panasas oder IBM sowie Open-Source-Lösungen wie Lustre oder BeeGFS vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik in Kaiserslautern.

De-facto-Standard InfiniBand

Scale-Out-Architekturen prägen auch den Netzwerk-Bereich. Der De-facto-Standard im Umfeld anspruchsvoller HPC-Anwendungen ist hier heute InfiniBand. Zentrale Vorteile dieses Netzwerk-Interconnects sind die hohe Bandbreite und die niedrige Latenz, mit der eine hohe Performance der HPC-Applikationen sichergestellt werden kann. InfiniBand unterstützt zudem eine Cluster-Skalierung, da die Punkt-zu-Punkt-Latenz auch bei steigender Knoten- und Core-Anzahl niedrig bleibt und bei unter 1,2 Mikrosekunden liegt.

„Die dominierende Stellung von InfiniBand wird sich im nächsten Jahr allerdings abschwächen“, so Dr. Tennert. „Grund hierfür wird die Einführung von Omni-Path von Intel sein. Mit angekündigten Port-to-Port-Latenzen von 100 bis 110 Nanosekunden ergeben sich bessere Werte als bei Nutzung von InfiniBand EDR. Dadurch besteht auch ein höheres Maß an Skalierbarkeit und damit verbunden die Möglichkeit, noch größere Netzwerke zu realisieren.“

Der HPC-Bereich gehört zu den Kerngeschäftsfeldern von transtec. HPC-Systeme gewinnen für viele Unternehmen zunehmend an Bedeutung, da sie nicht nur für rechenintensive Simulationen, sondern vor allem auch für die Analyse großer Datenbestände – Stichwort Big Data – benötigt werden. „Und dies wird für Unternehmen zur Erhaltung und Steigerung ihrer Wettbewerbsfähigkeit immer wichtiger“, so Dr. Tennert. „Die richtige HPC-Lösung auszuwählen und dann erfolgreich in Betrieb zu nehmen und zu betreiben, ist aber nicht immer eine leichte Aufgabe. Mit unserer langjährigen HPC-Erfahrung mit Anwendungen aus unterschiedlichsten Branchen können wir Unternehmen bei der Bewältigung dieser Herausforderungen umfassend unterstützen.“

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