Вычислительное дело и кластерные системы

Вычислительное дело и кластерные системы

2-е издание, исправленное

Жуматий С.А.
Воеводин В.В.

Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016

2

Вычислительное дело и кластерные системы/ С.А. Жуматий, В.В. Воеводин - М.: Национальный
Открытый Университет “ИНТУИТ”, 2016

Курс посвящен базовому уровню современной вычислительной практики - кластерным системам.
Показаны тонкие места их проектирования, использования, сопровождения, обсуждаются важные
детали и все те незаметные мелочи, которые влияют на эффективность решения реальных задач.

(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2008-2016
(c) Жуматий С.А., Воеводин В.В., 2008-2016

3

Введение

ПРИТЧА Раз при Горохе, при царе, его три сына, опоясав сабли, пошли в поход. Но во
дворе сын старший наступил на грабли. И средний сын ступил ногой на грабли,
выразившись всяко. Тут пригорюнился меньшой. Да, делать нечего, однако… А.Ману

Нет, нет и еще раз нет. Мы и сами не хотим, и Вам не желаем оказаться на месте
младшего брата. Поместив данную притчу в самое начало книги, мы возложили на нее
роль, не совсем характерную для эпиграфа. Это не основная мысль данной работы. Это
главная проблема, с которой нам приходится сталкиваться на практике и на которой
нам хотелось лишний раз заострить внимание. При всей, казалось бы, очевидности
предстоящего шага не нужно слепо следовать сложившимся стереотипам действий или
же автоматически перенимать уже готовые решения. Быстро - это не всегда хорошо.
Особенно в столь доступной, но динамичной, высокотехнологичной и тонкой области,
как проектирование и использование кластерных вычислительных систем.

Появление вычислительных кластеров позволило значительно расширить масштаб
применения высокопроизводительных компьютеров. Многие инженерные и
технологические процессы в нефтегазовом секторе и машиностроении, фармацевтике и
банковском деле, энергетике и телекоме, в биоинженерии и нанотехнологиях теперь
существенно опираются на использование кластерных систем. То, что раньше можно
было решить только на дорогих, а потому для многих практически недоступных
суперкомпьютерах, сегодня можно сделать с помощью недорогих и эффективных
кластерных систем. Массовое использование параллельных вычислительных
технологий, чему первый основной толчок дали именно кластерные системы, стало
характерной чертой нашего времени.

Приведенная в эпиграфе притча очень точно характеризует подход многих
организаций к построению высокопроизводительных кластерных систем. Дело новое,
но перспективное, опыта не много, но кластерные системы нужны, поэтому
копирование архитектуры какого-либо уже существующего кластера рассматривается
как вполне допустимый способ развития собственного проекта. Во многих случаях это
оправдано, однако столь же часто использование чужого пути приводит к повторению
одних и тех же ошибок. При этом все говорят об успехах, но почти никто не
рассказывает о неудачах или же оказавшихся ошибочными на практике решениях, хотя
именно на них нужно бы обратить внимание новичков кластерного дела, только
приступающих к работам в данной области.

В данной книге мы попытались собрать вместе все те вопросы, которые нужно
обдумать и решить, начиная с момента появления потребности в кластерной системе
для решения конкретных задач, до проектирования, заказа, монтажа, настройки и
тестирования кластера, чтобы в процессе будущей эксплуатации получить
действительно эффективное по всем параметрам кластерное решение. При этом, книга
создавалась не для того, чтобы предоставить набор готовых рецептов разрешения
сложных ситуаций, хотя во многих случаях делается и это. Ставились иные цели.
Прежде всего, мы хотим явно указать на те потенциальные проблемы, которые могут
возникнуть на различных этапах работы с кластерными системами. Накопленный за

4

многие годы опыт подсказывает, что список проблем немалый. Не в каждом проекте
все подобные проблемы могут проявиться, у всех коллективов и проекты, и условия их
реализации в чем-то различаются, однако “предупрежден -значит вооружен”.
Одновременно с этой задачей, мы хотим обратить внимание читателя и на
многообразие возможных решений. Технологии быстро развиваются, привычные
подходы нужно вовремя модифицировать или же просто переходить на новые методы
работы. Кластерные технологии дают в руки мощный инструмент построения
вычислительных систем, владение которым и понимание которого приводит к
исключительно эффективным решениям.

