Серверная подсистема ЦОД. Виртуализация серверов. Перспективы развития. Лекция 13

1.

Лекция 13. Серверная подсистема
ЦОД. Виртуализация серверов.
Перспективы развития
Курс лекций
МТУСИ

2.

Серверная компонента ИС
Сервера – важнейшая часть аппаратной составляющей любой ИС. На
серверах приложений происходит обработка запросов клиентов и
вычислительные процедуры, связанные с работой самих приложений.
А что такое сервер?
Сервер - компьютер, выделенный из
группы
рабочих
станций
для
выполнения
какой-либо
сервисной
(обслуживающей сеть) задачи без
непосредственного участия человека.
Сервер оптимизирован для оказания услуг (to serve – обслуживать) другим «клиентам»
- компьютерам, принтерам, факсам и т.д.
Сервер
и
клиенты
образуют
клиент-серверную
сеть,
обеспечивающую
централизованный доступ к информации, ресурсам, данным, Интернету,
корпоративной почте и т.д.
Поскольку серверное оборудование выполняет более широкие функции, чем обычные
рабочие станции, оно, как правило, комплектуется:
супервайзером – управляющей платой;
памятью с повышенной устойчивостью к сбоям;
резервированием блоков питания, жестких дисков (HDD), оперативной памяти
(RAM), системой охлаждения.
МТУСИ
2

3.

Одна из главных задач сервера в ИС - выполнение
вычислительных
функций
приложений.
Важнейшая
его
характеристика – это быстродействие, определяемое в значительной
степени
быстродействием
процессора
«сердцем»
любого
персонального компьютера или сервера.
Центральный
процессор
(центральное
процессорное
устройство) — ЦПУ (central processing unit, CPU) — это интегральная
схема, исполняющая машинные инструкции (коды программ). Долгое
время единственным ресурсом повышения производительности
процессоров считалось увеличение их тактовой частоты f.
Достигалось это уменьшением длины затвора транзисторов,
составляющих элементную базу любого процессора. Чем меньше длина
затвора lз, тем меньше время пролета электрона под затвором:
tпр= lз/v,
где v – скорость электрона, и тем, следовательно, выше тактовая
частота, обратно пропорциональная времени пролета:
f=1/tпр.
Именно длина затвора определяла и размер самого транзистора. Чем
меньше затвор, тем меньше транзистор, а значит, тем большее число
транзисторов поместится на единице площади процессора).
МТУСИ
3

4.

Закон Мура
ОДИН
ИЗ
ОТЦОВОСНОВАТЕЛЕЙ INTEL
ГОРДОН МУР (1965Г):
«ЧИСЛО
ТРАНЗИСТОРОВ НА
КРИСТАЛЛАХ
МИКРОСХЕМ
БУДЕТ УДВАИВАТЬСЯ КАЖДЫЕ
ПОЛТОРА-ДВА ГОДА».
ГОРДОН МУР (2007Г.):
«ЗАКОН ВСКОРЕ ПЕРЕСТАНЕТ
ДЕЙСТВОВАТЬ
ИЗ-ЗА
АТОМАРНОЙ
ВЕЩЕСТВА
ПРИРОДЫ
И
ОГРАНИЧЕНИЯ
СКОРОСТИ СВЕТА».
МТУСИ
4

5.

ПОВЫШЕНИЕ ТАКТОВОЙ ЧАСТОТЫ – ПУТЬ ПРАКТИЧЕСКИ ИСЧЕРПАН
Intel в 2012г. перешел на процессоры с длиной затвора 22 нм на
пластинах диаметром 300 мм и трехмерными транзисторами
Tri-Gate, которые при одинаковом уровне производительности
потребляют вдвое меньше электроэнергии, чем прежние
процессоры 32 нм на «плоских» транзисторах.
МТУСИ
5

6.

STMICROELECTRONICS: В 2014 ПЕРЕШЛА К РАЗМЕРАМ ЗАТВОРА 20 НМ, А В 2015–2016М — 14 НМ. ДИАМЕТР АТОМА SI – 0,56 НМ, Т.Е. НА ДЛИНЕ ЗАТВОРА, РАВНОЙ 14 НМ,
УКЛАДЫВАЮТСЯ ВСЕГО 25 АТОМОВ. В 1916Г. В НАЦИОНАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИЯ ИМЕНИ
ЛОУРЕНСА В БЕРКЛИ СОЗДАЛА ПЕРВЫЙ В МИРЕ ТРАНЗИСТОР, РАЗМЕР ЗАТВОРА
КОТОРОГО НА ОСНОВЕ MOO2 СОСТАВЛЯЕТ ВСЕГО ЛИШЬ ОДИН НАНОМЕТР.
Уровень ведущего российского предприятия «Микрон-НИИМЭ» (компания
«Ситроникс», г.Зеленоград) – 90 нм, планируемый уровень – 65 нм. Это
соответствует первой двадцатке микроэлектронных фирм. Применение –
банковские карты, микрочипы в биометрических паспортах.
МТУСИ
6

7.

