Bankovní institut vysoká škola Praha Katedra informačních technologií a elektronického obchodování Moderní servery a technologie Servery a superservery, moderní technologie a využití v praxi Bakalářská práce Autor: Jan Suchý Informační technologie a management Vedoucí práce: Ing. Vladimír Beneš Praha Duben, 2007 Prohlášení: Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou práci zpracoval samostatně a s pouţitím uvedené literatury. podpis autora V Praze dne 14.4.2007 Jan Suchý 2 Anotace práce: Obsahem této práce je popis moderní technologie v oblasti procesorového vývoje a jeho nasazení do provozu v oblasti superpočítačových systémů. Vědeckotechnický pokrok je dnes významně urychlován právě specializovanými prototypy superpočítačů určenými pro nejnáročnější úkoly v oblastech jako jsou genetika, jaderná fyzika, termodynamika, farmacie, geologie, meteorologie a mnoho dalších. Tato bakalářská práce se v krátkosti zmiňuje o prvopočátku vzniku mikroprocesoru, víceprocesorové architektury aţ po zajímavé projekty, jako jsou IBM DeepBlue, Deep Thunder nebo fenomenální IBM BlueGene/L, který je v současné době nejvýkonnějším superpočítačem na světě. Trend zvyšování výkonu a důraz na náklady související s provozováním IT, vedl zároveň k poţadavku na efektivnější vyuţívání IT systémů. Technologie virtualizaci a Autonomic Computingu se tak staly fenoménem dnešní doby. 3 Obsah 1 ÚVOD 6 2 PROCESORY 7 2.1 HISTORIE A VÝVOJ 7 2.2 NOVÉ TECHNOLOGIE 8 2.2.1 Silicon Germanium - SiGe (1989) 8 2.2.2 První měděný procesor (1997) 8 2.2.3 Silicon on Insulator - SOI (1998) 9 2.2.4 Low-K dielektrikum (2000) 9 2.2.5 Strained silicon (2001) 9 2.2.6 DualCore procesor – POWER4 (2001) 10 2.2.7 IBM CELL 10 2.2.8 IBM POWER6 – blízká budoucnost 11 2.2.9 Použití v praxi 12 2.3 TRENDY VE VÝVOJI 14 2.3.1 Více jader 14 2.3.2 Více vláken (multi threads) 15 2.3.3 Vyšší frekvence 15 2.3.4 Technologie výroby 15 2.3.5 Extrémní testy a vize 16 3 ARCHITEKTURA SERVERŮ 17 3.1 VÝVOJ ARCHITEKTURY 17 3.1.1 Uniprocesor - architektura s jedním procesorem 17 3.1.2 Víceprocesorové systémy SMP 18 3.1.3 Architektura SMP pro RISC procesory 20 3.1.4 Masivně paralelní architektura 21 3.2 POUŽITÉ KONCEPTY A MODERNÍ SMP ARCHITEKTURA 22 3.2.1 IBM MCM architektura 22 3.2.2 HP/SUN „Building block“ architektura se sběrnicí 24 4 KOMERČNÍ SERVERY 26 4.1 PROCESOROVÝ DESIGN 26 4.2 ARCHITEKTURA SERVERU 27 4.3 LOGICKÉ – FYZICKÉ/LOGICKÉ DĚLENÍ - VIRTUALIZACE 27 4.4 DOSTUPNOST 28 4.5 SPOLEHLIVOST 29 5 SVĚT SUPERSERVERŮ 30 4 5.1 VÍCE SERVEROVÉ SYSTÉMY 30 5.1.1 Serverové clustery 30 5.1.2 GRID systémy 31 5.2 NEJZNÁMĚJŠÍ HPC A GRID PROJEKTY 31 5.2.1 DeepBlue – šachový velmistr 31 5.2.2 ASCI Purple – rychlý jako lidský mozek 32 5.2.3 Deep Thunder – systém pro předpověď počasí 35 5.2.4 BlueGene/L – nejvýkonnější na světě 38 5.2.5 WCG - World Community Grid 40 5.2.6 Trendy v HPC 42 6 VIRTUALIZACE VÝKONU 43 6.1 MOŽNOSTI HARDWARE 43 6.2 MOŽNOSTI SOFTWARE 44 7 AUTONOMIC COMPUTING 46 7.1 ÚVODNÍ PRINCIPY 46 7.1.1 Self-configuring 47 7.1.2 Self-healing 47 7.1.3 Self-optimizing 47 7.1.4 Self-protecting 47 7.1.5 Ambiciózní model – lidské tělo 48 7.2 BLOKOVÁ ARCHITEKTURA – PROCESNÍ KRUH 48 7.2.1 Používané procesy v praxi 48 7.2.2 Celková funkce 49 8 ZÁVĚR 51 9 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY 53 9.1 KNIHY 53 9.2 INTERNETOVÉ ODKAZY 53 10 SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK 55 5 1 Úvod Dnešní generace