Dell Enterprise ソリューション

ハイパフォーマンス・コンピューティング・クラスタ（HPCC）は、複数の業界標準SMPマシンを高速インターコネクトで連結したもので、低コストながら、旧来の「モノリシック(巨大な一体型)」スーパーコンピュータなみの演算パワーを達成します。当初は、その開発コード名から、「Beowulf」クラスタと呼ばれていました。クラスタ・システムは、1つのリクエストをいくつかの小さなタスクに分割し、各クラスタ・ノードに割り当てて連携しながら処理した後、各ノードからの結果を1つにまとめて応答するため、クライアントにはあたかも1台のコンピュータのように見えます。

HPCCは、現在最も難解かつ精密さが求められるエンジニアリング処理にも対応可能なシステムとして、受け入れられています。ハイパフォーマンス・コンピューティング分野の並列アプリケーションは、演算およびデータ処理が集中的に発生するため、このような演算ニーズを満たすには、必要に応じて大規模な業界標準コンピューティング・リソースが必要です。このように強力なリソースで構成されたHPCCは、各方面から高く評価され、需要が急速に伸びています。

HPCCの歴史

去る1994年、宇宙地球科学（ESS）プロジェクトから助成金を得たCESDIS（Center of Excellence in Space Data and Information Sciences）所属のトーマス・スターリング氏とドン・ベッカー氏は、「Beowulf」という名のクラスタ・コンピュータを構築しました。このシステムは、16基のDX4プロセッサを使用し、10Mbps Ethernetのチャネル結合を使って接続したものです。

両氏の開発理念は、COTS（Commodity off the Shelf: 市販のコモディティ製品）コンポーネントを使ってクラスタ・システムを構築し、ESS研究者達が求める演算能力を提供することにありました。Beowulfプロジェクトは即座に成功を収めましたが、これは「ハイパフォーマンス・コンピューティング（HPC）の実現手段としてコモディティ・クラスタを使う」という斬新なアイディアが魅力的な選択肢として歓迎されたからです。今では、この種のシステムをハイパフォーマンス・コンピューティング・クラスタ（HPCC）と呼んでいます。（詳細： www.beowulf.org）

最近では、Beowulfシステム＝HPCCは、複雑な演算解析をサポートするソリューションとして様々な分野に活かされ、広く普及しています。たとえば、浮動小数点演算が集中するハイエンドな科学技術計算から、大量のデータを扱う企業の業務処理まで、その応用範囲は多岐にわたります。アプリケーション例としては、石油探査用の地層解析、自動車や航空機設計用の流体力学シミュレーション、生物医学研究用の分子モデリング、ビジネス分析用のデータ・マイニングや金融/財務モデリング、その他、枚挙に暇がありません。

HPCCアーキテクチャ

マルチプルコンピュータ・アーキテクチャを採用するHPCCは、1台以上のマスタ・ノードと1台以上のコンピュート・ノードをプライベート・ネットワーク・システムで相互接続（インターコネクト）することで、並列演算システムを形成します。クラスタ内の全ノードは、PC、ワークステーション、サーバなどのコモディティ・システムを使っており、実行するソフトウェアも、Linuxなどのコモディティ・ソフトウェアです。マスタ・ノードは、クラスタ内でNFS（ネットワーク・ファイル・システム）サーバとして動作する一方、クラスタ外に対しては、ゲートウェイとしての役割を果たします。ゲートウェイとなるマスタ・ノードに対し、ユーザが常にアクセスできるようにするには、ハイアベイラビリティ（HA）クラスタリング機能を採用すると効果的です。

コンピュート・ノードの目的は、ジョブを並列実行することだけにあります。したがって、コンピュート・ノードには、キーボード、ビデオ、マウスのいずれも接続しません。コンピュート・ノードへのアクセスと制御は、ネットワークやシリアル・ポートを通して、マスタ・ノードからリモート操作します。コンピュート・ノードは、クラスタ外のマシンにアクセスする必要がなく、また、クラスタ外のマシンからコンピュート・ノードに直接アクセスする必要もないので、通常コンピュート・ノードは、プライベートIPアドレスを使用します。

HPCCのビルディングブロック（構成要素）

HPCCには、様々な構築法があります。HPCCなら、運用するアプリケーションやビジネス・モデルに合わせて最適と思われるコンポーネントを厳選できるので、固有のニーズを満たすシステムが容易に構成できます。あらゆるニーズを完璧に満たす、1つの「万能HPCC」を作ることはできません。下記のビルディングブロック図では、HPCCに必要な基本コンポーネントを示しており、各層でいくつかのオプションが選べるようになっています。最下層からスタートし、上に向かって進んでいくのが、HPCCシステムの一般的な構成法です。

ソフトウェア・コンポーネント

一般に、HPCのソフトウェア・コンポーネントには、オペレーティングシステム（OS）、ハードウェア・ドライバ、ミドルウェア、コンパイラ、並列プログラム開発環境、デバッガ、性能アナライザ、ハードウェア側で実行するノード監視/管理ツール、OS側で実行する監視/管理ツール、クラスタ監視/管理ツール、並列アプリケーションなどがあります。

これらの全ノードをラックに搭載し、すべてのインターコネクトと電源コードを接続したら、次は、利用予定のソフトウェアをインストールする番です。ソフトウェアのインストールでは、次の3ステップを踏みます。まず、ステップ1では、オペレーティングシステムをインストールし、選択した全ソフトウェアをマスタ・ノードとコンピュート・ノードにインストールします。ステップ2では、すべてのノードを構成します。そして、最後のステップ3では、HPCCの稼動テストを行い、期待どおりの性能が発揮できるようチューンナップします。

ハードウェア・コンポーネント

今日のHPCC環境で最もニーズが高いのは、高密度なラック・サーバです。2005年後半からは、ブレードサーバのニーズも高まってきました。ラックには、コンピュート・ノードはもちろん、ネットワーク・スイッチ、UPS、PDU（パワー・ディストリビューション・ユニット）、その他も収納できます。図1には、典型的なHPCC構成を示しました。ラックの左側には、コンピュート・ノードで利用可能なインターコネクトを示しています。ノード間の通信バンド幅が重視されるアプリケーションの場合は、Gigabit Ethernet、Infiniband 、Myrinet、その他、広バンド幅でレイテンシの低いインターコネクトが一般に選択されます。

図2では、ラックの右側に、クラスタ管理/監視用の接続をいくつか示しました。シリアル・ポートとBMC（Baseboard Management Controllerの略。1番目のNICからアクセス可能）は、コンソール・リダイレクション機能を提供します。リダイレクションは、ネットワーク接続に依存しない、また、ネットワーク処理に支障を来たさないもう1つの接続手段となるため、マスタ・ノードが管理/監視目的でコンピュート・ノードにアクセスする際、活躍します。コンピュート・ノードのリモート管理にはDRAC（Dell Remote Assistant Card）も利用できます。その際は、KVM（キーボード-ビデオ-マウス）を使用し、カテゴリ5ケーブルとTCP/IPネットワーク対応の特別なスイッチを通してコンピュート・ノードにアクセスします。