ОХЛАЖДЕНИЕ ПРОЦЕССОРА (ЖИДКИЙ АЗОТ, ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ);
ПОЛУПРОВОДНИКИ С БОЛЕЕ ВЫСОКОЙ ПОДВИЖНОСТЬЮ И СКОРОСТЬЮ
ЭЛЕКТРОНОВ (GAAS, INP, INGAAS, GAN);
СЛОЖНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СТРУКТУРЫ –
СЕЛЕКТИВНЫМ ЛЕГИРОВАНИЕМ (GAAS/ALGAAS);
ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ
С
ПРИНЦИПИАЛЬНО НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НОВЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ
ТРАНЗИСТОРОВ (ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ НА ОСНОВЕ ГРАФЕНА).
Intel
планировала
перейти
на
транзисторы с длиной затвора 10 нм в 2016
году, возможно, на основе полупроводников
AIIIBV.
Гейм и Новоселов – Нобелевская
премия по физике 2011 года за открытие
уникальных свойств графена.
Журнал
«Nature
Nanotechnology»,
январь 2013г. - вертикальный транзистор с
барьером
из
сернистого
вольфрама.
Перспектива – тактовая частота до терагерц.
МТУСИ
7

8.

Полностью российская разработка. Архитектура, схемотехника и топология
микропроцессора спроектированы специалистами Института электронных
управляющих машин (ИНЭУМ) и компании ЗАО МЦСТ.
Область применения – Министерство обороны, госучреждения.
Производится на Тайване компанией TSMC по технологии 28 нм.
Рабочая частота – 1,3 ГГЦ.
Число ядер – 8 (ядро – это часть
процессора, осуществляющая выполнение
одного потока команд).
Число транзисторов – 2,7 млрд.
Производительность (расчетная) – 250
Гфлоп (250 млрд. операций в секунду).
Intel Core i7-4930K с частотой 4,2ГГц, обладает
производительностью 140 Гфлопс.
Суперскалярная архитектура –
возможность выполнять на каждом ядре
до 25 операций за один машинный такт.
Поддержка режима защищённых вычислений
контролем целостности структуры памяти.
Собственная ОС Эльбрус на базе ядра Linux.
МТУСИ
с
особым
аппаратным
8

9.

Производится в модификациях Baikal M и M/S для использования
в коммуникационном оборудовании, средствах автоматизации (ЧПУ),
персональных компьютерах и микросерверах. Процессоры строятся на 64битном ядре Cortex А-57 британской компании ARM. Разработка компании
«Байкал
Электроникс»,
дочерней
компании
разработчика
суперкомпьютеров ОАО «Т-Платформы» по заказу Минпромторга РФ.
Область применения – Министерство обороны, госучреждения (ежегодная
потребность до 700 000 компьютеров и 300 000 серверов).
Производится на Тайване компанией TSMC по технологии 28 нм.
Число ядер – 8.
Рабочая частота – 2 ГГЦ.
Архитектура - суперскалярная.
ОС разрабатывается на базе свободного ПО Linux.
Анонсирован выпуск 16-ядерного процессора по
технологии 16 нм.
Компания Lenovo сообщила о планах выпустить
компьютеры на процессоре Baikal.
МТУСИ
9

10.

В 1980 году советский математик Юрий Манин предложил
использовать квантовые системы
для производства
вычислений.
Он основывался на трех отличительных особенностях
квантовой механики:
Состояние или положение частицы определяется только с
какой-либо долей вероятности.
Если частица может иметь несколько состояний, то она и
находится сразу во всех возможных состояниях. Это принцип
суперпозиции.
Процесс измерения состояния частицы приводит к
исчезновению суперпозиции.
В обычных компьютерах информация и вычисления — это
биты. Каждый бит — либо ноль, либо единица. Но квантовые
компьютеры основаны на кубитах, а они могут находиться в
состоянии суперпозиции, когда каждый кубит - одновременно и
ноль, и единица. И если для какого-нибудь расчета обычным
компьютерам нужно выстроить последовательности, то
квантовые вычисления происходят параллельно, в одно
мгновение.
МТУСИ
10

11.