obyvatel vyspělých zemí akceptuje pokrok v mnoha odvětvích a se zájmem sleduje novinky v oblastech které je zajímají. Díky novým technologiím a objevům se lidstvo posouvá ve vývoji stále rychleji kupředu, pokořuje nové cíle a dosahuje na místa o kterých dříve snilo jen v nejodváţnějších představách. Jiţ jsme si pomalu zvykli na nové fantastické zprávy o tom, co kde který počítač nebo spojení více počítačů dokáţí vypočítat nebo navrhnout, ale málokdo má představu o tom, co je potřeba za úsilí pro dosaţení takového výsledku. Ve světě běţných počítačů je primární výzkum především orientován na výrobu základních stavebních částí. Nejde tedy pouze jen o procesory, které jsou srdcem všech počítačů, ale také o další podpůrné obvody jako jsou rychlé paměti, které musí drţet krok s výkonností procesoru a sběrnice, jeţ musí přesunout stále více dat pro zpracování poţadovaných operací. Při konstrukci superserverů nebo podobných zařízení vyznačujícími se výjimečností svého technického řešení se konstruktéři často potýkají s limity standardně dostupných technologií. Proto opouštějí tyto standardně pouţívané technologie a spolupracují s vývojovými týmy, které dokáţí vyvinout unikátní supertechnologie. Ty pak slouţí pouze pro jednotlivé konkrétní účely nebo speciální úlohy, zejména pak při sloţitých výpočtech a náročném 3D modelování nebo přímo při vizualizaci. Přední světové týmy v oblasti výzkumu by dnes stěţí mohly produkovat tolik objevů v nejrůznějších oblastech pokud by neměly velmi rychlou odezvu od systémů poskytujících zpracovávání jejich úloh. Čas, který je tím nejdůleţitějším parametrem například pro úspěch ve vývoji očkovací vakcíny proti zhoubné chorobě suţující dnešní generaci lidstva je zároveň akcelerátorem, který pohání vývoj nových informačních technologií a jejich efektivnější vyuţívaní. Lidstvo takto samo produkuje další technologie pro zvýšení kvality vlastního ţivota. Moderní superservery jsou nedílnou součástí našeho ţivota a díky výsledkům jejich práce si dokáţeme výrazně usnadnit ţivot. Jedná se o velmi sofistikované systémy, které jiţ dnes oplývají schopnostmi samostatné změny konfigurace a moţnostmi, jak překlenout stav vyvolaný neočekávanou chybou bez zásahu obsluhy. Dokáţí efektivně vyuţívat svoji výkonnost pro přidělené úlohy, nebo virtuálně sdílet přidělené hardware zdroje jako jsou procesory, paměť a komunikační zařízení mezi více úlohami najednou. 6 2 Procesory V současné době jsme svědky neustálého boje mezi výrobci procesorů o prvenství na trhu. Hlavními konkurenty vyrábějící procesory pro serverové systémy jsou Intel, AMD, IBM, Motorola a SUN Microsystems. Široké veřejnosti jsou známé především firmy Intel a AMD, které produkují procesory pro osobní počítače coţ by mohlo na první pohled znamenat, ţe jsou to nejdůleţitější firmy na trhu s procesory. Co do počtu prodaných procesorů je to zcela jistě pravda, ale nás zajímá vyspělost technologie a její uvádění na trh. Kdo určuje trend a určuje cestu dalšího vývoje. Zda je frekvence tím nejdůleţitějším parametrem pro výkonnost a jaké můţeme čekat další vylepšení při vývoji příštích generací chipů. 