И, наконец, самое важное. В вычислительном деле с задач все начинается, задачами
определяется и по результатам их решения оценивается. Об этом нередко забывают, но
это именно та идея, которая должна составлять фундамент любого кластерного
проекта, иметь максимальный приоритет при принятии решений на каждом этапе
создания кластера. Никто не покупает просто автомашину: разница в назначении
представительского седана, карьерного самосвала, минивэна и бюджетного варианта
народного автомобиля всем очевидна. Вместе с тем, задачи каждого класса машин
полностью определяют особенности их компоновки, проектирования,
технологического цикла производства и эксплуатации. В автомире это воспринимается
как норма. Так должно быть и в мире кластерных систем. В этом основная цель данной
книги.

Следует специально отметить, что, говоря о кластерах, мы имеем в виду
высокопроизводительные вычислительные системы. Сам термин “кластер” в последнее
время широко используется во многих областях: кластер высокой степени готовности,
кластер для web-приложений, однако нам важна суперкомпьютерная, вычислительная
сторона дела, которой и будет уделено основное внимание.

Представленный материал отражает как наш собственный опыт выполнения большого
числа кластерных проектов, так и опыт, накопленный в кластерной отрасли в целом.
Безусловно, много полезного мы получили от общения с нашими коллегами по
лаборатории параллельных информационных технологий Научно-исследовательского
вычислительного центра МГУ имени М.В.Ломоносова Антонова Александра и
Стефанова Константина, за что выражаем им нашу искреннюю признательность. Мы
исключительно благодарны сотрудникам корпорации Intel: Самофалову Виктору,
Семину Андрею и Нарайкину Андрею за регулярно предоставляемую возможность
работы на новых образцах вычислительной техники, за ценные советы,
доброжелательность и внимательное отношение к нашей работе. Мы хотели бы
поблагодарить корпорацию Intel, при поддержке которой данная книга была создана и
вышла в свет. Наша особая благодарность Валентину Васильевичу Воеводину,
учителю в науке и наставнику по жизни, общение и работа с которым всегда
подталкивали к исследованию нового, приводили к интересным постановкам задач, к
нетривиальным и неожиданным решениям. Спасибо.

Отдельные разделы книги написаны кратко, но дополнительный материал, последние
новости и множество технических подробностей доступны на страницах
информационно-аналитического центра по параллельным вычислениям в сети Интернет
ссылка: Parallel.ru - http://www.parallel.ru. Там же по адресу ссылка:

5

http://ClusterBook.Parallel.ru размещен электронный вариант данной книги. В
дискуссионном клубе центра можно обсудить возникшие вопросы или высказать
предложения по тем направлениям, которые имело бы смысл раскрыть подробнее в
последующих редакциях этой работы. Свои комментарии можно направить авторам и
напрямую по электронной почте clusterBook@Parallel.ru. Мы будем признательны,
если Вы поделитесь с нами своим личным опытом создания и использования
кластерных систем, сложными вопросами и нестандартными ситуациями, возникшими
по ходу реализации проектов, найденными вариантами их решения.

Успехов Вам и только удачных кластерных решений!

О прикладных задачах и кластерных системах

Компьютерный мир меняется. Пятидесятилетняя эпоха последовательной организации
вычислений сменяется эрой параллелизма, параллельных вычислительных технологий
и параллельных вычислительных систем. Сначала появление кластерных систем, а
затем переход всех ведущих производителей вычислительной техники на
многоядерные процессоры, сделали компьютерный мир параллельным.

Революционность происходящего в наше время сродни изменениям, которые
потребовались обществу в середине прошлого века для адекватного восприятия первых
компьютеров. Сегодня задача не менее сложная, поскольку необходимо
адаптироваться к параллельным компьютерным технологиям. Нужно пересматривать
подходы к исследованию свойств и анализу качества алгоритмов, необходимо менять
мышление программистов, нужен целый спектр специального инструментария для
разработки программного обеспечения нового поколения.