Параллельность
квантовых
вычислений с кубитами заключается
в том, что не нужно перебирать все
возможные
варианты
состояний
системы, а это именно то, чем
занимается обычный компьютер.
Если
один
квантовый
объект
(электрон, фотон) может находиться
только в двух стояниях (т.е. иметь разные спины), то их совокупность в
результате суперпозиции волновых функций может находиться в 2N
состояниях, где N – число квантовых объектов.
Поиск по большим базам данных, составление оптимального
маршрута, разработка новых лекарств — лишь несколько примеров
задач, решение которых способны ускорить во множество раз квантовые
алгоритмы. Это те задачи, где для поиска правильного ответа нужно
перебрать огромное количество вариантов, что занимает много времени
у битовых компьютеров.
МТУСИ
11

12.

18 июля 2017г.
физики из России и
США
совместно
разработали
и
протестировали самый
мощный
в
мире
квантовый компьютер,
основой
которого
является 51-кубитный
чип.
Группа, руководителем которой является один из
основателей Российского квантового центра Михаил
Лукин, работающий в Гарварде, обошла команду Google,
которая всё ещё работает над созданием 49-кубитного
чипа.
МТУСИ
12

13.

Задействовав достаточное количество кубитов, квантовый
компьютер сможет справляться с задачами, на решение которых
у традиционного компьютера ушло бы больше времени, чем
существует Вселенная. Порог, перейдя который, квантовый
компьютер сможет сделать это, окрестили «квантовым
превосходством». Google, активно работающий в области
квантовых компьютеров, сделал анонс своих разработок в этом
направлении в марте 2018, упомянув именно эту концепцию.
В 2016-м IBM пригласила общественность опробовать
раннюю версию своего квантового компьютера, содержавшего
всего пять кубитов – это слишком мало для любых серьёзных
вычислений, но достаточно, чтобы люди могли приобрести
реальный опыт программирования при помощи новой
технологии. Технология быстро развивалась, и в 2018 году
расширила проект до 20 кубитов, и оптимистично объявила, что
готовит версию с 50-ю кубитами.
МТУСИ
13

14.

Главная проблема – охлаждение до
температур жидкого гелия (4,20 К). Для
создания
кубитов
IBM
использует
сверхпроводящие провода на основе смеси
ниобия с алюминием.
Есть идеи увеличения температуры
квантовых компьютеров в 2 раза (Питер
Налбах, физик-теоретик из Гамбургского
университета). Но это пока только идеи. И
потом это не решение проблемы.
На рисунке – квантовый компьютер
IBM и часть его системы охлаждения.
Вторая проблема – чувствительность
к внешним электрическим и магнитным
полям, разрушающим кубиты. Из-за этого
квантовые
компьютеры
помещают
в
экранирующий
кожух,
еще
более
усложняющий конструкцию.
МТУСИ
14

15.

Виртуализация серверов
На первом этапе виртуализация осуществлялась двумя путями: “hosted”
и “bare-metal”. В первом случае для запуска виртуальных машин
использовалась базовая операционная система (Windows, Linux), а во
втором - на “голом железе” запускался так называемый гипервизор, поверх
которого создавалось необходимое число виртуальных машин.
Именно второй путь, наиболее полно воплощенный фирмой VMWare,
сейчас наиболее распространен.
Особенности:
на одном компьютере или сервере создается несколько т.н. виртуальных машин, в
каждой из которых может быть своя среда - ОС, приложения, настройки и т.п.
эти машины абсолютно изолированы друг от друга и ведут себя как обычные
физические компьютеры.
виртуальные машины по заданным правилам сами и без прерывания сессии
пользователей «переезжают» с одного сервера на другой, всегда обеспечивая
максимальную производительность и функциональность ЦОД в целом.
МТУСИ
15

16.

Достоинства виртуализации
увеличение коэффициента использования аппаратного
обеспечения - загруженность серверов повышается с 15-20 до
80%, что позволяет экономить на «железе»;
уменьшение затрат на замену аппаратного обеспечения виртуальные сервера отвязаны от конкретного оборудования и
при обновлении парка физических серверов не требуется
повторная установка и настройка программного обеспечения;
обеспечение высокой доступности - восстановление из
резервных копий виртуальных машин занимает меньшее время
и является более простой процедурой;
повышение управляемости серверной инфраструктуры существует ряд продуктов управления виртуальной
инфраструктурой, позволяющих централизованно обеспечивать
балансировку нагрузки и «живую» миграцию.
экономия на обслуживающем персонале - необходимо
меньшее число обслуживающих специалистов, хотя, возможно,
более высокой квалификации;
экономия на электроэнергии – расходы включают в себя
расходы на электропитание как самих серверов, так и системы
охлаждения.
МТУСИ
16

17.

Серверные
системы
прошли
эволюцию от «башен»
через
«стоечные»
сервера к «лезвиям» и
микросерверам.
Одноюнитовый
rack-сервер
высокой
производительности компании Dell.
Впервые появились в 2001 году, однако проблемы
надежности,
энергопотребления
и
теплоотвода
несколько затормозили их внедрение. В последние годы
данный вид серверов приобрел "второе дыхание".
Особенности блейд-серверов:
отсутствие кабельных соединений;
возможность «горячей» замены;
наличие специализированных модулей.
МТУСИ
17

18.