2.1 Historie a vývoj V krátkosti se podívejme do historie procesorů. V podstatě moderní věk počítačů můţeme datovat do doby maximálně 10 – 12 let zpět ačkoliv první Intel 4004 byl uveden na trh v roce 1971 a první RISC1 procesor byt vyroben v roce 1980. Co tedy bylo aktuální v roce 1993 - 1994 a co budilo zájem veřejnosti? V krátkosti se podíváme na hlavní hráče počítačového průmyslu jako jsou firmy IBM, HP, Digital, Silicon Graphics - SGI, Tandem a SUN Microsystems. Frekvence procesorů se pohybuje na taktu okolo 100 MHz. IBM uvádí na trh první server s procesory POWER2 a první paralelní systém, který odstartoval hvězdnou dráhu procesorů POWER. V této době ale patřil spíše k outsiderům v poli procesorů. Dominantu tvořil tandem SGI a Digital. Byly to dvě hlavní firmy, které se utkávaly na poli serverů a superserverů. Procesory MIPS dominovaly všem aplikacím, kde se vyţadoval vysoký výpočetní výkon a SGI se stala firmou číslo jedna pro vědecko-technické aplikace a náročné výpočty v oblasti renderování video streamů2. Oproti tomu procesor Alpha od firmy Digital lámal rekordy v transakčním zpracování. Pro databázové prostředí byl tento procesor nepřekonatelný. Firmy, které hledaly silný stroj pro své rostoucí databáze pořizovaly Alpha servery. Jejich výkon přesahoval hranici 10 000 tpmC (transakcí za minutu). Ironií osudu je to, ţe obě tyto firmy jsou dnes jiţ minulostí. Společnost Digital 1 Reduced Instruction Set Computer – Počítač s redukovanou instrukční sadou 2 Vytváření video sekvence pro filmové zpracování. Více informací na adrese nejznámější společnosti spolupracující s filmovým průmyslem - Industrial Light and Magic - http://www.ilm.com/ 7 byla koupena společností Compaq, která později fúzovala s HP a pro Alphu najednou nebylo místo. SGI se dnes potýká s finančními problémy a v USA před nedávnem ţádala o ochranu před věřiteli. Kdo tedy bude dále investovat do dalšího vývoje? Vlivem konkurenčního boje na trhu zůstali pouze tři výrobci o kterých má smysl dále hovořit. Jsou to Intel, AMD a IBM. 2.2 Nové technologie Jednoznačně technologicky nejzajímavější se jeví produkty společnosti IBM. Je to dáno mnoţstvím vývojových laboratoří po celém světě a počtu uveřejněných patentů. Společnost IBM ročně patentuje okolo 3 500 patentů a to nejen ze sféry výpočetní techniky. Pojďme se podívat jaké významné objevy posunuly lidstvo dopředu. 2.2.1 Silicon Germanium - SiGe (1989) Ve výrobní technologii SiGe jsou elektrické vlastnosti křemíku, který je základem prakticky všech moderních mikro chipů, doplněny germaniem, aby chipy fungovaly efektivněji. Technologie SiGe zvyšuje výkon a sniţuje spotřebu energie chipů, které se pouţívají v mobilních telefonech a dalších špičkových komunikačních zařízeních. Obrázek 1: Chip IBM svou technologii SiGe poprvé uvedlo v roce 1989 a v pouţívající SiGe říjnu 1998 uvedlo první standardní, masově vyráběné chipy technologii SiGe. Od té doby se vyrobily stovky miliónů chipů s technologií SiGe. Velice rychlé SiGe obvody se mohou uplatnit v komerčních komunikačních systémech, vojenské elektronice, ve výzkumu vesmíru a ve vzdáleně nasazených senzorech. Předpokládané limity této technologie jsou aţ ve stovkách GHz, coţ je se znalostí frekvencí dnešních procesorů téměř neuvěřitelné. Dosaţením takto extrémních rychlostí s technologií SiGe, kterou lze vyrábět pomocí konvenčních levných metod, jsou vytvořeny výborné podmínky pro masově nasazované aplikace. 2.2.2 První měděný procesor (1997) Poprvé v historii se roku 1997 podařilo téměř po 30 letech výzkumu vyrobit procesor, který pouţíval měděné spoje Obrázek 2: Chip s měděnými spoji 8 namísto standardních hliníkových spojů. IBM uvedla na trh procesor POWER3 vyrobený touto technologií.