Доступность современных параллельных компьютерных систем создает иллюзию
легкости их использования. Многопроцессорные серверы, кластеры, многоядерные
процессоры, распределенные вычислительные среды действительно можно
использовать для решения любых задач, однако доступно - не значит просто. В
параллельных вычислительных системах на передний план выходит понятие, на
которое не так сильно обращали внимание в период господства последовательных
методов организации вычислительного дела: эффективность использования
компьютеров. В самом деле, а почему бы не сохранить традиционные
последовательные технологии программирования? Берем существующую и уже
работающую программу, из всего множества доступных процессоров, ядер или
вычислительных узлов параллельного компьютера задействуем только один
экземпляр, компилируем, запускаем и получаем результат. Ничего сложного, все
отработано годами, все привычно и никаких дополнительных проблем или неудобств
эти шаги не вызывают. В принципе, все это верно, за исключением одного - забыто
главное. Зачем создаются параллельные компьютеры? Для увеличения их
производительности. Именно это дает возможность уменьшить время работы
программ, перейти к новым размерам и размерностям в постановке задач, повысить
точность их решения. И все это останется в стороне, если забыть про параллелизм и по
старинке ориентироваться только на последовательные методы работы. Выполнить
программу на одном процессоре, безусловно, можно, и человек даже сможет сказать,

6

что он “работал на многопроцессорной системе”. Только какой в этом смысл? Нужно
ли было тратить значительные средства на установку дорогостоящей системы, если
эффект от нее такой же, как от обычного компьютера? Вряд ли. Целесообразно ли
использовать параллельную вычислительную систему в таком режиме? Скорее всего -
нет. Инструмент определяет методы и технологии его использования. Если в
архитектуре компьютера присутствует параллелизм, значит он в том или ином виде
должен быть и в программе. В противном случае, ответ на вопрос: “Зачем
использовали параллельный компьютер?”, нужно искать в какой-то совсем иной
плоскости.

Все сказанное в полной мере относится и к кластерным системам. Появившись в
середине 90-х годов прошлого века как доступная альтернатива традиционным
суперкомпьютерам, они показали себя достойным средством решения больших задач.
Необычайно быстрый рост популярности кластеров в вычислительном сообществе
объясняется двумя причинами: очень высоким показателем отношения пиковой
производительности к стоимости и большой свободой при выборе конфигурации
кластерной системы. Сегодня за весьма умеренную цену организация может
установить систему значительной производительности, причем в той конфигурации,
которая лучше всего подходит для решения ее задач. Подобная ситуация сама по себе
не может не радовать, однако нельзя забывать, что кластер - это инструмент, это одно
звено в длинной цепочке решения задач на параллельных вычислительных системах.
Звено, безусловно, важное, но не единственное. Создавая методы решения задач на
параллельных компьютерах, мы обязаны рассматривать всю цепочку в целом: от
постановки задачи, описания алгоритма, выбора технологий параллельного
программирования, до вопросов организации программно-аппаратной среды самой
вычислительной системы и ее инженерной инфраструктуры. Слабость любого одного
звена может привести к резкому падению эффективности решения задачи в целом, и
только согласованность решений, принятых на всех этапах, даст надежду на
действительно хороший результат.

Этапы решения задач на компьютерных системах

Обратимся к схеме решения задач (см. рисунок, приведенный выше) с помощью
различного рода компьютерных систем. Стартовой точкой является задача - это то, что
мы хотим найти, узнать или вычислить с помощью компьютера, это наша цель. Для
решения задачи выбирается некоторый метод, т.е. математически обоснованная

7

последовательность действий, следуя которой мы решение получим. Под действием
может пониматься как элементарная арифметическая операция, так и что-то более
сложное, но не столь важное с точки зрения самого метода, например, вычисление
скалярного произведения или нахождение максимального значения в заданном наборе
чисел. Зафиксировав метод, следующим шагом необходимо описать алгоритм. Для
этого нужно указать точный набор и порядок выполнения всех операций. Обычно, на
данном этапе не очень задерживаются, так как выбранный метод автоматически
определяет идею алгоритма. Но только идею. На практике, два алгоритма, построенные
по одному и тому же методу, могут обладать принципиально разными свойствами, в
частности, один может оказаться чисто последовательным, а другой алгоритм будет
обладать значительным ресурсом параллелизма [[1]]. Двигаясь по цепочке далее,
алгоритм записывается в виде программы с помощью той или иной технологии
программирования, затем полученная программа обрабатывается компилятором,
который уже и генерирует код, пригодный для исполнения компьютером. “Задача”,
“Метод” и “Алгоритм” в большей степени относятся к предметной области,
“Программа”, “Компилятор” и “Компьютер” составляют основу последующей
реализации, а “Технологии программирования” - это посредник между двумя
сторонами единого процесса решения задачи.