наилучшее решение с точки зрения
масштабируемости
(защита
инвестиций),
но
только
для
продукции одного вендора и в
пределах
жизненного
цикла
оборудования;
каждый
блейд-сервер
может
работать над своей вычислительной
задачей, разные модули могут
работать под разными ОС;
Стойка блейд-серверов
хорошее системное ПО для управления ресурсами, разделения нагрузок,
горячей замены;
низкая стоимость обслуживания;
относительно
невысокая
стоимость
(отнесенная
на
единицу
производительности);
низкое энергопотребление и, как следствие, пониженные расходы на
кондиционирование.
МТУСИ
18

19.

Корзина (шасси) – обеспечивает соединение модулей, их централизованное питание и
охлаждение; корзины разных вендоров не совместимы
Порты ввода–вывода – обмен данными между корзинами на высокой скорости (порты
выполнены на базе открытых стандартов InfiniBand, Fibre Channel, Fast Ethernet, iSCSI и
Serial Attached SCSI)
Модули со специализированными процессорами - обслуживают особые
вычислительные потребности (ускорение параллельной обработки данных, потоковых
приложений, поддержка виртуальной среды)
Функция виртуализации - ПО управления блейд-системой обеспечивает управление
виртуальными ресурсами модулей корзины и других блейд-систем в ЦОД
Резервирование N+N - рекомендуется для критически важных модулей, поскольку при
наличии резервного модуля ПО управления автоматически переводит на него задачу в
случае выхода из строя основного модуля
Мультипроцессорные модули - выгодны при большой вычислительной нагрузке,
включая параллельную обработку данных
Модули с многоядерными процессорами – улучшенное использование
ресурсов кэш-памяти
Развертывание и удаление приложений – распознавание системой вновь
устанавливаемых модулей и автоматическое развертывание требуемых для их работы
приложений
Виртуализация нажатием одной кнопки - Dell vStart позволяет создать мощную,
доступную и хорошо масштабируемую виртуальной среду «в один клик»
МТУСИ
19

20.

Микросерверы
Строгого определения не существует.
Принято считать, что микросервер это:
горизонтально масштабируемый
сервер начального уровня с:
- низким энергопотреблением,
- высокой плотностью установки,
- эффективным разделением ресурсов.
Позволяет
резко
сократить
как
капитальные
затраты,
так
и
операционные
расходы.
Например, сервер PowerEdge компании Dell обладает:
в 4 раза выше плотностью по сравнению со стандартными 1U серверами,
на 75% меньшим тепловыделением по сравнению со стандартными 1U серверами,
плотностью на 150% большей, чем у маленьких блейдов HP,
общей инфраструктурой, позволяющей экономить место и электроэнергию,
блок питания (БП) горячей замены с КПД 92%.
20

21.

Почему микросерверы?
Высокая вычислительная
плотность:
• до 12 независимых серверов в
шасси 3U;
• плотность выше чем у блейдрешений.
Общая инфраструктура:
• общий БП снижает энергопотери;
• консолидированное охлаждение
дешевле раздельного.
Удобство обслуживания:
• БП, сетевые разъемы и серверы
доступны с лицевой стороны стойки;
• серверы поддерживают замену в
«горячем режиме».
21
МТУСИ
Общая инфраструктура
шасси позволяет
повысить
эффективность и
плотность

22.

Технологии повышения
эффективности серверов
1. Увеличение мощности и плотности оборудования – переход к многоядерным
процессорам и многопроцессорным серверам. Отсюда более простое управление,
снижение потребляемой мощности и тепловыделения.
2. Объединение многоядерных процессоров с управлением электропитанием –
снижение мощности электропитания слабо загруженных элементов (Intel Xeon –
производительность в 2-4 раза выше на ватт потребляемой мощности).
3. Использование более производительных конвейеров – выполнение большего
числа команд за такт работы процессора (Intel Xeon 5100 - каждое ядро выполняет
4 команды одновременно).
4. Эффективное использование кэш-памяти - одно из исполняющих ядер может
при простое другого ядра использовать всю кэш-память процессора (Intel Xeon
5100).
5. Динамическое управление питанием в ЦОД - ПО Intel планирования заданий,
распределяющего нагрузку с учетом температуры серверов.
6. Перенос на процессорный уровень задач, решавшихся на уровне ПО встроенная поддержка виртуализации и инструментов управления (хранение
паролей, ключей, цифровых сертификатов и аутентификации) в процессорах x86
разработки Intel AMD).
МТУСИ
22