High Performance Cluster (HPC)

High Performance Cluster (HPC) sind die zurzeit gebräuchlichsten Cluster. Sie kombinieren Vielseitigkeit, Zuverlässigkeit, hohe Leistung und Kosteneffizienz mit einer großen und bewährten Applikationsbasis.

HPC Cluster entstanden als flexible, skalierbare und einfach zu verwaltende Alternative zu Großrechnern, Mainframes und Supercomputern. HPC-Cluster sind leistungsstarke Rechnerverbund-Systeme mit kurzen Latenzzeiten, die in Bruchteilen von Sekunden komplexe Berechnungen und Simulationen durchführen können. Heute zählen HPC-Cluster zu den Supercomputern.

Wichtiger Bestandteil von HPC-Clustern ist die Cluster-Software, mit deren Hilfe die Applikationen den zur Verfügung stehenden Prozessoren zugewiesen werden. Neben den klassischen CPU-Prozessoren (Central Processing Unit, kurz CPU) werden in steigender Anzahl auch Grafikprozessoreinheiten (General Purpose Computation on Graphics Processing Unit, kurz GPGPU) eingesetzt. Bei parallelen Algorithmen kann so eine erhebliche Geschwindigkeitssteigerung im Vergleich zu CPU Prozessoren erzielt werden.

Der klassische Hardware-Aufbau eines HPC-Clusters besteht aus den folgenden Komponenten:

• Netzwerk-Infrastruktur
  Die Netzwerk-Infrastruktur besteht aus den folgenden Teilnetzen:
  • Administrationsnetz, häufig als 1000Mbit/s Ethernet ausgeführt
  • Remote-Control-Netz, häufig als 100Mbit/s Ethernet ausgeführt
  • MPI-Netz (Message Passing Interface), häufig als Infiniband-Netz ausgeführt (hohe Datenübertragungsgeschwindigkeit, niedrige Latenzen)
  • Datennetz(e) zum Austausch von Daten zwischen Steuerrechnern, Fileservern, Cluster-File-Systemen und Rechenknoten (Computenodes)
    
    
• Front-End-Prozessor (FEP), auch Headnode oder Masternode genannt
  Der FEP steuert die einzelnen Rechenknoten über die Netzwerkinfrastruktur (Switches), und weist den zu bearbeitenden Applikationen die Prozessoren der einzelnen Rechenknoten zu. Teil- und Endergebnisse der Rechenknoten werden auf dem Front End (oder einem Fileserver) abgespeichert. Der FEP überwacht die Funktionsfähigkeit der Clusternodes und wird häufig auch für die Benutzerverwaltung und Firewall eingesetzt.
  
  
• Compute Node (Rechenknoten)
  Computing Nodes sind Verarbeitungseinheiten in einem Rechnerverbund, welche fast ausschließlich Rechnen Leistung erbringen. Unterschiedliche Compute Nodes in einem Cluster werden oft in Klassen eingeteilt und zu verarbeitende Jobs können auch eine bestimmte Anzahl von Prozessoren einer bestimmten Klasse anfordern, wenn sie bestimmter Ressourcen wie Speicher, CPU- oder GPU-Leistung, Plattenplatz- und/oder Zugriffsgeschwindigkeit, Netzwerkleistung wie Übertragungsrate oder Latenz, etc bedürfen. Man spricht dann häufig von:
  • fetten Knoten, wenn diese über einen hohen Speicherausbau und/oder schnelle Prozessoren verfügen
  • GPGPU Knoten, wenn diese über eine oder mehrere Grafikprozessoreinheiten verfügen
  • Infiniband Knoten, wenn diese an ein schnelles Netzwerk mit niedriger Latenz angebunden sind. Die Leistungssteigerung kann hier oft einen höheren Durchsatz bringen als eine höhere Knotenanzahl
    
    
• Visualization Node (Visualisierungsknoten)
  Visualization Nodes sind HPC-Ressourcen, welche für die Anwender-Desktops erweiterte Visualisierungsmöglichkeiten bieten. Dies ermöglicht es Anwendern sich mit dem Server zu verbinden und deren fortschrittliche Funktionalität zum Rendern sehr großer Datenmengen interaktiv vom eigenen Desktop aus zu nutzen, ohne über spezielle Grafikhardware auf ihren Workstation zu verfügen. Die fertigen Images werden über das Netzwerk zum Desktop des Anwenders gesendet und können dort, mit Hilfe eines einfachen Visualisierungs-Clients, dargestellt werden. Die Aufgabe dieser Nodes, wie der gesamten HPC-Infrastruktur, besteht darin, einer bestimmten Aufgaben (in diesem Fall Visualisierung) eine Rechen-Ressource zur Verfügung zu stellen, welche von jedem Anwender genutzt werden kann. Die Remote-Visualisierungs-Software ermöglicht mehreren Anwendern, an mehreren Standorten, bei der Visualisierung ihrer Daten zu kooperieren. Visualisierungsdaten können auf mehrere Desktops gestreamt werden, wobei die Remote-Applikation von einem beliebigen Anwender gesteuert werden kann.
  
  
• Log-In Nodes (Einwahlknoten)
  Log-In Nodes werden oft eingesetzt, wenn die Anwender die Möglichkeit erhalten sollen sich alternativ mit unterschiedlichen Clustern zu verbinden.
  
  
• File-Server
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• Parallele File-Systeme
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• Firewall-, Kommunikation Nodes
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