Такова стандартная цепочка, и на рисунке она отмечена жирными стрелками. Ее много
раз проходил каждый программист, как системный, так и прикладной, выбирая
оптимальный путь решения своей задачи. За счет использования специальных
технологий программирования цепочка в ряде случаев может стать короче, позволяя
пользователю найти решение его задачи проще и быстрее. В самом деле,
воспользовавшись уже готовым прикладным программным комплексом, все решение
можно свести лишь к правильному заданию входных данных, и путь от задачи через
такие технологии программирования сразу приведет к компьютеру. Подобных
“альтернативных” путей существует немало, и на рисунке они показаны тонкими
стрелками.

Данная схема дает богатую пищу для размышлений и помогает понять причины
многих проблем, возникающих при решении задач на компьютерах, особенно на
компьютерах с параллельной архитектурой. Тема достойна отдельного обсуждения,
однако сейчас сосредоточимся на этапе, который отвечает предмету данной книги - на
кластерных системах. Это последнее звено цепочки, обозначенное на рисунке словом
“Компьютер”, отвечающее за выполнение программ на кластере. Можно указать по
меньшей мере три причины, почему данное звено занимает в цепочке особое
положение и заслуживает особого внимания:

тот факт, что программа будет работать на кластере, должен учитываться на всех
предыдущих стадиях: это скажется на выборе метода и алгоритма решения задачи,
технологий и систем программирования, т.е. на всех звеньях цепи;
по мере прохождения этапов накопятся и именно здесь скажутся недостатки всех
принятых ранее решений: не лучшие свойства метода, множество
последовательных частей в алгоритме, плохо написанная программа, огрехи
компилятора, и в результате - низкая эффективность работы параллельной
программы;

8

наконец, если не обеспечить качественного функционирования кластерной
системы, лежащей в основе последнего звена цепочки, то станет просто
бессмысленной вся работа, которая была выполнена на всех предыдущих этапах.

Приступая к проектированию кластерной системы, очень важно продумать всю
цепочку в целом, чтобы сформировать будущее решение на основе целенаправленного
выбора и анализа, а не ощущений или эмоций от рекламных кампаний. Общепринятые
стандартные подходы хороши “в среднем”, но для конкретных задач они могут
оказаться совершенно непригодными. Если заказчик просит спроектировать
кластерную систему, но ничего не говорит о предполагаемом классе задач или же
режиме использования системы, то это должно серьезно насторожить. В зависимости
от того, создается ли центр коллективного пользования с большим числом разных
задач, учебный центр по параллельным вычислениям или вычислитель для поддержки
конкретного проекта, в зависимости от того, насколько критичным является
требование надежности и отказоустойчивости работы оборудования, сколь тесно
кластер должен быть в будущем интегрирован в информационно-технологическую
инфраструктуру предприятия - при каждом сценарии развития кластерного проекта
нужно делать свой акцент в архитектуре комплекса. В противном случае, пострадает
качество решения задачи, ради которой комплекс и создавался.

Подтверждений этому тезису в нашей практике очень много, и чем раньше удавалось
уточнить требования и определить структуру задач, тем лучше получался результат. В
одном проекте заказчик сразу же начал с того, что попросил проанализировать
эффективность выполнения его программы на различных процессорах. Желание
вполне обоснованное, если учесть, что кластерная система проектировалась только
под одну конкретную задачу, и об универсальности установки речь не шла. Модельная
программа была предоставлена, и нам оставалось лишь исследовать доступные
серверные платформы, на основе чего и выбрать вариант построения будущего
кластера. Был найден хороший вариант связки платформы и компилятора, дающей
наименьшее время выполнения программы на различных наборах входных данных.
Вроде бы задача выполнена, и можно было приступать к проектированию кластера в
целом, однако настораживало немного необычное поведение модельной программы.
Во время испытаний на каждой платформе программа занимала всю доступную
оперативную память. Поговорили с заказчиком, и оказалось, что объем оперативной
памяти во многом определяет и размер задачи, и время ее решения. Заказчик держал в
голове “средние” параметры существующих кластерных систем, и минимизировал
время работы программы за счет выбора подходящего процессора. По сравнению с
предварительным проектом в окончательном варианте конфигурации кластера число
вычислительных узлов было уменьшено в два раза, но зато объем оперативной памяти
на каждом узле был увеличен в четыре раза, что привело к значительному увеличению
скорости решения исходной задачи. К слову, в окончательной конфигурации пришлось
отказаться и от первоначально найденной “самой лучшей” платформы, которая не
поддерживала эффективной работы с большими объемами оперативной памяти.

В другом проекте в научной группе планировался перевод большого программного
комплекса, традиционно работавшего в однопроцессорном режиме, на параллельную
кластерную систему. Нужно было переходить к новым размерам задач, но поскольку в

9

существующем варианте время расчета было чрезмерно большим, то только переход на
параллельную систему в перспективе мог дать необходимое ускорение работы
программы. Составили проект, показали нам. Серьезных ошибок технического
характера в проекте не было, а сказать что-либо еще без знания структуры будущих
задач невозможно. Стали разбираться с программным комплексом и обнаружили
потенциально серьезную проблему: интенсивная работа с файлами. При работе
комплекса на одном процессоре этот вопрос и не возникал, так как обмен с дисками
занимал около 1 % всего времени работы программы. Однако переход на кластер из 32
процессоров с перспективой увеличения их числа в будущем до 128 заставлял серьезно
задуматься о параметрах и конфигурации подсистем ввода/вывода, поскольку
файловые операции все больше и больше выходили на первый план. Кстати, одно из
определений суперкомпьютера в точности описывает данный эпизод:
“Суперкомпьютер - это вычислительная система, сводящая проблему вычислений к
проблеме ввода/вывода”. Немного иронично, но тонко подмечено. Когда
вычислительная часть перестает быть узким местом, работу программы начинает
сдерживать что-то еще, в данном случае, это работа с устройствами ввода/вывода.
Очень жизненная ситуация, характерная для многих проектов.

Теперь рассмотрим типичный пример использования кластерных систем, когда вся
содержательная работа ведется через специализированные прикладные пакеты:
ANSYS, GAMESS, ABAQUS, STAR-CD и другие. Нет сомнений, подход правильный и
обоснованный: если кто-то уже подумал и о решении задач предметной области, и о
распараллеливании, то готовым инструментом нужно воспользоваться. Нужно лишь
быть уверенным в качестве двух принципиально важных компонентов. Первый - это
сам пакет. Безусловно, он прекрасно справляется с определенными классами задач. Но
все реальные задачи разные, пакеты же, как правило, ориентированы на некоторый
“усредненный” вариант, и требуется специальная проверка их работоспособности при
критических значениях параметров: предельных нагрузках, максимальных скоростях,
переходных процессах, приграничных областях. Есть ли уверенность, что
планируемый к установке на кластере пакет даст решение задачи? Вопрос непростой,
нужна аккуратная оценка математики, методов, точности, диапазона входных данных и
допустимых параметров моделей, заложенных в пакете. Второй компонент - это
эффективность работы связки пакет- кластер на типичных наборах входных данных.
Хорошо ли пакет масштабируется по числу процессоров? Может ли пакет
использовать полностью имеющуюся оперативную память? Какие параметры
коммуникационной сети для него наиболее критичны? Известно много случаев,
например [2], когда конфигурация кластеров менялась после предварительных
испытаний различных вычислительных платформ на тестах пакетов с учетом
специфики входных данных, характерных для задач пользователей. Эффективно ли
пакет адаптирован под архитектуру кластера? Данный вопрос также не следует
оставлять без внимания, поскольку разработчики пакета могли использовать не совсем
стандартные схемы и модели для реализации вычислительного процесса. Например,
известный пакет для квантово-химических расчетов Gaussian для выполнения всех
операций взаимодействия параллельных процессов использует систему Linda, которая
сама по себе предполагает их общение через общую память. Необходимо убедиться
заранее, существуют ли эффективные реализации данного пакета на системах,
аналогичных проектируемому кластеру. Иногда пакеты строятся на основе модели

10